لیزرهای نیمه هادی مولدهای کوانتومی مبتنی بر یک محیط فعال نیمه هادی هستند که در آن تقویت نوری با انتشار تحریک شده در طول انتقال کوانتومی بین سطوح انرژی در غلظت بالایی از حامل های بار در منطقه آزاد ایجاد می شود.
لیزر نیمه هادی: اصل کار
در حالت عادی، بیشتر الکترون ها در سطح ظرفیت قرار دارند. هنگامی که فوتون ها انرژی بیش از انرژی منطقه ناپیوستگی را تامین می کنند، الکترون های نیمه هادی در حالت تحریک قرار می گیرند و با غلبه بر منطقه ممنوعه، به منطقه آزاد می روند و در لبه پایینی آن متمرکز می شوند. به طور همزمان، سوراخ های تشکیل شده در سطح ظرفیت تا مرز بالایی آن بالا می روند. الکترون‌های ناحیه آزاد با حفره‌ها دوباره ترکیب می‌شوند و انرژی برابر با انرژی ناحیه ناپیوستگی را به شکل فوتون تابش می‌کنند. نوترکیبی را می توان توسط فوتون هایی با سطوح انرژی کافی تقویت کرد. توصیف عددی با تابع توزیع فرمی مطابقت دارد.
دستگاه
دستگاه لیزر نیمه هادییک دیود لیزری است که با انرژی الکترون ها و حفره ها در ناحیه اتصال p-n - نقطه تماس نیمه هادی ها با رسانایی نوع p و n پمپ می شود. علاوه بر این، لیزرهای نیمه هادی با منبع انرژی نوری وجود دارند که در آنها پرتو با جذب فوتون های نور تشکیل می شود، و همچنین لیزرهای آبشاری کوانتومی که عملکرد آنها بر اساس انتقال در باندها است..
ترکیب
اتصالات استاندارد مورد استفاده در لیزرهای نیمه هادی و سایر دستگاه های الکترونیک نوری به شرح زیر است:
- آرسنید گالیم؛
- گالیوم فسفید؛
- نیترید گالیم؛
- فسفید ایندیم؛
- آرسنید ایندیوم گالیم؛
- آرسنید گالیم آلومینیوم؛
- نیترید آرسنید گالیم-ایندیم؛
- فسفید گالیم-ایندیوم.
طول موج
این ترکیبات نیمه هادی هایی با شکاف مستقیم هستند. نور با شکاف غیر مستقیم (سیلیکون) با قدرت و کارایی کافی ساطع نمی شود. طول موج تابش لیزر دیود به درجه تقریب انرژی فوتون به انرژی ناحیه ناپیوستگی یک ترکیب خاص بستگی دارد. در ترکیبات نیمه هادی 3 و 4 جزئی، انرژی ناحیه ناپیوستگی می تواند به طور مداوم در محدوده وسیعی تغییر کند. برای AlGaAs=AlxGa1-x به عنوان مثال، افزایش محتوای آلومینیوم (افزایش x) منجر به افزایش در انرژی ناحیه ناپیوستگی.
در حالی که رایج ترین لیزرهای نیمه هادی در مادون قرمز نزدیک عمل می کنند، برخی از آنها رنگ های قرمز (ایندیوم گالیوم فسفید)، آبی یا بنفش (نیترید گالیوم) را منتشر می کنند.تابش مادون قرمز میانی توسط لیزرهای نیمه هادی (سلنید سرب) و لیزرهای آبشاری کوانتومی تولید می شود.
نیمه هادی های آلی
علاوه بر ترکیبات معدنی فوق الذکر می توان از ترکیبات آلی نیز استفاده کرد. فناوری مربوطه هنوز در دست توسعه است، اما توسعه آن نویدبخش کاهش قابل توجه هزینه تولید ژنراتورهای کوانتومی است. تاکنون فقط لیزرهای ارگانیک با منبع انرژی نوری ساخته شده است و پمپاژ الکتریکی بسیار کارآمد هنوز به دست نیامده است.
انواع
لیزرهای نیمه هادی بسیاری ایجاد شده اند که در پارامترها و مقدار اعمالی متفاوت هستند.
دیودهای لیزری کوچک یک پرتو پرتو لبه با کیفیت بالا تولید می کنند که قدرت آن از چند تا پانصد میلی وات متغیر است. کریستال دیود لیزر یک صفحه مستطیل شکل نازک است که به عنوان یک هدایت کننده موج عمل می کند، زیرا تابش به یک فضای کوچک محدود می شود. کریستال در هر دو طرف دوپ شده است تا یک محل اتصال p-n از یک منطقه بزرگ ایجاد شود. انتهای صیقلی یک تشدید کننده نوری Fabry-Pero ایجاد می کند. عبور فوتون از تشدیدگر باعث ایجاد نوترکیبی می شود، تابش افزایش می یابد و تولید آغاز می شود. در نشانگرهای لیزری، پخش کننده های CD و DVD و ارتباطات فیبر نوری استفاده می شود.
لیزرهای یکپارچه کم مصرف و ژنراتورهای کوانتومی با تشدید کننده خارجی برای تشکیل پالس های کوتاه می توانند حالت قفل ایجاد کنند.
