Yarı iletken lazerler, serbest bölgedeki yük taşıyıcılarının yüksek konsantrasyonunda enerji seviyeleri arasında bir kuantum geçişi sırasında uyarılmış emisyon tarafından optik amplifikasyonun oluşturulduğu yarı iletken aktif ortama dayalı kuantum jeneratörleridir.
Yarı iletken lazer: çalışma prensibi
Normal durumda, elektronların çoğu değerlik düzeyinde bulunur. Fotonlar süreksizlik bölgesinin enerjisini aşan enerji sağladığında, yarı iletkenin elektronları bir uyarma durumuna gelir ve yasak bölgenin üstesinden geldikten sonra alt kenarında yoğunlaşarak serbest bölgeye geçer. Eşzamanlı olarak değerlik düzeyinde oluşan delikler üst sınırına yükselir. Serbest bölgedeki elektronlar deliklerle yeniden birleşerek süreksizlik bölgesinin enerjisine eşit bir enerjiyi fotonlar şeklinde yayar. Rekombinasyon, yeterli enerji seviyelerine sahip fotonlar tarafından geliştirilebilir. Sayısal açıklama Fermi dağıtım işlevine karşılık gelir.
Cihaz
Yarı iletken lazer cihazıp-n-bağlantı bölgesindeki elektronların ve deliklerin enerjisiyle pompalanan bir lazer diyottur - yarı iletkenlerin p- ve n-tipi iletkenliğe sahip temas noktası. Ek olarak, ışığın fotonlarını absorbe ederek ışının oluşturulduğu optik enerji beslemeli yarı iletken lazerler ve çalışması bantlar içindeki geçişlere dayanan kuantum kaskad lazerler vardır.
Kompozisyon
Hem yarı iletken lazerlerde hem de diğer optoelektronik cihazlarda kullanılan standart bağlantılar aşağıdaki gibidir:
- galyum arsenit;
- galyum fosfit;
- galyum nitrür;
- indiyum fosfit;
- indiyum-galyum arsenit;
- galyum alüminyum arsenit;
- galyum-indiyum arsenit nitrür;
- galyum-indiyum fosfit.
Dalga boyu
Bu bileşikler, doğrudan boşluklu yarı iletkenlerdir. Dolaylı boşluklu (silikon) ışık, yeterli güç ve verimlilikte yaymaz. Diyot lazer radyasyonunun dalga boyu, foton enerjisinin belirli bir bileşiğin süreksizlik bölgesinin enerjisine yaklaşma derecesine bağlıdır. 3 ve 4 bileşenli yarı iletken bileşiklerde süreksizlik bölgesi enerjisi geniş bir aralıkta sürekli olarak değişebilir. AlGaAs=AlxGa1-xAs için, örneğin, alüminyum içeriğindeki bir artış (x'teki bir artış), süreksizlik bölgesinin enerjisi.
En yaygın yarı iletken lazerler yakın kızılötesinde çalışırken, bazıları kırmızı (indiyum galyum fosfit), mavi veya mor (galyum nitrür) renkler yayar. Orta kızılötesi radyasyon, yarı iletken lazerler (kurşun selenit) ve kuantum kademeli lazerler tarafından üretilir.
Organik yarı iletkenler
Yukarıda belirtilen inorganik bileşiklere ek olarak organik olanlar da kullanılabilir. İlgili teknoloji hala geliştirilme aşamasındadır, ancak gelişimi, kuantum jeneratörlerinin üretim maliyetini önemli ölçüde az altmayı vaat ediyor. Şimdiye kadar yalnızca optik enerji beslemeli organik lazerler geliştirildi ve yüksek verimli elektrikli pompalama henüz sağlanamadı.
Çeşitler
Parametrelerde ve uygulanan değerde farklılık gösteren birçok yarı iletken lazer oluşturulmuştur.
Küçük lazer diyotları, gücü birkaç ila beş yüz miliwatt arasında değişen yüksek kaliteli bir kenar radyasyonu ışını üretir. Lazer diyot kristali, radyasyon küçük bir alanla sınırlı olduğu için dalga kılavuzu görevi gören ince bir dikdörtgen plakadır. Geniş bir alanın p-n birleşimini oluşturmak için kristalin her iki tarafı da katkılıdır. Cilalı uçlar, optik bir Fabry-Perot rezonatör oluşturur. Rezonatörden geçen bir foton rekombinasyona neden olacak, radyasyon artacak ve üretim başlayacak. Lazer işaretçilerde, CD ve DVD oynatıcılarda ve fiber optik iletişimde kullanılır.
Kısa darbeler oluşturmak için harici bir rezonatöre sahip düşük güçlü monolitik lazerler ve kuantum jeneratörleri, mod kilitleme üretebilir.
