Что такое полупроводниковый лазер?

С момента изобретения первого в мире полупроводникового лазера в 1962 году полупроводниковый лазер претерпел огромные изменения, значительно способствовавшие развитию других наук и технологий, и считается одним из величайших изобретений человечества в двадцатом веке. За последние десять лет полупроводниковые лазеры развивались более быстрыми темпами и стали самой быстрорастущей лазерной технологией в мире. Область применения полупроводниковых лазеров охватывает всю область оптоэлектроники и стала основной технологией современной науки об оптоэлектронике. Благодаря преимуществам малого размера, простой конструкции, низкой подводимой энергии, длительному сроку службы, простоте модуляции и низкой цене полупроводниковые лазеры широко используются в области оптоэлектроники и высоко ценятся странами во всем мире.

полупроводниковый лазер
A полупроводниковый лазерпредставляет собой миниатюрный лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется Pn-переход или Pin-переход, состоящий из полупроводникового материала с прямой запрещенной зоной. Существуют десятки рабочих материалов для полупроводниковых лазеров. Полупроводниковые материалы, из которых изготавливаются лазеры, включают арсенид галлия, арсенид индия, антимонид индия, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид свинца, теллурид свинца, арсенид алюминия-галлия, фосфор индия, мышьяк и т. д. Существует три основных метода возбуждения полупроводниковых приборов. лазеры, а именно тип электрической инжекции, тип оптической накачки и тип возбуждения высокоэнергетическим электронным пучком. Метод возбуждения большинства полупроводниковых лазеров — электрическая инжекция, т. е. прямое напряжение прикладывается к Pn-переходу для генерации вынужденного излучения в области плоскости перехода, т. е. диод с прямым смещением. Поэтому полупроводниковые лазеры также называют полупроводниковыми лазерными диодами. Для полупроводников, поскольку электроны переходят между энергетическими зонами, а не дискретными энергетическими уровнями, энергия перехода не является определенной величиной, что приводит к широкому диапазону выходной длины волны полупроводниковых лазеров. на диапазоне. Длины волн, которые они излучают, составляют от 0,3 до 34 мкм. Диапазон длин волн определяется шириной запрещенной зоны используемого материала. Наиболее распространенным является лазер с двойным гетеропереходом AlGaAs, который имеет выходную длину волны 750-890 нм.
Технология изготовления полупроводниковых лазеров испытана от метода диффузии до жидкофазной эпитаксии (ЖФЭ), газофазной эпитаксии (ГФЭ), молекулярно-лучевой эпитаксии (МЛЭ), метода MOCVD (осаждение паров органических соединений металлов), химической эпитаксии пучка (ХЛЭ)) и различные их комбинации. Самый большой недостаток полупроводниковых лазеров заключается в том, что на характеристики лазера сильно влияет температура, а угол расхождения луча большой (обычно от нескольких градусов до 20 градусов), поэтому он имеет плохую направленность, монохроматичность и когерентность. Однако с бурным развитием науки и техники исследования полупроводниковых лазеров продвигаются в направлении углубления, и характеристики полупроводниковых лазеров постоянно улучшаются. Полупроводниковая оптоэлектронная технология с полупроводниковым лазером в качестве ядра будет развиваться и играть более важную роль в информационном обществе 21 века.

