Жартылайөткізгіш лазерлер – бос аймақтағы заряд тасымалдаушылардың жоғары концентрациясында энергия деңгейлері арасындағы кванттық ауысу кезінде ынталандырылған сәуле шығару арқылы оптикалық күшейту жасалатын жартылай өткізгіш белсенді ортаға негізделген кванттық генераторлар.
Жартылай өткізгіш лазер: жұмыс принципі
Қалыпты күйде электрондардың көпшілігі валенттілік деңгейінде орналасады. Фотондар үзіліс аймағының энергиясынан асатын энергияны бергенде, жартылай өткізгіштің электрондары қозу күйіне түседі және тыйым салынған аймақты жеңіп, оның төменгі жиегіне шоғырлана отырып, бос аймаққа өтеді. Бір мезгілде валенттілік деңгейінде пайда болған тесіктер оның жоғарғы шекарасына дейін көтеріледі. Еркін аймақтағы электрондар саңылаулармен қайта қосылып, фотондар түріндегі үзіліс аймағының энергиясына тең энергияны сәулелендіреді. Рекомбинацияны энергия деңгейі жеткілікті фотондар арқылы күшейтуге болады. Сандық сипаттама Fermi үлестірім функциясына сәйкес келеді.
Құрылғы
Жартылай өткізгішті лазерлік құрылғыp-n-өткізу аймағындағы электрондар мен тесіктердің энергиясымен айдалатын лазерлік диод - p- және n-типті өткізгіштігі бар жартылай өткізгіштердің жанасу нүктесі. Бұдан басқа, жарық фотондарын жұту арқылы сәуле түзілетін оптикалық энергиямен қамтамасыз етілген жартылай өткізгішті лазерлер, сондай-ақ жұмысы жолақтар ішіндегі өтулерге негізделген кванттық каскадты лазерлер бар.
Композиция
Жартылай өткізгішті лазерлерде де, басқа оптоэлектрондық құрылғыларда да қолданылатын стандартты қосылымдар төмендегідей:
- галий арсениді;
- галий фосфиді;
- галий нитриді;
- индий фосфиді;
- индий-галий арсениді;
- галий алюминий арсениді;
- галий-индий арсенид нитриді;
- галий-индий фосфиді.
Толқын ұзындығы
Бұл қосылыстар тікелей аралық жартылай өткізгіштер. Жанама аралық (кремний) жарық жеткілікті беріктік пен тиімділікпен шығармайды. Диодтық лазерлік сәулеленудің толқын ұзындығы фотон энергиясының белгілі бір қосылыстың үзіліс аймағының энергиясына жақындау дәрежесіне байланысты. 3 және 4 компонентті жартылай өткізгіш қосылыстарда үзіліс аймағының энергиясы кең ауқымда үздіксіз өзгеруі мүмкін. AlGaAs үшін=AlxGa1-xМысалы, алюминий мөлшерінің ұлғаюы (x көбеюі) үзіліс аймағының энергиясы.
Ең таралған жартылай өткізгішті лазерлер жақын инфрақызыл сәулелерде жұмыс істегенімен, кейбіреулері қызыл (индий галий фосфиді), көк немесе күлгін (галий нитриді) түстерді шығарады. Орташа инфрақызыл сәулеленуді жартылай өткізгіш лазерлер (қорғасын селениді) және кванттық каскадты лазерлер шығарады.
Органикалық жартылай өткізгіштер
Жоғарыда аталған бейорганикалық қосылыстардан басқа органикалық қосылыстарды да қолдануға болады. Сәйкес технология әлі де әзірленуде, бірақ оның дамуы кванттық генераторларды өндіру құнын айтарлықтай төмендетуге уәде береді. Әзірге оптикалық қуат көзі бар органикалық лазерлер ғана әзірленді және жоғары тиімді электр сорғысына әлі қол жеткізілген жоқ.
Сұрттар
Параметрлері мен қолданылатын мәні бойынша ерекшеленетін көптеген жартылай өткізгіш лазерлер жасалды.
Кішкентай лазерлік диодтар жоғары сапалы шеткі сәулелену сәулесін шығарады, оның қуаты бірнеше жүзден бес жүз милливатқа дейін ауытқиды. Лазерлік диодтың кристалы - бұл толқындық бағыттаушы ретінде қызмет ететін жұқа төртбұрышты пластина, өйткені сәулелену шағын кеңістікпен шектеледі. Кристалл үлкен аумақтың p-n түйісуін жасау үшін екі жағынан легирленген. Жылтыратылған ұштары оптикалық Fabry-Perot резонаторын жасайды. Резонатор арқылы өтетін фотон рекомбинацияны тудырады, сәулелену көбейеді және генерация басталады. Лазерлік көрсеткіштерде, CD және DVD ойнатқыштарында және оптикалық талшықты байланыстарда қолданылады.
Қысқа импульстарды қалыптастыру үшін сыртқы резонаторы бар төмен қуатты монолитті лазерлер мен кванттық генераторлар режимді құлыптауды жасай алады.
Лазерлерсыртқы резонаторы бар жартылай өткізгіш лазерлік диодтан тұрады, ол үлкенірек лазерлік резонатордың құрамында күшейткіш орта рөлін атқарады. Олар толқын ұзындығын өзгертуге қабілетті және тар сәуле шығару диапазонына ие.