لیزرنیمه هادی با تشدید کننده خارجی از یک دیود لیزری تشکیل شده است که نقش یک محیط تقویت کننده را در ترکیب یک تشدیدگر لیزری بزرگتر ایفا می کند. آنها قادر به تغییر طول موج هستند و باند انتشار باریکی دارند.
لیزرهای نیمه هادی تزریقی دارای ناحیه انتشار به شکل یک باند گسترده هستند، می توانند پرتوی با کیفیت پایین با توان چند وات تولید کنند. آنها از یک لایه فعال نازک تشکیل شده اند که بین لایه p و n قرار دارد و یک ناهمگونی دوگانه را تشکیل می دهد. هیچ مکانیزمی برای حفظ نور در جهت جانبی وجود ندارد که منجر به بیضی بودن پرتو بالا و جریان‌های آستانه بالا غیرقابل قبول می‌شود.
میله‌های دیود قدرتمند، متشکل از مجموعه‌ای از دیودهای باند پهن، قادر به تولید پرتویی با کیفیت متوسط با توان ده‌ها وات هستند.
آرایه‌های دو بعدی قدرتمند از دیودها می‌توانند قدرتی در صدها و هزاران وات تولید کنند.
لیزرهای ساطع کننده سطح (VCSEL) یک پرتو نور با کیفیت بالا با توان چند میلی وات عمود بر صفحه ساطع می کنند. آینه های تشدید کننده به صورت لایه هایی به طول موج ¼ با ضریب شکست متفاوت بر روی سطح تابش اعمال می شوند. چندین صد لیزر را می توان روی یک تراشه ساخت که امکان تولید انبوه را باز می کند.
لیزرهای VECSEL با منبع تغذیه نوری و تشدید کننده خارجی قادر به تولید پرتویی با کیفیت خوب با توان چندین وات در حالت قفل کردن هستند.
عملکرد یک لیزر نیمه هادی کوانتومی-نوع آبشار بر اساس انتقال در مناطق (برخلاف بین مناطق) است. این دستگاه ها در ناحیه مادون قرمز میانی و گاهی در محدوده تراهرتز منتشر می کنند. آنها، به عنوان مثال، به عنوان تجزیه و تحلیل گاز استفاده می شود.
لیزرهای نیمه هادی: کاربرد و جنبه های اصلی
لیزرهای دیود قدرتمند با پمپاژ الکتریکی با راندمان بالا در ولتاژهای متوسط به عنوان وسیله ای برای تامین انرژی لیزرهای حالت جامد با راندمان بالا استفاده می شود.
لیزرهای نیمه هادیمی توانند در محدوده فرکانسی وسیعی کار کنند که شامل بخش های مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز میانی طیف است. دستگاه‌هایی ساخته شده‌اند که به شما امکان می‌دهند فرکانس انتشار را نیز تغییر دهید.
دیودهای لیزر می توانند به سرعت قدرت نوری را تغییر داده و تعدیل کنند، که در فرستنده های فیبر نوری کاربرد دارد.
چنین ویژگی هایی لیزرهای نیمه هادی را از نظر فناوری به مهم ترین نوع مولدهای کوانتومی تبدیل کرده است. آنها اعمال می کنند:
- در حسگرهای تله متری، پیرومترها، ارتفاع سنج های نوری، مسافت یاب ها، مناظر، هولوگرافی؛
- در سیستم های فیبر نوری انتقال نوری و ذخیره سازی داده ها، سیستم های ارتباطی منسجم؛
- در پرینترهای لیزری، ویدئو پروژکتورها، اشاره گرها، اسکنرهای بارکد، اسکنرهای تصویر، پخش کننده های سی دی (DVD، CD، Blu-Ray)؛
- در سیستم های امنیتی، رمزنگاری کوانتومی، اتوماسیون، نشانگرها؛
- در مترولوژی نوری و طیف سنجی؛
- در جراحی، دندانپزشکی، زیبایی، درمان؛
- برای تصفیه آب،پردازش مواد، پمپاژ لیزری حالت جامد، کنترل واکنش شیمیایی، مرتب‌سازی صنعتی، مهندسی صنعتی، سیستم‌های احتراق، سیستم‌های دفاع هوایی.
خروجی پالس
بیشتر لیزرهای نیمه هادی یک پرتو پیوسته تولید می کنند. به دلیل زمان کوتاه ماندن الکترون ها در سطح رسانایی، آنها برای تولید پالس های سوئیچ کیو چندان مناسب نیستند، اما حالت کار شبه پیوسته امکان افزایش قابل توجهی در توان مولد کوانتومی را فراهم می کند. علاوه بر این، لیزرهای نیمه هادی را می توان برای تولید پالس های فوق کوتاه با قفل کردن حالت یا سوئیچینگ بهره استفاده کرد. متوسط توان پالس های کوتاه معمولاً به چند میلی وات محدود می شود، به استثنای لیزرهای VECSEL با پمپ نوری، که خروجی آن توسط پالس های چند وات پیکوثانیه با فرکانس ده ها گیگاهرتز اندازه گیری می شود.
مدولاسیون و تثبیت
مزیت ماندن کوتاه یک الکترون در باند رسانایی توانایی لیزرهای نیمه هادی برای مدولاسیون فرکانس بالا است که برای لیزرهای VCSEL بیش از ۱۰ گیگاهرتز است. در انتقال داده های نوری، طیف سنجی، تثبیت لیزری کاربرد پیدا کرده است.