Как работают полупроводниковые лазеры?
A полупроводниковый лазерявляется источником когерентного излучения. Чтобы заставить его генерировать лазерный свет, необходимо выполнить три основных условия:
1. Условие усиления: устанавливается инверсионное распределение носителей в среде генерации (активной области). В полупроводнике энергетическая зона, представляющая энергию электрона, состоит из ряда энергетических уровней, близких к непрерывным. Поэтому в полупроводнике для достижения инверсии населенностей число электронов на дне зоны проводимости высокоэнергетического состояния должно быть намного больше числа дырок на вершине валентной зоны низкоэнергетического состояния. состояние между двумя областями энергетических зон. Гетеропереход смещен в прямом направлении для введения необходимых носителей в активный слой для возбуждения электронов из валентной зоны с более низкой энергией в зону проводимости с более высокой энергией. Вынужденное излучение возникает, когда большое количество электронов, находящихся в состоянии инверсии населенностей, рекомбинирует с дырками.
2. Чтобы действительно получить когерентное вынужденное излучение, вынужденное излучение должно многократно возвращаться в оптический резонатор для формирования лазерной генерации. Лазерный резонатор образован естественной поверхностью скола полупроводникового кристалла в виде зеркала, обычно в конце, который не излучает свет, покрыт многослойной диэлектрической пленкой с высоким коэффициентом отражения, а светоизлучающая поверхность покрыта антибликовым покрытием. пленка отражения. Для полупроводникового лазера с резонатором F-p (резонатором Фабри-Перо) резонатор F-p можно легко сформировать, используя естественную плоскость спайности кристалла, перпендикулярную плоскости p-n перехода.
3. Для формирования стабильной генерации лазерная среда должна обеспечивать достаточно большой коэффициент усиления, чтобы компенсировать оптические потери, вызванные резонатором, и потери, вызванные выходом лазера с поверхности резонатора и т. д., причем непрерывно. увеличить оптическое поле в резонаторе. Для этого требуется достаточно сильная инжекция тока, то есть достаточно инверсии населенностей, чем выше степень инверсии населенностей, тем больше получаемый коэффициент усиления, то есть должно выполняться определенное пороговое условие по току. Когда лазер достигает порога, свет с определенной длиной волны может резонировать в резонаторе и усиливаться, и, наконец, формировать лазер и непрерывно излучать. Видно, что в полупроводниковых лазерах дипольный переход электронов и дырок является основным процессом излучения и усиления света. Что касается новых полупроводниковых лазеров, то в настоящее время признано, что квантовые ямы являются основной движущей силой разработки полупроводниковых лазеров. Вопрос о том, могут ли квантовые провода и квантовые точки в полной мере использовать квантовые эффекты, был распространен на этот век. Ученые пытались использовать самоорганизующиеся структуры для создания квантовых точек в различных материалах, а квантовые точки GaInN использовались в полупроводниковых лазерах.

История развития полупроводниковых лазеров
Тополупроводниковые лазерыв начале 1960-х годов были лазеры на гомопереходе, которые представляли собой диоды с p-n переходом, изготовленные из одного материала. При прямой инжекции большого тока электроны непрерывно инжектируются в p-область, а дырки непрерывно инжектируются в n-область. Таким образом, инверсия распределения носителей реализуется в исходной области обеднения pn-перехода. Поскольку скорость миграции электронов выше, чем у дырок, в активной области происходят излучение и рекомбинация, возникает флуоресценция. лазер, полупроводниковый лазер, который может работать только в импульсах. Вторым этапом развития полупроводниковых лазеров является гетероструктурный полупроводниковый лазер, который состоит из двух тонких слоев полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны, таких как GaAs и GaAlAs, и впервые появился одиночный гетероструктурный лазер (1969 г.). Инжекционный лазер с одиночным гетеропереходом (SHLD) находится в p-области перехода GaAsP-N для снижения пороговой плотности тока, которая на порядок ниже, чем у лазера с гомопереходом, но лазер с одиночным гетеропереходом все же не может непрерывно работать при комнатная температура.
С конца 1970-х годов полупроводниковые лазеры, очевидно, развивались в двух направлениях: одно — это информационный лазер для передачи информации, а другое — энергетический лазер для увеличения оптической мощности. Управляется такими приложениями, как твердотельные лазеры с накачкой, мощные полупроводниковые лазеры (непрерывная выходная мощность более 100 мВт и импульсная выходная мощность более 5 Вт могут быть названы мощными полупроводниковыми лазерами).
В 1990-х годах был совершен прорыв, который ознаменовался значительным увеличением выходной мощности полупроводниковых лазеров, коммерциализацией мощных полупроводниковых лазеров на киловаттном уровне за рубежом, выходом отечественных образцов приборов до 600 Вт. С точки зрения расширения диапазона лазеров широко использовались первые инфракрасные полупроводниковые лазеры, за которыми последовали красные полупроводниковые лазеры с длиной волны 670 нм. Затем, с появлением длин волн 650 нм и 635 нм, один за другим успешно разрабатывались сине-зеленые и синие полупроводниковые лазеры. Также разрабатываются фиолетовые и даже ультрафиолетовые полупроводниковые лазеры мощностью порядка 10 мВт. Лазеры с поверхностным излучением и лазеры с поверхностным излучением с вертикальным резонатором быстро развивались в конце 1990-х годов, и были рассмотрены различные приложения в суперпараллельной оптоэлектронике. Устройства с длинами волн 980, 850 и 780 нм уже применяются в оптических системах. В настоящее время лазеры с поверхностным излучением с вертикальным резонатором используются в высокоскоростных сетях Gigabit Ethernet.