Инъекциялық жартылай өткізгіш лазерлер кең диапазон түріндегі сәуле шығару аймағына ие, бірнеше ватт қуаты бар сапасыз сәуле шығара алады. Олар p- және n-қабаттарының арасында орналасқан жұқа белсенді қабаттан тұрады, қосарлы гетеройысу түзеді. Жарықты бүйірлік бағытта ұстап тұру механизмі жоқ, бұл жоғары сәуленің эллиптілігіне және рұқсат етілмейтін жоғары шекті токтарға әкеледі.
Кең жолақты диодтар жиымынан тұратын қуатты диодтық жолақтар ондаған ватт қуаты бар орташа сапада сәуле шығаруға қабілетті.
Қуатты екі өлшемді диодтар массивтері жүздеген және мыңдаған ватт қуат өндіре алады.
Жер бетін шығаратын лазерлер (VCSELs) пластинаға перпендикуляр бірнеше милливатт қуаты бар жоғары сапалы жарық сәулесін шығарады. Резонаторлық айналар сәулелену бетіне әртүрлі сыну көрсеткіштері бар ¼ толқын ұзындығы қабаттар түрінде қолданылады. Бір чипте бірнеше жүздеген лазерлер жасауға болады, бұл жаппай өндіру мүмкіндігін ашады.
Оптикалық қуат көзі және сыртқы резонаторы бар VECSEL лазерлері құлыптау режимінде бірнеше ватт қуаты бар жақсы сапа сәулесін жасай алады.
Жартылай өткізгішті лазердің кванттық жұмысыкаскадты түрі аймақтар ішіндегі ауысуларға негізделген (аймақаралықтарға қарағанда). Бұл құрылғылар орта инфрақызыл аймақта, кейде терагерц диапазонында сәуле шығарады. Олар, мысалы, газ анализаторлары ретінде пайдаланылады.
Жартылай өткізгіш лазерлер: қолданылуы және негізгі аспектілері
Қатты күйдегі жоғары тиімді лазерлерді қуаттандыру құралы ретінде орташа кернеулерде жоғары тиімді электрлік айдау бар қуатты диодты лазерлер пайдаланылады.
Жартылай өткізгіш лазерлер спектрдің көрінетін, жақын инфрақызыл және ортаңғы инфрақызыл бөліктерін қамтитын кең жиілік диапазонында жұмыс істей алады. Шығарылу жиілігін өзгертуге мүмкіндік беретін құрылғылар жасалды.
Лазерлік диодтар оптикалық қуатты жылдам ауыстырып, модуляциялай алады, ол талшықты-оптикалық таратқыштарда қолданылады.
Мұндай сипаттамалар жартылай өткізгіш лазерлерді технологиялық тұрғыдан кванттық генераторлардың ең маңызды түріне айналдырды. Олар қолданылады:
- телеметриялық датчиктерде, пирометрлерде, оптикалық биіктік өлшегіштерде, қашықтық өлшегіштерде, көрікті жерлерде, голографияда;
- оптикалық беру және деректерді сақтаудың талшықты-оптикалық жүйелерінде, когерентті байланыс жүйелерінде;
- лазерлік принтерлерде, бейне проекторларда, көрсеткіштерде, штрих-код сканерлерінде, кескін сканерлерінде, CD ойнатқыштарында (DVD, CD, Blu-Ray);
- қауіпсіздік жүйелерінде, кванттық криптографияда, автоматтандыруда, көрсеткіштерде;
- оптикалық метрология және спектроскопияда;
- хирургияда, стоматологияда, косметологияда, терапияда;
- суды өңдеу үшін,материалдарды өңдеу, қатты күйдегі лазерді айдау, химиялық реакцияларды басқару, өнеркәсіптік сұрыптау, өнеркәсіптік инженерия, тұтану жүйелері, әуе қорғанысы жүйелері.
Импульстік шығыс
Жартылай өткізгіш лазерлердің көпшілігі үздіксіз сәуле шығарады. Электрондардың өткізгіштік деңгейінде тұру уақыты қысқа болғандықтан, олар Q-коммутациялы импульстарды генерациялау үшін өте қолайлы емес, бірақ квазиүздіксіз жұмыс режимі кванттық генератордың қуатын айтарлықтай арттыруға мүмкіндік береді. Сонымен қатар, жартылай өткізгіш лазерлерді режимді құлыптау немесе күшейту ауысуы бар ультра қысқа импульстарды жасау үшін пайдалануға болады. Қысқа импульстардың орташа қуаты әдетте бірнеше милливаттпен шектеледі, шығысы ондаған гигагерц жиілігі бар көп ватт пикосекундтық импульстермен өлшенетін оптикалық айдалатын VECSEL лазерлерін қоспағанда.
Модуляция және тұрақтандыру
Өткізгіштік жолағында электронның қысқа тұруының артықшылығы жартылай өткізгіш лазерлердің VCSEL лазерлері үшін 10 ГГц-тен асатын жоғары жиілікті модуляцияға қабілеттілігі болып табылады. Ол оптикалық деректерді беруде, спектроскопияда, лазерлік тұрақтандыруда қолданбасын тапты.
