Полупроводниковые лазеры являются квантовыми ģeneratori, kuru pamatā ir pusvadītāju aktīva vide, kuros optisko pastiprinājumu rada stimulēta emisija kvantu pārejas laikā starp enerģijas līmeņiem augstā lādiņu nesēju koncentrācijā brīvajā zonā.
Normālā stāvoklī lielākā daļa elektronukas atrodas valences līmenī. Kad fotoni piegādā enerģiju, kas pārsniedz nepārtrauktības zonas enerģiju, pusvadītāju elektroni nonāk ierosmes stāvoklī un, pārvarot aizliegto zonu, nonāk brīvajā zonā, koncentrējoties tās apakšējā malā. Tajā pašā laikā valences līmenī izveidoti caurumi paceļas līdz tā augšējai robežai. Elektroni brīvajā zonā rekombinējas ar caurumiem, fotonu formā izstarojot enerģiju, kas vienāda ar pārtraukuma zonas enerģiju. Rekombināciju var uzlabot fotoni ar pietiekamu enerģijas līmeni. Skaitliskais apraksts atbilst Fermi sadalījuma funkcijai.
Устройство полупроводникового лазера представляет Šī ir lāzera diode, ko sūknē elektronu un caurumu enerģija pn savienojuma zonā, kur pusvadītāji nonāk saskarē ar p- un n-veida vadītspēju. Turklāt ir pusvadītāju lāzeri ar optisko enerģijas padevi, kuros, absorbējot gaismas fotonus, veidojas stars, kā arī kvantu kaskādes lāzeri, kuru darbība balstās uz pārejām joslu iekšpusē.
Gan pusvadītāju lāzeros, gan citās optoelektroniskās ierīcēs izmantotie standarta savienojumi ir šādi:
Šie savienojumi ir tiešās spraugas pusvadītāji.Netieša (silīcija) gaisma neizstaro ar pietiekamu stiprību un efektivitāti. Diodes lāzera starojuma viļņa garums ir atkarīgs no fotona enerģijas tuvināšanas pakāpes ar konkrēta savienojuma plīsuma zonas enerģiju. 3- un 4-komponentu pusvadītāju savienojumos plīsuma zonas enerģija var nepārtraukti mainīties plašā diapazonā. AlGaAs = AlarHa1 xPiemēram, alumīnija satura palielināšanās (palielinājums x) izraisa plīsuma zonas enerģijas palielināšanos.
Kaut arī visbiežākpusvadītāju lāzeri darbojas tuvu infrasarkanā spektra daļai, daži izstaro sarkanu (gallija-indija fosfīds), zilu vai violetu (gallija nitrīds) krāsas. Pusvadītāju lāzeri (svina selenīds) un kvantu kaskādes lāzeri rada vidēju infrasarkano starojumu.
Papildus iepriekšminētajiem neorganiskajiem savienojumiemVar izmantot arī organisko. Atbilstošā tehnoloģija joprojām tiek izstrādāta, taču tās attīstība sola ievērojami samazināt kvantu ģeneratoru ražošanas izmaksas. Līdz šim organiskie lāzeri ar optiskās enerģijas padevi ir tikai izstrādāti, un augstas efektivitātes elektriskā sūknēšana vēl nav panākta.
Ir izveidoti daudzi pusvadītāju lāzeri, kas atšķiras pēc parametriem un pielietotās vērtības.
Mazas lāzera diodes rada augstu kvalitātigala starojuma stars, kura jauda svārstās no vairākiem līdz pieciem simtiem milivatu. Lāzera diodes kristāls ir plāna taisnstūra formas plāksne, kas kalpo kā viļņa vads, jo starojums ir ierobežots nelielā telpā. Kristāls ir leģēts no abām pusēm, lai izveidotu liela laukuma pn krustojumu. Slīpēti gali rada Fabry - Perot optisko rezonatoru. Fotons, kas iet cauri rezonatoram, izraisīs rekombināciju, palielināsies starojums un sāksies ģenerēšana. Tos izmanto lāzera rādītājos, CD un DVD atskaņotājos, kā arī optiskās šķiedras sakaros.