Применение полупроводниковых лазеров
Полупроводниковые лазеры — это класс лазеров, которые созревают раньше и совершенствуются быстрее. Из-за их широкого диапазона длин волн, простоты производства, низкой стоимости и легкости массового производства, а также из-за их небольшого размера, легкого веса и длительного срока службы они быстро развиваются в вариантах и ​​​​применениях. Широкий ассортимент, на данный момент более 300 видов.

1. Применение в промышленности и технике
1) Оптоволоконная связь.Полупроводниковый лазерявляется единственным практичным источником света для системы оптоволоконной связи, а оптоволоконная связь стала основным направлением современных коммуникационных технологий.
2) Доступ к диску. Полупроводниковые лазеры использовались в памяти оптических дисков, и их самым большим преимуществом было то, что они хранили большое количество звуковой, текстовой и графической информации. Использование синих и зеленых лазеров может значительно повысить плотность хранения данных на оптических дисках.
3) Спектральный анализ. Перестраиваемые полупроводниковые лазеры дальнего инфракрасного диапазона использовались для анализа окружающего газа, мониторинга загрязнения воздуха, выхлопных газов автомобилей и т. Д. Их можно использовать в промышленности для мониторинга процесса осаждения паров.
4) Оптическая обработка информации. Полупроводниковые лазеры нашли применение в оптических информационных системах. Двумерные массивы полупроводниковых лазеров с поверхностным излучением являются идеальными источниками света для систем оптической параллельной обработки, которые будут использоваться в компьютерах и оптических нейронных сетях.
5) Лазерная микрообработка. С помощью высокоэнергетических ультракоротких световых импульсов, генерируемых полупроводниковыми лазерами с модуляцией добротности, можно вырезать, перфорировать интегральные схемы и т. д.
6) Лазерная сигнализация. Широко используются полупроводниковые лазерные сигнализаторы, в том числе охранные, сигнализаторы уровня воды, сигнализаторы расстояния до транспортных средств и т. д.
7) Лазерные принтеры. Мощные полупроводниковые лазеры использовались в лазерных принтерах. Использование синего и зеленого лазеров может значительно повысить скорость печати и разрешение.
8) Лазерный сканер штрих-кода. Полупроводниковые лазерные сканеры штрих-кода широко используются при продаже товаров, управлении книгами и архивами.
9) Твердотельные лазеры накачки. Это важное применение мощных полупроводниковых лазеров. Используя его для замены оригинальной атмосферной лампы, можно создать полностью твердотельную лазерную систему.
10) Лазерный телевизор высокой четкости. По оценкам, в ближайшем будущем полупроводниковые лазерные телевизоры без электронно-лучевых трубок, в которых используются красный, синий и зеленый лазеры, будут потреблять на 20 процентов меньше энергии, чем существующие телевизоры.

2. Применение в медицинских и медико-биологических исследованиях.
1) Лазерная хирургия.Полупроводниковые лазерыиспользуются для абляции мягких тканей, склеивания тканей, коагуляции и вапоризации. Данная методика широко используется в общей хирургии, пластической хирургии, дерматологии, урологии, акушерстве и гинекологии и др.
2) Лазерная динамическая терапия. Светочувствительные вещества, имеющие сродство к опухоли, избирательно накапливаются в раковой ткани, и раковая ткань облучается полупроводниковым лазером для генерации активных форм кислорода с целью сделать ее некротической, не повреждая здоровую ткань.
3) Исследования в области наук о жизни. С помощью «оптического пинцета»полупроводниковые лазеры, можно захватить живые клетки или хромосомы и переместить их в любое место. Он использовался для стимулирования клеточного синтеза и исследований клеточного взаимодействия, а также может использоваться в качестве диагностической технологии для сбора судебно-медицинских доказательств.