A félvezető lézerek kvantumokfélvezető aktív közegre épülő generátorok, amelyekben optikai erősítést hoznak létre stimulált emisszióval az energiaszintek közötti kvantumátmenet során, a szabad sávban lévő töltéshordozók magas koncentrációjában.
Normál állapotban a legtöbb elektronvegyérték szinten helyezkedik el. Amikor a fotonok a megszakítási zóna energiáját meghaladó energiát szolgáltatnak, a félvezető elektronok gerjesztési állapotba kerülnek, és a tiltott zónát leküzdve belépnek a szabad zónába, annak alsó szélére koncentrálva. Ugyanakkor a vegyérték szintjén kialakult lyukak a felső határáig emelkednek. A szabad zónában lévő elektronok lyukakkal kombinálódnak, fotonok formájában a rés energiájával egyenlő energiát bocsátanak ki. A rekombinációt fokozhatják a megfelelő energiaszintű fotonok. A numerikus leírás megfelel a Fermi eloszlás függvénynek.
A félvezető lézer eszköz képviseliegy lézerdióda, amelyet a pn-elágazó zónában lévő elektronok és lyukak energiája pumpál- a p- és n-típusú vezetőképességű félvezetők érintkezési helye. Ezenkívül léteznek optikai energiaellátású félvezető lézerek, amelyekben a fénysugarakat fényfotonok elnyelésével alakítják ki, valamint kvantum kaszkád lézerek, amelyek működése a sávokon belüli átmeneteken alapul.
A félvezető lézerekben és más optoelektronikai eszközökben használt szabványos csatlakozók a következők:
Ezek a vegyületek közvetlen résű félvezetők.A megfelelő erősségű és hatékonyságú közvetett rés (szilícium) fény nem bocsát ki. A dióda lézersugárzás hullámhossza attól függ, hogy a fotonenergia mennyire közelít egy adott vegyület törési zónájának energiájához. A 3 és 4 komponensű félvezető vegyületekben a részóna energiája széles tartományban folyamatosan változtatható. AlGaAs = AlaGa1-xMint például az alumíniumtartalom növekedése (x növekedése) a szakadási zóna energiájának növekedését eredményezi.
Míg a leggyakoribbA félvezető lézerek a spektrum IR-közeli részén működnek, néhány vörös (gallium-indium-foszfid), kék vagy lila (gallium-nitrid) színt bocsát ki. A közepes infravörös sugárzást félvezető lézerek (ólom-szelenid) és kvantum kaszkád lézerek állítják elő.
A fent említett szervetlen vegyületek mellettbio is használható. A megfelelő technológia még fejlesztés alatt áll, de fejlesztése a kvantumgenerátorok gyártási költségeinek jelentős csökkentését ígéri. Eddig csak optikai energiaellátású szerves lézereket fejlesztettek ki, és a nagy hatékonyságú elektromos szivattyúzást még nem sikerült elérni.
Sok félvezető lézert hoztak létre, amelyek paramétereikben és alkalmazott értékükben különböznek egymástól.
A kis lézerdiódák minőséget produkálnakélsugárzási sugár, amelynek teljesítménye többtől ötszáz milliwattig terjed. A lézerdiódakristály egy vékony téglalap alakú lemez, amely hullámvezetőként szolgál, mivel a sugárzást kis tér korlátozza. A kristály mindkét oldalán adalékolt, hogy nagy pn csomópontot hozzon létre. A polírozott végek optikai Fabry-Perot rezonátort hoznak létre. A rezonátoron áthaladó foton rekombinációt okoz, a sugárzás növekszik, és elkezdődik a generáció. Lézermutatókban, CD- és DVD -lejátszókban, valamint száloptikás kommunikációban használják.
Az alacsony teljesítményű monolitikus lézerek és a kvantumgenerátorok, amelyek külső üreggel rendelkeznek rövid impulzusok generálásához, üzemmód-zárolást eredményezhetnek.
Félvezető lézerek külső rezonátorrallézerdiódából állnak, amely egy nagyobb lézerüregben erősítő közeg szerepét tölti be. Képesek a hullámhossz megváltoztatására, és keskeny emissziós sávval rendelkeznek.
Az injekciós félvezető lézerek rendelkezneka sugárzás régiója széles sáv formájában, alacsony minőségű, több wattos sugárzást hozhat létre. Ezek egy vékony aktív rétegből állnak, amelyek a p- és az n-réteg között helyezkednek el, és kettős heterojunkciót képeznek. Az oldalirányú fényzáró mechanizmus hiányzik, ami távolsági ellipticitást és elfogadhatatlanul magas küszöbáramokat eredményez.
A széles sávú diódákból álló erőteljes dióda -tömbök közepes minőségű, több tíz wattos sugárzást képesek előállítani.
Az erőteljes 2D dióda tömbök több száz vagy ezer watt energiát termelhetnek.
Felületkibocsátó lézerek (VCSEL) bocsátanak kia lemezre merőleges, több milliwatt teljesítményű, kiváló minőségű fénysugár. A sugárzás felszínén rezonátor tükröket alkalmaznak rétegek formájában ¼ hullámhosszon, különböző törésmutatókkal. Több száz lézert lehet gyártani egy kristályon, ami megnyitja a tömeggyártás lehetőségét.
A VECSEL lézerek optikai energiaellátással és külső üreggel képesek jó minőségű, több wattos sugár előállítására módzárral.
Félvezető lézeres működésA kvantum kaszkád típus a sávokon belüli átmeneteken alapul (szemben az interband -el). Ezek az eszközök a spektrum középső infravörös tartományában bocsátanak ki, néha terahertzes tartományban. Ezeket például gázelemző készülékként használják.
A nagy hatékonyságú szilárdtest-lézerek energiaellátásának eszközeként nagy teljesítményű dióda lézereket használnak nagy hatékonyságú, mérsékelt feszültségű elektromos szivattyúzással.
A félvezető lézerek nagyban is működhetnekfrekvenciatartomány, amely tartalmazza a spektrum látható, közeli infravörös és közepes infravörös részeit. Olyan eszközöket hoztak létre, amelyek lehetővé teszik a közzététel gyakoriságának megváltoztatását is.
A lézerdiódák gyorsan kapcsolhatják és modulálhatják az optikai teljesítményt, amely alkalmazható a száloptikai távadókban.
Ezek a jellemzők a félvezető lézereket technológiailag a kvantumgenerátorok legfontosabb típusává tették. Alkalmazzák:
A legtöbb félvezető lézer generálfolyamatos sugár. Az elektronok vezetőképességi szinten való rövid tartózkodási ideje miatt nem nagyon alkalmasak Q kapcsolású impulzusok előállítására, de a kvázi folyamatos működési mód jelentősen növelheti a kvantumgenerátor teljesítményét. Ezenkívül félvezető lézerekkel ultrarövid impulzusok is előállíthatók üzemmód zárolással vagy erősítés kapcsolással. A rövid impulzusok átlagos teljesítménye általában néhány milliwattra korlátozódik, kivéve az optikailag szivattyúzott VECSEL lézereket, amelyek kimenetét több wattos pikoszekundumos impulzusokban mérik, több tíz gigahertzes frekvenciával.
A rövid tartózkodás előnyeaz elektron a vezetési sávban a félvezető lézerek nagyfrekvenciás modulációs képessége, amely a VCSEL lézerekben meghaladja a 10 GHz-et. Ez az optikai adatátvitel, a spektroszkópia és a lézerstabilizáció területén talált alkalmazást.
