Yarimoʻtkazgichli lazerlar yarimoʻtkazgichli faol muhitga asoslangan kvant generatorlari boʻlib, erkin zonadagi zaryad tashuvchilarning yuqori konsentratsiyasida energiya darajalari oʻrtasida kvant oʻtish paytida ragʻbatlantirilgan emissiya natijasida optik kuchaytirish yaratiladi.
Yarim o'tkazgich lazer: ishlash printsipi
Oddiy holatda aksariyat elektronlar valentlik darajasida joylashgan. Fotonlar uzilish zonasining energiyasidan oshib ketadigan energiyani etkazib berganda, yarim o'tkazgichning elektronlari qo'zg'alish holatiga keladi va taqiqlangan zonadan o'tib, uning pastki chetida to'planib, erkin zonaga o'tadi. Bir vaqtning o'zida valentlik darajasida hosil bo'lgan teshiklar uning yuqori chegarasiga ko'tariladi. Erkin zonadagi elektronlar teshiklar bilan rekombinatsiyalanib, fotonlar shaklida uzilish zonasining energiyasiga teng energiyani chiqaradi. Rekombinatsiya etarli energiya darajasiga ega bo'lgan fotonlar tomonidan kuchaytirilishi mumkin. Raqamli tavsif Fermi taqsimot funksiyasiga mos keladi.
Qurilma
Yarimoʻtkazgichli lazer qurilmasip-n-birikma zonasida elektronlar va teshiklarning energiyasi bilan pompalanadigan lazerli diod - p- va n-tipli o'tkazuvchanlikka ega yarimo'tkazgichlarning aloqa nuqtasi. Bundan tashqari, optik energiya bilan ta'minlangan yarimo'tkazgichli lazerlar mavjud bo'lib, ularda nur fotonlarini yutish natijasida nur hosil bo'ladi, shuningdek, ularning ishlashi polosalar ichidagi o'tishlarga asoslangan kvant kaskad lazerlari mavjud.
Tarkibi
Yarimoʻtkazgichli lazerlarda ham, boshqa optoelektronik qurilmalarda ham qoʻllaniladigan standart ulanishlar quyidagilar:
- galliy arsenid;
- galliy fosfidi;
- galiy nitridi;
- indiy fosfidi;
- indiy-galliy arsenid;
- galyum alyuminiy arsenid;
- galiy-indiy arsenid nitridi;
- galiy-indiy fosfidi.
To'lqinbo'yi
Bu birikmalar toʻgʻridan-toʻgʻri boʻshliqli yarimoʻtkazgichlardir. Bilvosita bo'shliq (kremniy) yorug'lik etarli kuch va samaradorlik bilan chiqarmaydi. Diod lazer nurlanishining to'lqin uzunligi foton energiyasining ma'lum bir birikmaning uzilish zonasi energiyasiga yaqinlashishi darajasiga bog'liq. 3 va 4 komponentli yarimo'tkazgichli birikmalarda uzilish zonasi energiyasi doimiy ravishda keng diapazonda o'zgarishi mumkin. AlGaAs uchun=AlxGa1-xMasalan, alyuminiy tarkibining ortishi (x ning ortishi) alyuminiy miqdorining oshishiga olib keladi. uzilish zonasi energiyasi.
Eng keng tarqalgan yarimo'tkazgichli lazerlar yaqin infraqizilda ishlasa-da, ba'zilari qizil (indiy galiy fosfidi), ko'k yoki binafsha (galliy nitridi) ranglarini chiqaradi. O'rta infraqizil nurlanish yarimo'tkazgichli lazerlar (qo'rg'oshin selenid) va kvant kaskad lazerlari tomonidan ishlab chiqariladi.
Organik yarimo'tkazgichlar
Yuqorida qayd etilgan noorganik birikmalardan tashqari, organiklardan ham foydalanish mumkin. Tegishli texnologiya hali ham ishlab chiqilmoqda, ammo uning rivojlanishi kvant generatorlarini ishlab chiqarish xarajatlarini sezilarli darajada kamaytirishga va'da beradi. Hozircha faqat optik energiya bilan ta'minlangan organik lazerlar ishlab chiqilgan va yuqori samarali elektr nasosga hali erishilmagan.
turlar
Parametrlari va qoʻllaniladigan qiymati jihatidan farq qiluvchi koʻplab yarimoʻtkazgichli lazerlar yaratilgan.
Kichik lazerli diodlar yuqori sifatli chekka nurlanish nurlarini ishlab chiqaradi, ularning quvvati bir necha dan besh yuz millivattgacha. Lazerli diod kristalli nozik to'rtburchaklar plastinka bo'lib, u to'lqin o'tkazgich bo'lib xizmat qiladi, chunki nurlanish kichik bo'shliq bilan cheklangan. Katta maydonning p-n birikmasini hosil qilish uchun kristall har ikki tomondan doping qilinadi. Jilolangan uchlari optik Fabry-Perot rezonatorini yaratadi. Rezonatordan o'tadigan foton rekombinatsiyaga olib keladi, nurlanish kuchayadi va avlod boshlanadi. Lazerli koʻrsatkichlar, CD va DVD pleerlar hamda optik tolali aloqada qoʻllaniladi.
Kam quvvatli monolit lazerlar va qisqa impulslar hosil qilish uchun tashqi rezonatorga ega kvant generatorlari rejim blokirovkasini ishlab chiqishi mumkin.