Mazjaudas monolīti lāzeri un kvantu ģeneratori ar ārēju rezonatoru īsu impulsu ģenerēšanai var radīt režīma bloķēšanu.
Pusvadītāju lāzeri ar ārēju rezonatorusastāv no lāzera diodes, kas spēlē pastiprinātāja lomu kā daļu no lielāka lāzera dobuma. Spēj mainīt viļņu garumu un ir ar šauru emisijas joslu.
Injekcijas pusvadītāju lāzeriem iremisijas apgabals plašas joslas veidā var radīt zemas kvalitātes staru ar vairāku vatu jaudu. Tie sastāv no plāna aktīva slāņa, kas atrodas starp p- un n-slāni, veidojot dubultu heterojunkciju. Nav sānu gaismas aiztures mehānisma, kā rezultātā rodas tālās gaismas elipsētība un nepieņemami augstas sliekšņa straumes.
Jaudīgi diožu bloki, kas sastāv no platjoslas diožu bloka, spēj radīt viduvēja kvalitātes staru ar jaudu desmitiem vatu.
Jaudīgi divdimensiju diožu bloki var radīt simtiem un tūkstošiem vatu jaudu.
Virsmas izstarojošie lāzeri (VCSEL) izstaroaugstas kvalitātes gaismas stars ar vairāku milivatu jaudu perpendikulāri plāksnei. Uz radiācijas virsmas ины viļņu garumos ar dažādiem refrakcijas koeficientiem tiek uzklāti rezonatora spoguļi slāņu veidā. Uz viena kristāla var izgatavot vairākus simtus lāzeru, kas paver iespēju to masveida ražošanai.
VECSEL lāzeri ar optiskās enerģijas ievadi un ārēju rezonatoru režīma sinhronizācijas laikā var radīt labas kvalitātes staru ar vairāku vatu jaudu.
Pusvadītāju lāzerskvantu kaskādes tips ir balstīts uz pārejām zonās (pretstatā starpjoslai). Šīs ierīces izstaro spektra infrasarkanās daļas vidējā reģionā, dažreiz terahercu diapazonā. Tos izmanto, piemēram, kā gāzes analizatorus.
Jaudīgi diožu lāzeri ar augstas veiktspējas elektrisko sūknēšanu ar nelielu spriegumu tiek izmantoti kā energoapgādes līdzekļi augstas veiktspējas cietvielu lāzeriem.
Pusvadītāju lāzeri var darboties lielos apjomosfrekvences diapazons, kas ietver redzamo, tuvu infrasarkano un vidējo infrasarkano spektra daļu. Izveidotas ierīces, kas arī ļauj mainīt izbalēšanas biežumu.
Lāzera diodes var ātri pārslēgt un modulēt optisko jaudu, kas tiek izmantota optisko šķiedru sakaru līniju raidītājiem.
Šādi raksturlielumi pusvadītāju lāzerus tehnoloģiski ir padarījuši par vissvarīgāko kvantu ģeneratoru veidu. Tos piemēro:
Lielākā daļa pusvadītāju lāzeru radanepārtraukts stars. Sakarā ar īso elektronu uzturēšanās laiku vadītspējas līmenī, tie nav ļoti piemēroti impulsu ģenerēšanai ar Q pārslēgšanu, bet kvazi-nepārtraukts darbības režīms var ievērojami palielināt kvantu ģeneratora jaudu. Turklāt pusvadītāju lāzerus var izmantot, lai ģenerētu ultra īsus impulsus ar režīma bloķēšanu vai pārslēgšanas pastiprinājumu. Īsu impulsu vidējā jauda, kā likums, ir ierobežota ar dažiem milivatu jaudu, izņemot optiski sūknētus VECSEL lāzerus, kuru izvadi mēra ar vairāku vatu pikosekundēm, ar frekvenci desmitiem gigahercu.
Īstermiņa uzturēšanās priekšrocībaelektrons vadītspējas joslā ir pusvadītāju lāzeru spēja veikt augstas frekvences modulāciju, kas VCSEL lāzeriem pārsniedz 10 GHz. Tas ir atradis pielietojumu optiskajā datu pārraidē, spektroskopijā, lāzera stabilizācijā.
