Puolijohdelaserin toimintaperiaate ja päätyypit

Toimintaperiaate ja tärkeimmät tyypitpuolijohdelaser

PuolijohdeLaserdiodit, joiden korkea hyötysuhde, pienen koko ja aallonpituusdiversiteetti ovat laajalti käytössä optoelektronisen teknologian ydinkomponentteina esimerkiksi viestinnän, terveydenhuollon ja teollisen prosessoinnin aloilla. Tässä artikkelissa esitellään tarkemmin puolijohdelasereiden toimintaperiaate ja tyypit, mikä on kätevää useimpien optoelektroniikan tutkijoiden valinnan kannalta.

1. Puolijohdelasereiden valoa emittoiva periaate

Puolijohdelasereiden luminesenssiperiaate perustuu puolijohdemateriaalien kaistarakenteeseen, elektronisiin siirtymiin ja stimuloituun emissioon. Puolijohdemateriaalit ovat eräänlainen materiaali, jolla on energiavyöhyke, joka sisältää valenssivyön ja johtamisvyön. Kun materiaali on perustilassa, elektronit täyttävät valenssivyön, kun taas johtamisvyössä ei ole elektroneja. Kun tietty sähkökenttä kohdistetaan ulkoisesti tai virta injektoidaan, jotkut elektronit siirtyvät valenssivyöstä johtamisvyöhykkeeseen muodostaen elektroni-aukko-pareja. Energian vapautumisprosessin aikana, kun nämä elektroni-aukko-parit saavat ulkoisen vaikutuksen, syntyy fotoneja eli lasereita.

2. Puolijohdelasereiden viritysmenetelmät

Puolijohdelasereissa on pääasiassa kolme viritysmenetelmää: sähköinen injektio, optinen pumppu ja korkeaenerginen elektronisuihkuviritys.

Sähköisesti injektoidut puolijohdelaserit: Yleensä ne ovat puolijohde-pintaliitosdiodeja, jotka on valmistettu materiaaleista, kuten galliumarsenidista (GaAs), kadmiumsulfidista (CdS), indiumfosfidista (InP) ja sinkkisulfidista (ZnS). Ne viritetään injektoimalla virta eteenpäin suuntautuvaa esijännitettä pitkin, mikä tuottaa stimuloitua emissiota liitostason alueella.

Optisesti pumpattavat puolijohdelaserit: Työaineena käytetään yleensä N- tai P-tyypin puolijohdekiteitä (kuten GaAS, InAs, InSb jne.), jalaserMuiden lasereiden lähettämää säteilyä käytetään optisesti pumpattuna herätteenä.

Suuren energian elektronisuihkulla viritetyt puolijohdelaserit: Yleensä niissäkin käytetään työaineena N- tai P-tyypin puolijohde-yksittäiskiteitä (kuten PbS, CdS, ZhO jne.), ja ne viritetään injektoimalla niihin ulkopuolelta korkean energian elektronisuihku. Puolijohdelasereista suorituskykyisempi ja laajempi sovellusalue on sähköisesti injektoitu GaAs-diodilaser, jossa on kaksinkertainen heterostruktuuri.

3. Puolijohdelasereiden päätyypit

Puolijohdelaserin aktiivinen alue on fotonien muodostumisen ja vahvistumisen ydinalue, ja sen paksuus on vain muutamia mikrometrejä. Sisäisiä aaltojohtimia käytetään fotonien lateraalisen diffuusion rajoittamiseen ja energiatiheyden parantamiseen (kuten harjanteiset aaltojohteet ja haudatut heteroliitokset). Laserissa käytetään jäähdytyselementtiä ja valitaan korkean lämmönjohtavuuden omaavia materiaaleja (kuten kupari-volframiseos) nopeaa lämmönpoistoa varten, mikä voi estää ylikuumenemisen aiheuttaman aallonpituuden ajautumisen. Rakenteensa ja sovellusskenaarioidensa mukaan puolijohdelaserit voidaan luokitella seuraaviin neljään luokkaan:

Reunalähettävä laser (EEL)

Laser lähtee sirun sivussa olevasta katkaisupinnasta muodostaen elliptisen täplän (jonka hajaantumiskulma on noin 30° × 10°). Tyypillisiä aallonpituuksia ovat 808 nm (pumppaukseen), 980 nm (tiedonsiirtoon) ja 1550 nm (kuitutiedonsiirtoon). Sitä käytetään laajalti suurtehoisissa teollisissa leikkauksissa, kuitulaserpumppauslähteissä ja optisissa tietoliikennerunkoverkoissa.

2. Vertikaalinen ontelopintaa emittoiva laser (VCSEL)

Laser lähetetään kohtisuorassa sirun pintaan nähden pyöreänä ja symmetrisenä säteenä (hajoamiskulma <15°). Se sisältää hajautetun Bragg-heijastimen (DBR), mikä poistaa ulkoisen heijastimen tarpeen. Sitä käytetään laajalti 3D-antureissa (kuten matkapuhelinten kasvojentunnistuksessa), lyhyen kantaman optisessa viestinnässä (datakeskukset) ja LiDARissa.

3. Kvanttikaskadilaser (QCL)

Kvanttikaivojen välisen elektronien kaskadisiirtymän perusteella aallonpituus kattaa keski- ja kaukoinfrapuna-alueen (3–30 μm) ilman populaatioinversion tarvetta. Fotoneja syntyy alikaistojen välisten siirtymien kautta, ja niitä käytetään yleisesti sovelluksissa, kuten kaasun mittauksessa (kuten CO₂-havaitsemisessa), terahertsikuvantamisessa ja ympäristön seurannassa.

4. Viritettävä laser

Viritettävän laserin ulkoinen ontelorakenne (ritilä/prisma/MEMS-peili) mahdollistaa ±50 nm:n aallonpituuden viritysalueen, kapealla viivanleveydellä (<100 kHz) ja korkealla sivumoodin vaimennussuhteella (>50 dB). Sitä käytetään yleisesti sovelluksissa, kuten tiheän aallonpituuden jako-multipleksoinnin (DWDM) tietoliikenteessä, spektrianalyysissä ja biolääketieteellisessä kuvantamisessa. Puolijohdelasereita käytetään laajalti tietoliikennelaserelaitteissa, digitaalisissa lasertallennuslaitteissa, laserkäsittelylaitteissa, lasermerkintä- ja pakkauslaitteissa, laserladonnassa ja -painatuksessa, laserlääketieteellisissä laitteissa, laseretäisyys- ja kollimaatiomittauslaitteissa, viihde- ja koulutuslaserlaitteissa, laserkomponenteissa ja -osissa jne. Ne kuuluvat laserteollisuuden ydinkomponentteihin. Laajan sovellusvalikoimansa vuoksi lasereita on saatavilla lukuisia eri tuotemerkkejä ja valmistajia. Valinnan tulisi perustua erityistarpeisiin ja sovellusalueisiin. Eri valmistajilla on erilaisia ​​sovelluksia eri aloilla, ja valmistajien ja lasereiden valinta tulisi tehdä projektin todellisen sovellusalueen mukaan.