Pooljuhtlaserite tööpõhimõte ja peamised tüübid

Tööpõhimõte ja peamised tüübidpooljuhtlaser

PooljuhtLaserdioodidOma kõrge efektiivsuse, miniaturiseerituse ja lainepikkuste mitmekesisusega kasutatakse neid laialdaselt optoelektroonilise tehnoloogia põhikomponentidena sellistes valdkondades nagu kommunikatsioon, meditsiin ja tööstuslik töötlemine. See artikkel tutvustab lähemalt pooljuhtlaserite tööpõhimõtet ja tüüpe, mis on enamiku optoelektroonika uurijate jaoks mugav valiku tegemiseks.

1. Pooljuhtlaserite valgust kiirgav põhimõte

Pooljuhtlaserite luminestsentspõhimõte põhineb pooljuhtmaterjalide keelutsooni struktuuril, elektronüleminekutel ja stimuleeritud emissioonil. Pooljuhtmaterjalid on keelutsooniga materjalid, mis hõlmavad valentstsooni ja juhtivustsooni. Kui materjal on põhiolekus, täidavad elektronid valentstsooni, samas kui juhtivustsoonis elektrone pole. Kui teatud elektriväli rakendatakse väljastpoolt või süstitakse vool, liiguvad mõned elektronid valentstsoonist juhtivustsooni, moodustades elektron-auk paare. Energia vabanemise protsessi käigus, kui neid elektron-auk paare välismaailm stimuleerib, tekivad footonid ehk laserid.

2. Pooljuhtlaserite ergastusmeetodid

Pooljuhtlaserite jaoks on peamiselt kolm ergastusmeetodit: elektriline sissepritse, optiline pump ja suure energiaga elektronkiire ergastus.

Elektriliselt sissepritsega pooljuhtlaserid: üldiselt on need pooljuhtpindadega ühendusdioodid, mis on valmistatud sellistest materjalidest nagu galliumarseniid (GaAs), kaadmiumsulfiid (CdS), indiumfosfiid (InP) ja tsinksulfiid (ZnS). Neid ergastatakse voolu süstimisega piki eelpinget, tekitades stimuleeritud emissiooni üleminekutasandi piirkonnas.

Optiliselt pumbatavad pooljuhtlaserid: Tööagensina kasutatakse üldiselt N-tüüpi või P-tüüpi pooljuhtmonokristalle (näiteks GaAS, InAs, InSb jne) jalaserTeiste laserite poolt kiiratavat kiirgust kasutatakse optiliselt pumbatava ergastusena.

Suure energiaga elektronkiirega ergastatavad pooljuhtlaserid: Üldiselt kasutavad need tööainena samuti N-tüüpi või P-tüüpi pooljuhtmonokristalle (näiteks PbS, CdS, ZhO jne) ja ergastatakse väljastpoolt sissepritsetud suure energiaga elektronkiire abil. Pooljuhtlaserite seas on parema jõudluse ja laiema kasutusalaga kahekordse heterostruktuuriga elektriliselt sissepritsetav GaAs dioodlaser.

3. Pooljuhtlaserite peamised tüübid

Pooljuhtlaseri aktiivne piirkond on footonite genereerimise ja võimendamise keskpunkt ning selle paksus on vaid paar mikromeetrit. Sisemisi lainejuhtstruktuure kasutatakse footonite külgmise difusiooni piiramiseks ja energiatiheduse suurendamiseks (näiteks harjalainejuhid ja maetud heterosiirded). Laser kasutab jahutusradiaatori konstruktsiooni ja valib kiireks soojushajumiseks suure soojusjuhtivusega materjalid (näiteks vask-volframisulam), mis aitab vältida ülekuumenemisest tingitud lainepikkuse triivi. Pooljuhtlaserid saab vastavalt oma struktuurile ja rakendusvõimalustele jagada järgmistesse nelja kategooriasse:

Servakiirguslaser (EEL)

Laser väljub kiibi küljel asuvast lõhustumispinnast, moodustades elliptilise täpi (mille kõrvalekaldenurk on ligikaudu 30° × 10°). Tüüpilised lainepikkused on 808 nm (pumpamiseks), 980 nm (side jaoks) ja 1550 nm (kiudside jaoks). Seda kasutatakse laialdaselt suure võimsusega tööstuslikus lõikamises, kiudlaser-pumpamise allikates ja optilise side magistraalvõrkudes.

2. Vertikaalne õõnsusega pinnakiirguslaser (VCSEL)

Laser kiirgab kiibi pinnaga risti ringikujulise ja sümmeetrilise kiirega (hajumisnurk <15°). See sisaldab hajutatud Braggi reflektorit (DBR), mis välistab vajaduse välise reflektori järele. Seda kasutatakse laialdaselt 3D-sensoritel (näiteks mobiiltelefonide näotuvastus), lühikese ulatusega optilisel kommunikatsioonil (andmekeskused) ja LiDAR-il.

3. Kvantkaskaadlaser (QCL)

Kvantkaevude vahelise elektronide kaskaadülemineku põhjal katab lainepikkus keskmise ja kaug-infrapuna vahemiku (3–30 μm), ilma et oleks vaja populatsiooni inversiooni. Footonid tekivad alamribadevaheliste üleminekute kaudu ja neid kasutatakse tavaliselt sellistes rakendustes nagu gaaside tuvastamine (näiteks CO₂ tuvastamine), terahertside pildistamine ja keskkonnaseire.

4. Häälestatav laser

Häälestatava laseri välise õõnsuse disain (võre/prisma/MEMS-peegel) võimaldab saavutada lainepikkuste häälestamisvahemiku ±50 nm, kitsa joone laiusega (<100 kHz) ja kõrge külgrežiimi summutussuhtega (>50 dB). Seda kasutatakse tavaliselt sellistes rakendustes nagu tiheda lainepikkuse jagamise multipleksimine (DWDM), spektraalanalüüs ja biomeditsiiniline pildistamine. Pooljuhtlasereid kasutatakse laialdaselt sidelaserseadmetes, digitaalsetes lasersalvestusseadmetes, lasertöötlusseadmetes, lasermärgistus- ja pakendamisseadmetes, lasertrükis ja -ladumisel, lasermeditsiiniseadmetes, laserkauguse ja kollimatsiooni tuvastamise instrumentides, meelelahutus- ja hariduslikes laserinstrumentides ja -seadmetes, laserkomponentides ja -osades jne. Need kuuluvad laseritööstuse põhikomponentide hulka. Tänu laiale rakendusalale on lasereid arvukalt kaubamärke ja tootjaid. Valiku tegemisel tuleks lähtuda konkreetsetest vajadustest ja rakendusvaldkondadest. Erinevatel tootjatel on erinevates valdkondades erinevad rakendused ning tootjate ja laserite valik tuleks teha vastavalt projekti tegelikule rakendusvaldkonnale.