I laser a semiconduttore sono quantisticigeneratori basati su un mezzo attivo semiconduttore, in cui l'amplificazione ottica viene creata dall'emissione stimolata durante una transizione quantistica tra livelli di energia ad alta concentrazione di portatori di carica nella banda libera.
Nello stato normale, la maggior parte degli elettronisituato a livello di valenza. Quando i fotoni forniscono energia eccedente l'energia della zona di discontinuità, gli elettroni del semiconduttore entrano nello stato di eccitazione e, superata la zona proibita, passano nella zona libera, concentrandosi sul suo bordo inferiore. Allo stesso tempo, i buchi formati a livello di valenza salgono al suo limite superiore. Gli elettroni nella zona libera si ricombinano con i buchi, emettendo energia pari all'energia del gap sotto forma di fotoni. La ricombinazione può essere migliorata da fotoni con livelli di energia sufficienti. La descrizione numerica corrisponde alla funzione di distribuzione di Fermi.
Il dispositivo laser a semiconduttore rappresentaè un diodo laser, pompato dall'energia di elettroni e buchi nella zona di giunzione pn - il punto di contatto dei semiconduttori con conduttività di tipo p e n. Inoltre, ci sono laser a semiconduttore con alimentazione di energia ottica, in cui il raggio è formato assorbendo fotoni luminosi, nonché laser a cascata quantistica, il cui funzionamento si basa sulle transizioni all'interno delle bande.
I collegamenti standard utilizzati sia nei laser a semiconduttore che in altri dispositivi optoelettronici sono i seguenti:
Questi composti sono semiconduttori a gap diretto.La luce indiretta (silicio) con sufficiente forza ed efficienza non viene emessa. La lunghezza d'onda della radiazione laser a diodi dipende dal grado di approssimazione dell'energia del fotone all'energia della zona di rottura di un particolare composto. Nei composti semiconduttori a 3 e 4 componenti, l'energia della zona di gap può essere variata continuamente in un ampio intervallo. AlGaAs = AlconGa1-xCome, ad esempio, un aumento del contenuto di alluminio (un aumento di x) si traduce in un aumento dell'energia della zona di rottura.
Mentre il più comuneI laser a semiconduttore funzionano nella parte del vicino IR dello spettro, alcuni emettono colori rosso (fosfuro di gallio-indio), blu o viola (nitruro di gallio). La radiazione nel medio infrarosso è prodotta da laser a semiconduttore (seleniuro di piombo) e laser a cascata quantistica.
Oltre ai suddetti composti inorganici,può essere utilizzato anche biologico. La tecnologia corrispondente è ancora in fase di sviluppo, ma il suo sviluppo promette di ridurre significativamente i costi di produzione dei generatori quantistici. Finora sono stati sviluppati solo laser organici con alimentazione di energia ottica e non è stato ancora ottenuto un pompaggio elettrico altamente efficiente.
Sono stati creati molti laser a semiconduttore, diversi per parametri e valore applicato.
I piccoli diodi laser producono qualitàun raggio di radiazione di bordo, la cui potenza varia da parecchi a cinquecento milliwatt. Un diodo laser è una sottile lastra rettangolare che funge da guida d'onda, poiché la radiazione è limitata da un piccolo spazio. Il cristallo è drogato su entrambi i lati per creare una grande giunzione pn. Le estremità lucide creano un risonatore ottico Fabry-Perot. Un fotone che passa attraverso il risonatore causerà la ricombinazione, la radiazione aumenterà e la generazione inizierà. Utilizzato in puntatori laser, lettori CD e DVD e comunicazioni in fibra ottica.
I laser monolitici a bassa potenza e i generatori quantistici con una cavità esterna per la generazione di impulsi brevi possono produrre il blocco della modalità.
Laser a semiconduttore con risonatore esternosono costituiti da un diodo laser, che svolge il ruolo di mezzo amplificatore in una cavità laser più grande. Sono in grado di cambiare le lunghezze d'onda e hanno una banda di emissione stretta.
I laser a semiconduttore a iniezione hannola regione di radiazione sotto forma di una banda larga, può generare un fascio di bassa qualità con una potenza di diversi watt. Sono costituiti da un sottile strato attivo situato tra gli strati pe n, formando una doppia eterogiunzione. Il meccanismo di confinamento della luce in direzione laterale è assente, il che si traduce in ellitticità del fascio luminoso e correnti di soglia inaccettabilmente elevate.
Potenti array di diodi, costituiti da un array di diodi a banda larga, sono in grado di produrre un fascio di qualità mediocre con una potenza di decine di watt.
I potenti array di diodi 2D possono generare centinaia o migliaia di watt di potenza.
I laser a emissione di superficie (VCSEL) emettonoun fascio di luce di alta qualità con una potenza di diversi milliwatt perpendicolare alla piastra. Sulla superficie della radiazione vengono applicati specchi risonatori sotto forma di strati di ¼ di lunghezza d'onda con diversi indici di rifrazione. Diverse centinaia di laser possono essere fabbricati su un cristallo, il che apre la possibilità della loro produzione in serie.
I laser VECSEL con un'alimentazione di energia ottica e una cavità esterna sono in grado di generare un fascio di buona qualità con una potenza di diversi watt con blocco della modalità.
Funzionamento del laser a semiconduttoreil tipo a cascata quantistica si basa sulle transizioni all'interno delle bande (al contrario dell'interbanda). Questi dispositivi emettono nella regione del medio infrarosso dello spettro, a volte nella gamma dei terahertz. Sono utilizzati, ad esempio, come analizzatori di gas.
Laser a diodi ad alta potenza, pompati elettricamente e ad alta efficienza a tensioni moderate vengono utilizzati per fornire energia ai laser a stato solido ad alta efficienza.
I laser a semiconduttore possono funzionare in grandeuna gamma di frequenze che include le porzioni visibile, nel vicino infrarosso e nel medio infrarosso dello spettro. Sono stati realizzati dispositivi che consentono anche di modificare la frequenza di pubblicazione.
I diodi laser possono commutare e modulare rapidamente la potenza ottica, che trova applicazione nei trasmettitori in fibra ottica.
Queste caratteristiche hanno reso i laser a semiconduttore tecnologicamente il tipo più importante di generatori quantistici. Si applicano:
La maggior parte dei laser a semiconduttore generafascio continuo. A causa del breve tempo di permanenza degli elettroni a livello di conduttività, non sono molto adatti per la generazione di impulsi con commutazione Q, ma la modalità di funzionamento quasi continua può aumentare significativamente la potenza del generatore quantistico. Inoltre, i laser a semiconduttore possono essere utilizzati per generare impulsi ultracorti con blocco della modalità o commutazione del guadagno. La potenza media degli impulsi brevi è solitamente limitata a pochi milliwatt, ad eccezione dei laser VECSEL pompati otticamente, la cui uscita è misurata in impulsi di picosecondi multi-watt con una frequenza di decine di gigahertz.
Il vantaggio di un breve soggiornol'elettrone nella banda di conduzione è la capacità dei laser a semiconduttore di modulazione ad alta frequenza, che nei laser VCSEL supera i 10 GHz. Ciò ha trovato applicazione nella trasmissione ottica dei dati, nella spettroscopia e nella stabilizzazione laser.
