Halbleiterlaser sind QuantenlaserGeneratoren auf der Basis eines aktiven Halbleitermediums, bei denen eine optische Verstärkung durch stimulierte Emission während eines Quantenübergangs zwischen Energieniveaus bei einer hohen Konzentration von Ladungsträgern in der freien Zone erzeugt wird.
В обычном состоянии большинство электронов befindet sich auf der Valenzstufe. Wenn Photonen Energie liefern, die die Energie der Diskontinuitätszone überschreitet, treten die Halbleiterelektronen in den Erregungszustand ein und gelangen, nachdem sie die verbotene Zone überwunden haben, in die freie Zone, wobei sie sich an ihrer unteren Kante konzentrieren. Gleichzeitig steigen die auf der Valenzstufe gebildeten Löcher bis zu ihrer oberen Grenze an. Elektronen in der freien Zone rekombinieren mit Löchern und emittieren Energie, die der Energie der Diskontinuitätszone entspricht, in Form von Photonen. Die Rekombination kann durch Photonen mit einem ausreichenden Energieniveau verstärkt werden. Die numerische Beschreibung entspricht der Fermi-Verteilungsfunktion.
Устройство полупроводникового лазера представляет Dies ist eine Laserdiode, die durch die Energie von Elektronen und Löchern in der pn-Übergangszone gepumpt wird - dem Ort, an dem Halbleiter mit Leitfähigkeit vom p- und n-Typ in Kontakt kommen. Daneben gibt es Halbleiterlaser mit optischer Energieversorgung, bei denen beim Absorbieren von Lichtphotonen ein Strahl entsteht, sowie Quantenkaskadenlaser, deren Betrieb auf Übergängen innerhalb der Bänder beruht.
Die Standardverbindungen, die sowohl in Halbleiterlasern als auch in anderen optoelektronischen Bauelementen verwendet werden, sind wie folgt:
Diese Verbindungen sind Direktlückenhalbleiter.Indirektes (Silizium-) Licht strahlt nicht mit ausreichender Stärke und Effizienz ab. Die Wellenlänge der Strahlung eines Diodenlasers hängt vom Grad der Annäherung der Photonenenergie an die Energie der Bruchzone einer bestimmten Verbindung ab. In 3- und 4-Komponenten-Halbleiterverbindungen kann die Energie der Berstzone über einen weiten Bereich kontinuierlich variieren. AlGaAs = Almit demHa1 xBeispielsweise führt eine Erhöhung des Aluminiumgehalts (Erhöhung von x) zu einer Erhöhung der Energie der Berstzone.
Während die am häufigstenHalbleiterlaser arbeiten im nahen Infrarotbereich, einige emittieren rote (Gallium-Indium-Phosphid), blaue oder violette (Galliumnitrid) Farben. Halbleiterlaser (Bleiselenid) und Quantenkaskadenlaser erzeugen mittlere Infrarotstrahlung.
Кроме вышеупомянутых неорганических соединений, Bio kann auch verwendet werden. Die entsprechende Technologie befindet sich noch in der Entwicklung, verspricht jedoch, die Produktionskosten für Quantengeneratoren deutlich zu senken. Bisher wurden nur organische Laser mit optischer Energieversorgung entwickelt und es wurde noch kein hocheffizientes elektrisches Pumpen erreicht.
Es wurden viele Halbleiterlaser entwickelt, die sich in Parametern und angewendetem Wert unterscheiden.
Kleine Laserdioden erzeugen hohe Qualitätein Strahl der Endstrahlung, dessen Leistung von einigen bis zu fünfhundert Milliwatt reicht. Der Kristall der Laserdiode ist eine dünne rechteckige Platte, die als Wellenleiter dient, da die Strahlung auf einen kleinen Raum begrenzt ist. Der Kristall ist auf beiden Seiten dotiert, um einen großflächigen pn-Übergang zu erzeugen. Polierte Enden erzeugen einen optischen Fabry-Perot-Resonator. Ein Photon, das den Resonator passiert, führt zu einer Rekombination, die Strahlung nimmt zu und die Erzeugung beginnt. Sie werden in Laserpointern, CD- und DVD-Playern sowie in der Glasfaserkommunikation eingesetzt.
