Puolijohdelaserit ovat kvanttipuolijohdeaktiiviseen väliaineeseen perustuvat generaattorit, joissa optinen vahvistus syntyy stimuloidulla emissiolla energiatehokkuustasojen välisessä kvanttivaihdossa korkealla varauskantajakonsentraatiolla vapaa-alueella.
Normaalitilassa useimmat elektronitsijaitsevat valenssitasolla. Kun fotonit toimittavat energiaa, joka ylittää epäjatkuvuusvyöhykkeen energian, puolijohdeelektronit siirtyvät herätetilaan ja ylittäessään kielletyn alueen siirtyvät vapaa-alueelle keskittyen sen alareunaan. Samaan aikaan valenssitasolle muodostetut reikät nousevat sen ylärajaan. Vapaan vyöhykkeen elektronit yhdistyvät rei'illä, emittoimalla energiaa epäjatkuvuusvyöhykkeen energiaa fotonien muodossa. Rekombinaatiota voidaan parantaa fotoneilla, joilla on riittävästi energiaa. Numeerinen kuvaus vastaa Fermin jakelufunktiota.
Puolijohdelaserlaite edustaaTämä on laserdiodi, jota pumppaa elektronien ja reikien energia pn-liitosvyöhykkeellä - puolijohteiden ja p- ja n-tyypin johtavuuden välisessä kosketuspisteessä. Lisäksi on olemassa puolijohdelasereita, joissa on optinen energianlähde, joissa muodostuu säde valon fotonien absorboitumisen yhteydessä, samoin kuin kvantkaskadilasereita, joiden toiminta perustuu siirtymiin kaistojen sisällä.
Sekä puolijohdelaserissa että muissa optoelektronisissa laitteissa käytetyt standardiyhdisteet ovat seuraavat:
Nämä yhdisteet ovat suoria aukkopuolijohteita.Riittävän voimakas ja tehokas epäsuora aukko (pii) ei lähde. Diodilasersäteilyn aallonpituus riippuu fotonienergian likimääräisyydestä tietyn yhdisteen rikkoutumisvyöhykkeen energiaan. 3- ja 4-komponenttisissa puolijohdeyhdisteissä raon vyöhykkeen energiaa voidaan vaihdella jatkuvasti laajalla alueella. AlGaAs = AlkanssaGa1-xKuten esimerkiksi alumiinipitoisuuden kasvu (x: n kasvu) johtaa murtumisvyöhykkeen energian lisääntymiseen.
Vaikka yleisinPuolijohdelaserit toimivat spektrin lähellä olevalla infrapunaosalla, jotkut lähettävät punaisia (galliumindiumfosfidi), sinisiä tai violetteja (galliumnitridi) värejä. Puolivälissä infrapunasäteilyä tuottavat puolijohdelaserit (lyijyselenidi) ja kvanttikaskadilaserit.
Edellä mainittujen epäorgaanisten yhdisteiden lisäksiorgaanista voidaan myös käyttää. Vastaavaa tekniikkaa kehitetään edelleen, mutta sen kehittäminen lupaa vähentää merkittävästi kvanttigeneraattoreiden valmistuskustannuksia. Toistaiseksi on kehitetty vain orgaanisia lasereita, joissa on optinen energiansyöttö, eikä erittäin tehokasta sähköpumppua ole vielä saavutettu.
Paljon puolijohdelasereita on luotu, jotka eroavat parametreista ja käytetystä arvosta.
Pienet laserdiodit tuottavat laatuareunasäteilyn säde, jonka teho vaihtelee useasta viiteen sataan milliwattia. Laserdiodikide on ohut suorakulmainen levy, joka toimii aaltojohtimena, koska säteilyä rajoittaa pieni tila. Kide seostetaan molemmilta puolilta suuren pn-liitoksen muodostamiseksi. Kiillotetut päät luovat optisen Fabry-Perot-resonaattorin. Resonaattorin läpi kulkeva fotoni aiheuttaa rekombinaatiota, säteily lisääntyy ja syntyminen alkaa. Käytetään laserosoittimissa, CD- ja DVD-soittimissa sekä valokuituviestinnässä.
