Що таке напівпровідникові лазери? (Частина Ⅰ)

З моменту винаходу першНапівпровідникові лазериУ світі в 1962 році напівпровідниковий лазер зазнав великих змін, значно сприяючи розвитку іншої науки та техніки, і вважається одним із важливих винаходів 20 століття. В останні десятиліття розвиток напівпровідникових лазерів відбувається швидше і став найшвидше розвивається лазерною технологією у світі. Застосування напівпровідникових лазерів охоплює всю галузь оптоелектроніки і стало основною технологією науки про оптоелектроніку. Завдяки таким перевагам, як малий розмір, проста конструкція, низька споживана енергія, тривалий термін служби, легкість модуляції та низька ціна, напівпровідниковий лазер широко використовується в галузі оптоелектроніки та високо цінується в країнах по всьому світу.

1. Напівпровідникові лазери

Напівпровідниковий лазер — це різновид мініатюрного лазера, який складається з Pn-переходу або Pin напівпровідникового матеріалу з прямою забороненою зоною. Існують десятки видів напівпровідникових лазерних речовин. В даний час напівпровідникові матеріали, з яких виготовляють лазери, це арсенід галію, арсенід індію, антимонід індію, сульфід кадмію, телурид кадмію, селенід свинцю, телурид свинцю, алюміній, галій, миш’як, індій, фосфор і так далі. Існує три типи режимів збудження напівпровідникового лазера, а саме: електрична інжекція, оптична накачування та збудження пучком електронів високої енергії. Режимом збудження більшості напівпровідникових лазерів є електрична інжекція, тобто пряма напруга прикладається до Pn-переходу для генерації вимушеного випромінювання в області площини переходу, тобто це діод з прямим зміщенням. Тому напівпровідниковий лазер також називають напівпровідниковим лазерним діодом. Для напівпровідників, оскільки електрони переходять між енергетичними зонами, а не між дискретними енергетичними рівнями, енергія переходу не є певним значенням, через що вихідна довжина хвилі напівпровідникового лазера поширюється в широкому діапазоні. Вони випромінюють хвилі з довжиною від 0.3 до 34 мкм. Діапазон довжин хвиль залежить від ширини забороненої зони використовуваного матеріалу. Звичайний лазер з подвійним гетеропереходом AlGaAs має вихідну довжину хвилі 750 ~ 890 нм.

Технологія виробництва напівпровідникових лазерів має досвід від дифузійного методу до рідкофазної епітаксії (LPE), газофазної епітаксії (VPE), молекулярно-променевої епітаксії (MBE), методу MOCVD (осадження з парів органічних металів), хімічно-променевої епітаксії (CBE) та їх різноманітних поєднання різноманітних процесів. Недоліком напівпровідникового лазера є те, що на продуктивність лазера впливає температура, а кут розбіжності променя великий (зазвичай від кількох градусів до 20 градусів), тому він має низьку спрямованість, монохроматичні властивості та когерентність. Але зі швидким розвитком науки і техніки дослідження dpss-лазерів просуваються в напрямку глибини, а продуктивність напівпровідникового лазера постійно вдосконалюється. Технологія напівпровідникової оптоелектроніки з напівпровідниковим лазером як ядром досягне більшого прогресу та відіграватиме більшу роль в інформаційному суспільстві 21 століття.

2. Принцип дії напівпровідникових лазерів

Напівпровідниковий лазер є джерелом когерентного випромінювання. Для створення лазера необхідно виконати три основні умови.

①Умова підсилення: встановлено інверсійний розподіл носіїв заряду в середовищі збудження (активна область). У напівпровідниках енергія електронів представлена ​​серією майже безперервних енергетичних рівнів. Це досягається шляхом застосування прямого зміщення до однорідного або гетеропереходу та введення необхідних носіїв заряду в активний шар для збудження електронів із нижньої валентної зони у вищу зону провідності. Стимульоване випромінювання відбувається, коли велика кількість електронів у стані зворотної популяції частинок рекомбінує з дірками.

②щоб фактично отримати когерентне збуджене випромінювання, потрібно зробити збуджене випромінювання в оптичному резонаторі, щоб отримати багаторазовий зворотний зв’язок і сформувати лазерне коливання, резонатор лазера утворений природною поверхнею спайності напівпровідникового кристала як дзеркало, як правило, в кінці світлого напилення на багатошаровій діелектричній плівці з високим зворотним зв’язком і покриття гладкої поверхні на зменшеній інверсній плівці. Для напівпровідникового лазера з резонатором Fp (резонатор Фабрі-Перо) резонатор FP можна зручно побудувати за допомогою природної площини розколу, перпендикулярної до площини pn-переходу кристала.

③Для формування стабільних коливань лазерне середовище має бути здатним забезпечити достатнє посилення, щоб компенсувати оптичні втрати, спричинені резонансною порожниною та лазерним виходом із поверхні порожнини, і постійно збільшувати оптичне поле в порожнині. Для цього потрібен досить сильний струм, тобто достатня інверсія числа частинок. Чим вищий ступінь інверсії числа частинок, тим більший коефіцієнт підсилення, тобто повинна бути виконана певна порогова умова струму. Коли лазер досягає порогу, світло з певною довжиною хвилі може резонувати в порожнині та посилюватися, утворюючи лазер і випромінюючи безперервно. Можна побачити, що дипольний перехід електрона та дірки є основним процесом випромінювання та посилення світла в напівпровідникових лазерах. Для нового напівпровідникового лазера загальновизнано, що квантова яма є основною рушійною силою для розробки лазерів. Питання про те, чи можуть квантові дроти та точки повністю використовувати переваги квантових ефектів, поширилося в цьому столітті. Вчені експериментували зі структурами, що самоорганізуються, щоб створювати квантові точки в різних матеріалах, а квантові точки GaInN використовувалися в напівпровідникових лазерах.

Перехід до частини Ⅱ розуміє його історію та застосування

Контактна інформація:

Якщо у вас є якісь ідеї, не соромтеся поговорити з нами. Незалежно від того, де знаходяться наші клієнти та які наші вимоги, ми будемо слідувати нашій меті надавати нашим клієнтам високу якість, низькі ціни та найкращий сервіс.