Monolithische Niedrigleistungslaser und Quantengeneratoren mit einem externen Resonator zum Erzeugen kurzer Impulse können Modenkopplung erzeugen.
Halbleiterlaser mit externem Resonatorbestehen aus einer Laserdiode, die als Teil eines größeren Laserresonators die Rolle eines verstärkenden Mediums spielt. Kann Wellenlängen ändern und hat ein enges Emissionsband.
Injektionshalbleiterlaser habenDer breitbandige Emissionsbereich kann einen Strahl geringer Qualität mit einer Leistung von mehreren Watt erzeugen. Sie bestehen aus einer dünnen aktiven Schicht, die sich zwischen der p- und der n-Schicht befindet und einen doppelten Heteroübergang bildet. Es gibt keinen seitlichen Lichtrückhaltemechanismus, der zu einer hohen Strahlelliptizität und unannehmbar hohen Schwellenströmen führt.
Leistungsstarke Diodenarrays, die aus einem Array von Breitbanddioden bestehen, können einen Strahl mittlerer Qualität mit einer Leistung von mehreren zehn Watt erzeugen.
Leistungsstarke zweidimensionale Anordnungen von Dioden können eine Leistung von Hunderten und Tausenden von Watt erzeugen.
Oberflächen emittierende Laser (VCSEL) emittierenHochwertiger Lichtstrahl mit einer Leistung von mehreren Milliwatt senkrecht zur Platte. Auf der Strahlungsoberfläche werden Resonatorspiegel in Form von Schichten in den Wellenlängen differentны mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufgebracht. Auf einem Einkristall können mehrere Hundert Laser hergestellt werden, was die Möglichkeit ihrer Massenproduktion eröffnet.
VECSEL-Laser mit optischem Energieeintrag und externem Resonator können während der Moden-Synchronisation einen Strahl guter Qualität mit einer Leistung von mehreren Watt erzeugen.
HalbleiterlaserDer Quantenkaskadentyp basiert auf Übergängen innerhalb von Zonen (im Gegensatz zu Interband). Diese Geräte emittieren im mittleren Bereich des Infrarotbereichs des Spektrums, manchmal im Terahertz-Bereich. Sie werden beispielsweise als Gasanalysatoren eingesetzt.
Leistungsstarke Diodenlaser mit elektrischem Hochleistungspumpen bei moderaten Spannungen werden verwendet, um Hochleistungs-Festkörperlaser mit Energie zu versorgen.
Halbleiterlaser können in großen Mengen arbeitenFrequenzbereich, der den sichtbaren Teil des Spektrums im nahen und mittleren Infrarotbereich umfasst. Erstellt Geräte, mit denen Sie auch die Häufigkeit des Überblendens ändern können.
Laserdioden können die optische Leistung, die in Sendern von Glasfaserkommunikationsleitungen verwendet wird, schnell umschalten und modulieren.
Solche Eigenschaften haben Halbleiterlaser technologisch zum wichtigsten Typ von Quantengeneratoren gemacht. Sie gelten:
Die meisten Halbleiterlaser erzeugenkontinuierlicher Strahl. Aufgrund der kurzen Verweilzeit von Elektronen auf Leitungsniveau sind sie nicht sehr gut zur Erzeugung von Impulsen mit Güteschaltung geeignet, aber der quasikontinuierliche Betriebsmodus kann die Leistung eines Quantengenerators erheblich erhöhen. Zusätzlich können Halbleiterlaser verwendet werden, um ultrakurze Impulse mit Modenkopplung oder Schaltverstärkung zu erzeugen. Die durchschnittliche Leistung von kurzen Impulsen ist in der Regel auf wenige Milliwatt begrenzt, mit Ausnahme von optisch gepumpten VECSEL-Lasern, deren Leistung durch Mehrwatt-Pikosekundenpulse mit einer Frequenz von einigen zehn Gigahertz gemessen wird.
Der Vorteil eines kurzen AufenthaltesElektron im Leitungsband ist die Fähigkeit von Halbleiterlasern zur Hochfrequenzmodulation, die für VCSEL-Laser 10 GHz überschreitet. Dies hat Anwendung in der optischen Datenübertragung, Spektroskopie und Laserstabilisierung gefunden.