Pienitehoiset monoliittiset laserit ja kvanttigeneraattorit, joissa on ulkoinen ontelo lyhyiden pulssien tuottamiseksi, voivat tuottaa moodilukituksen.
Puolijohdelaserit ulkoisella resonaattorillakoostuvat laserdiodista, joka toimii vahvistavana väliaineena suuremmassa laserontelossa. Ne pystyvät vaihtamaan aallonpituuksia ja niillä on kapea emissiokaista.
Injektiopuolijohdelasereilla onSäteilyalue laajakaistana voi tuottaa heikkolaatuisen säteen, jonka teho on useita wattia. Ne koostuvat ohuesta aktiivisesta kerroksesta, joka sijaitsee p- ja n-kerroksen välissä, muodostaen kaksinkertaisen heteroyhteyden. Valosulkumekanismi sivusuunnassa puuttuu, mikä johtaa kaukovalojen elliptisyyteen ja liian korkeisiin kynnysvirtoihin.
Tehokkaat diodiryhmät, jotka koostuvat laajakaistaisten diodien joukosta, pystyvät tuottamaan keskinkertaisen laadukkaan säteen, jonka teho on kymmeniä wattia.
Tehokkaat 2D-diodiryhmät voivat tuottaa satoja tai tuhansia wattia virtaa.
Pintaa emittoivat laserit (VCSEL) lähettävätkorkealaatuinen valonsäde, jonka teho on useita milliwattia kohtisuoraan levyyn nähden. Säteilyn pinnalle resonaattoripeilit levitetään kerroksina ¼ aallonpituuksilla, joilla on erilaiset taitekertoimet. Yhdelle kiteelle voidaan valmistaa useita satoja lasereita, mikä avaa mahdollisuuden niiden massatuotantoon.
VECSEL-laserit, joissa on optinen energiansyöttö ja ulkoinen ontelo, kykenevät tuottamaan laadukkaan säteen, jonka teho on useita wattia tilalukituksen avulla.
Puolijohde-laserkäyttökvanttikaskadityyppi perustuu kaistojen sisäisiin siirtymiin (toisin kuin interband). Nämä laitteet lähettävät spektrin keski-infrapuna-alueella, joskus terahertsialueella. Niitä käytetään esimerkiksi kaasuanalysaattoreina.
Tehokkaita diodilasereita, joilla on korkea hyötysuhde, sähköinen pumppaus kohtuullisilla jännitteillä, käytetään keinona toimittaa energiaa korkean hyötysuhteen puolijohdelasereihin.
Puolijohdelaserit voivat toimia suurinataajuusalue, joka sisältää spektrin näkyvät, lähellä infrapuna- ja keski-infrapunaosuudet. On luotu laitteita, jotka mahdollistavat myös julkaisutiheyden muuttamisen.
Laserdiodit voivat nopeasti vaihtaa ja moduloida optista tehoa, mikä soveltuu kuituoptisiin lähettimiin.
Nämä ominaisuudet ovat tehneet puolijohdelasereista teknisesti tärkeimmän kvanttigeneraattorityypin. Niitä sovelletaan:
Useimmat puolijohdelaserit tuottavatjatkuva palkki. Johtuen elektronien lyhyestä viipymäajasta johtokykytasolla, ne eivät ole kovin sopivia Q-kytkettyjen pulssien tuottamiseen, mutta lähes jatkuva toimintatapa voi lisätä merkittävästi kvanttigeneraattorin tehoa. Lisäksi puolijohdelasereita voidaan käyttää tuottamaan ultralyhyitä pulsseja tilalukituksella tai vahvistuskytkimellä. Lyhyiden pulssien keskimääräinen teho on yleensä rajoitettu muutamaan milliwattia lukuun ottamatta optisesti pumpattuja VECSEL-lasereita, joiden lähtö mitataan mon wattisissa pikosekunnisissa pulsseissa, joiden taajuus on kymmeniä gigahertsejä.
Lyhyen oleskelun etuelektroni johtokaistassa on puolijohdelaserien kyky suurtaajuusmodulaatioon, joka VCSEL-lasereissa ylittää 10 GHz. Tämä on löytynyt sovelluksesta optiseen tiedonsiirtoon, spektroskopiaan ja laservakautukseen.