Lazerlartashqi rezonatorli yarimo'tkazgich kattaroq lazer rezonatori tarkibida kuchaytiruvchi vosita rolini o'ynaydigan lazer diodidan iborat. Ular to'lqin uzunliklarini o'zgartirishga qodir va tor emissiya diapazoniga ega.
Injection yarimo'tkazgichli lazerlar keng diapazon ko'rinishidagi emissiya hududiga ega, bir necha vatt quvvatga ega past sifatli nurni yaratishi mumkin. Ular p- va n-qatlamlar orasida joylashgan yupqa faol qatlamdan iborat bo'lib, qo'sh geterobirikma hosil qiladi. Yorug'likni lateral yo'nalishda ushlab turish mexanizmi yo'q, bu yuqori nurning elliptikligiga va qabul qilib bo'lmaydigan darajada yuqori chegara oqimlariga olib keladi.
Keng polosali diodlar majmuasidan tashkil topgan kuchli diodli panjaralar oʻnlab vatt quvvatga ega oʻrtacha sifatli nurni ishlab chiqarishga qodir.
Kuchli ikki oʻlchovli diodlar massivlari yuzlab va minglab vattlarda quvvat ishlab chiqarishi mumkin.
Yuza chiqaruvchi lazerlar (VCSELs) plastinkaga perpendikulyar bir necha millivatt quvvatga ega yuqori sifatli yorug'lik nurini chiqaradi. Rezonator nometall nurlanish yuzasiga turli xil sinishi ko'rsatkichlari bo'lgan ¼ to'lqin uzunligi qatlamlari shaklida qo'llaniladi. Bitta chipda bir necha yuzta lazer yasash mumkin, bu esa ommaviy ishlab chiqarish imkoniyatini ochadi.
Optik quvvat manbai va tashqi rezonatorga ega VECSEL lazerlari qulflangan rejimda bir necha vatt quvvatga ega yaxshi sifatli nurni yaratishga qodir.
Yarimo'tkazgichli lazer kvantining ishlashikaskad turi zonalar ichidagi o'tishlarga asoslanadi (interzonlardan farqli o'laroq). Ushbu qurilmalar o'rta infraqizil mintaqada, ba'zan terahertz diapazonida chiqaradi. Ular, masalan, gaz analizatorlari sifatida ishlatiladi.
Yarim oʻtkazgichli lazerlar: qoʻllanilishi va asosiy jihatlari
Oʻrtacha kuchlanishda yuqori samarali elektr nasosli kuchli diodli lazerlar yuqori samarali qattiq holatdagi lazerlarni quvvatlantirish vositasi sifatida ishlatiladi.
Yarimoʻtkazgichli lazerlar spektrning koʻrinadigan, yaqin infraqizil va oʻrta infraqizil qismlarini oʻz ichiga olgan keng chastota diapazonida ishlashi mumkin. Emissiya chastotasini oʻzgartirish imkonini beruvchi qurilmalar yaratildi.
Lazerli diodlar optik quvvatni tezda almashtirishi va modulyatsiya qilishi mumkin, bu optik tolali uzatgichlarda qoʻllaniladi.
Bunday xususiyatlar yarimo'tkazgichli lazerlarni texnologik jihatdan kvant generatorlarining eng muhim turiga aylantirdi. Ular amal qiladi:
- telemetriya datchiklari, pirometrlar, optik altimetrlar, masofa oʻlchagichlar, diqqatga sazovor joylar, golografiyada;
- optik uzatish va ma'lumotlarni saqlashning optik tolali tizimlarida, kogerent aloqa tizimlarida;
- lazer printerlar, video proyektorlar, koʻrsatkichlar, shtrix-kod skanerlari, tasvir skanerlari, CD pleerlarda (DVD, CD, Blu-Ray);
- xavfsizlik tizimlarida, kvant kriptografiyasi, avtomatlashtirish, indikatorlarda;
- optik metrologiya va spektroskopiya;
- jarrohlik, stomatologiya, kosmetologiya, terapiya;
- suvni tozalash uchun,materiallarni qayta ishlash, qattiq holatda lazerli nasos, kimyoviy reaktsiyalarni boshqarish, sanoat saralash, sanoat muhandisligi, ateşleme tizimlari, havo mudofaa tizimlari.
Impuls chiqishi
Koʻpchilik yarimoʻtkazgich lazerlar uzluksiz nur hosil qiladi. Elektronlarning o'tkazuvchanlik darajasida qisqa yashash vaqti tufayli ular Q-switchli impulslarni hosil qilish uchun juda mos kelmaydi, ammo kvazi-uzluksiz ishlash rejimi kvant generatorining quvvatini sezilarli darajada oshirishga imkon beradi. Bundan tashqari, yarimo'tkazgichli lazerlar rejimni qulflash yoki daromadni almashtirish bilan ultra qisqa impulslarni yaratish uchun ishlatilishi mumkin. Qisqa impulslarning o'rtacha quvvati odatda bir necha millivatt bilan chegaralanadi, optik nasosli VECSEL lazerlari bundan mustasno, ularning chiqishi o'nlab gigagerts chastotali ko'p vattli pikosoniyali impulslar bilan o'lchanadi.
Modulyatsiya va barqarorlashtirish
Elektronning o'tkazuvchanlik zonasida qisqa turishining afzalligi yarimo'tkazgichli lazerlarning VCSEL lazerlari uchun 10 GGts dan yuqori chastotali modulyatsiya qilish qobiliyatidir. U optik ma'lumotlarni uzatish, spektroskopiya, lazer stabilizatsiyasida qo'llanilishini topdi.
