Ideaalse laserallika valik: servaemissiooni pooljuhtlaser, esimene osa

Ideaali valiklaserallikas: servaemissioon pooljuhtlaser
1. Sissejuhatus
Pooljuhtlaserkiibid jagunevad vastavalt resonaatorite erinevatele tootmisprotsessidele serva kiirgavateks laserkiipideks (EEL) ja vertikaalse õõnsusega pinda emiteerivateks laserkiipideks (VCSEL) ning nende spetsiifilised struktuursed erinevused on toodud joonisel 1. Võrreldes vertikaalse õõnsusega pinda kiirgava laseriga, on serv. kiirgavate pooljuhtlaserite tehnoloogia arendamine on küpsem, laia lainepikkuse vahemikuga, kõrgeelektrooptilinemuundamise efektiivsus, suur võimsus ja muud eelised, sobivad väga hästi lasertöötluseks, optiliseks sideks ja muudes valdkondades. Praegu on serva kiirgavad pooljuhtlaserid optoelektroonikatööstuse oluline osa ning nende rakendused on hõlmanud tööstust, telekommunikatsiooni, teadust, tarbijaid, sõjandust ja kosmosevaldkonda. Tehnoloogia arenedes ja edenedes on serva kiirgavate pooljuhtlaserite võimsus, töökindlus ja energia muundamise efektiivsus oluliselt paranenud ning nende kasutusvõimalused on järjest ulatuslikumad.
Järgmisena juhin teid täiendavalt hindama kõrvalkiirguse ainulaadset võlupooljuhtlaserid.

Joonis 1 (vasakul) kiirgava pooljuhtlaseri ja (paremal) vertikaalse õõnsuse pinna kiirgava laseri struktuuriskeem

2. Serva emissiooni pooljuhi tööpõhimõtelaser
Serva kiirgava pooljuhtlaseri struktuuri saab jagada kolmeks järgmiseks osaks: pooljuhi aktiivne piirkond, pumba allikas ja optiline resonaator. Erinevalt vertikaalse õõnsusega pinda kiirgavate laserite resonaatoritest (mis koosnevad ülemisest ja alumisest Braggi peeglist), koosnevad serva kiirgavate pooljuhtlaserite resonaatorid peamiselt mõlemal küljel asuvatest optilistest kiledest. Tüüpiline EEL-seadme struktuur ja resonaatori struktuur on näidatud joonisel 2. Ääremissiooni pooljuhtlaseri seadme footonit võimendatakse resonaatoris režiimivalikuga ja laser moodustatakse substraadi pinnaga paralleelses suunas. Serva kiirgavatel pooljuhtlaserseadmetel on lai töölainepikkuste vahemik ja need sobivad paljudeks praktilisteks rakendusteks, nii et neist saab üks ideaalseid laseriallikaid.

Serva kiirgavate pooljuhtlaserite jõudluse hindamise indeksid on kooskõlas ka teiste pooljuhtlaseritega, sealhulgas: (1) laseri laseri lainepikkus; (2) lävivool Ith, st vool, mille juures laserdiood hakkab tekitama laservõnkumist; (3) Töövool Iop, st ajamivool, kui laserdiood saavutab nimiväljundvõimsuse, seda parameetrit rakendatakse laserajami vooluahela projekteerimisel ja moduleerimisel; (4) kalde efektiivsus; (5) Vertikaalne lahknemisnurk θ⊥; (6) Horisontaalne lahknemisnurk θ∥; (7) Jälgige voolu Im, st pooljuhtlaserkiibi praegust suurust nimiväljundvõimsusel.

3. GaAs ja GaN-põhiste serva kiirgavate pooljuhtlaserite uurimise edenemine
GaAs pooljuhtmaterjalil põhinev pooljuhtlaser on üks küpsemaid pooljuhtlasertehnoloogiaid. Praegu on kaubanduses laialdaselt kasutatud GAAS-põhiseid lähi-infrapunariba (760–1060 nm) serva kiirgavaid pooljuhtlasereid. Si ja GaAs järel kolmanda põlvkonna pooljuhtmaterjalina on GaN oma suurepäraste füüsikaliste ja keemiliste omaduste tõttu olnud laialdaselt mures teadusuuringutes ja tööstuses. GAN-põhiste optoelektrooniliste seadmete väljatöötamise ja teadlaste jõupingutuste abil on GAN-põhised valgusdioodid ja servakiirgusega laserid tööstuslikuks arendatud.