Lazerlerharici rezonatörlü yarı iletken, daha büyük bir lazer rezonatörünün bileşiminde bir yükseltici ortam rolünü oynayan bir lazer diyotundan oluşur. Dalga boylarını değiştirme yeteneğine sahiptirler ve dar bir emisyon bandına sahiptirler.
Enjeksiyon yarı iletken lazerler, geniş bir bant şeklinde bir emisyon bölgesine sahiptir, birkaç watt gücünde düşük kaliteli bir ışın üretebilir. P- ve n-katmanı arasında yer alan ve bir çift heteroeklem oluşturan ince bir aktif tabakadan oluşurlar. Işığı yanal yönde tutmak için bir mekanizma yoktur, bu da uzun huzme eliptikliğine ve kabul edilemez derecede yüksek eşik akımlarına neden olur.
Bir dizi geniş bant diyottan oluşan güçlü diyot çubukları, onlarca watt'lık bir güçle vasat kalitede bir ışın üretebilir.
Güçlü iki boyutlu diyot dizileri, yüzlerce ve binlerce watt değerinde güç üretebilir.
Yüzey yayan lazerler (VCSEL'ler), plakaya dik birkaç miliwatt gücünde yüksek kaliteli bir ışık demeti yayar. Rezonatör aynalar, farklı kırılma indislerine sahip ¼ dalga boyunda katmanlar halinde radyasyon yüzeyine uygulanır. Tek bir çip üzerinde birkaç yüz lazer yapılabilir, bu da seri üretim olasılığını ortaya çıkarır.
Optik güç kaynağına ve harici bir rezonatöre sahip VECSEL lazerler, mod kilitlemede birkaç watt'lık bir güçle iyi kalitede bir ışın üretebilir.
Yarı iletken lazer kuantumunun çalışmasıkademeli tip, bölgeler içindeki geçişlere dayanır (ara bölgelerin aksine). Bu cihazlar orta kızılötesi bölgede, bazen terahertz aralığında yayar. Örneğin gaz analizörleri olarak kullanılırlar.
Yarı iletken lazerler: uygulama ve ana yönler
Orta voltajlarda yüksek verimli elektrik pompalama özelliğine sahip güçlü diyot lazerler, yüksek verimli katı hal lazerlerine güç sağlama aracı olarak kullanılır.
Yarı iletken lazerler, spektrumun görünür, yakın-kızılötesi ve orta-kızılötesi kısımlarını içeren geniş bir frekans aralığında çalışabilir. Emisyon frekansını değiştirmenize de izin veren cihazlar oluşturulmuştur.
Lazer diyotlar, fiber optik vericilerde uygulama bulan optik gücü hızla değiştirebilir ve modüle edebilir.
Bu tür özellikler, yarı iletken lazerleri teknolojik olarak en önemli kuantum jeneratörü türü haline getirdi. Uygularlar:
- telemetri sensörleri, pirometreler, optik altimetreler, telemetreler, manzaralar, holografi;
- optik iletim ve veri depolamanın fiber optik sistemlerinde, tutarlı iletişim sistemlerinde;
- lazer yazıcılarda, video projektörlerinde, işaretçilerde, barkod tarayıcılarda, görüntü tarayıcılarda, CD oynatıcılarda (DVD, CD, Blu-Ray);
- güvenlik sistemlerinde, kuantum kriptografisinde, otomasyonda, göstergelerde;
- optik metroloji ve spektroskopide;
- cerrahide, diş hekimliğinde, kozmetikte, terapide;
- su arıtma için,malzeme işleme, katı hal lazer pompalama, kimyasal reaksiyon kontrolü, endüstriyel sıralama, endüstri mühendisliği, ateşleme sistemleri, hava savunma sistemleri.
Darbe çıkışı
Yarı iletken lazerlerin çoğu sürekli bir ışın üretir. Elektronların iletim seviyesinde kısa kalma süresi nedeniyle, Q-anahtarlı darbeler üretmek için çok uygun değildirler, ancak yarı-sürekli çalışma modu, kuantum üretecinin gücünde önemli bir artışa izin verir. Ek olarak, mod kilitleme veya kazanç değiştirme ile ultra kısa darbeler üretmek için yarı iletken lazerler kullanılabilir. Kısa darbelerin ortalama gücü, çıkışı onlarca gigahertz frekansında çok watt'lık pikosaniye darbeleriyle ölçülen optik olarak pompalanan VECSEL lazerleri dışında, genellikle birkaç miliwatt ile sınırlıdır.
Modülasyon ve stabilizasyon
İletkenlik bandında bir elektronun kısa kalmasının avantajı, yarı iletken lazerlerin VCSEL lazerler için 10 GHz'i aşan yüksek frekanslı modülasyon yeteneğidir. Optik veri iletimi, spektroskopi, lazer stabilizasyonunda uygulama bulmuştur.
