Halvlederlasere er kvantegeneratorer basert på et halvlederaktivt medium der optisk forsterkning genereres ved stimulert emisjon under en kvanteovergang mellom energinivåer ved en høy konsentrasjon av ladningsbærere i fri sone.
В обычном состоянии большинство электронов lokalisert på valensnivå. Når fotoner forsyner energi som overskrider energien fra diskontinuitetssonen, går halvlederelektronene inn i eksitasjonstilstanden, og når de har overvunnet den forbudte sonen, passerer de inn i frisonen og konsentrerer seg i den nedre kanten. Samtidig stiger hull dannet på valensnivå til sin øvre grense. Elektroner i fri sone rekombinerer med hull, som avgir energi lik energien fra diskontinuitetssonen, i form av fotoner. Rekombinasjon kan forbedres med fotoner med et tilstrekkelig nivå av energi. Den numeriske beskrivelsen tilsvarer Fermi-distribusjonsfunksjonen.
Halvleder laseranordningen representererDette er en laserdiode pumpet av energien til elektroner og hull i pn-overgangssonen, der halvlederne kommer i kontakt med ledningsevne av p- og n-typen. I tillegg er det halvlederlasere med en optisk energiforsyning der en bjelke dannes når lysfotoner absorberes, så vel som kvante kaskadelasere, hvis drift er basert på overganger inne i båndene.
Standardforbindelsene som brukes både i halvlederlasere og i andre optoelektroniske enheter er som følger:
Disse forbindelsene er direkte-gap halvledere.Indirekte (silisium) lys avgir ikke med tilstrekkelig styrke og effektivitet. Bølgelengden for strålingen av en diodelaser avhenger av graden av tilnærming av fotonenergien til energien i bruddsonen til en bestemt forbindelse. I 3- og 4-komponent halvlederforbindelser kan energien i diskontinuitetssonen kontinuerlig variere over et bredt område. AlGaAs = AlmedHa1 xSom for eksempel en økning i aluminiuminnholdet (økning i x) resulterer i en økning i energien i bruddsonen.
Mens den vanligstehalvlederlasere opererer i den nærinfrarøde delen av spekteret, noen avgir røde (gallium-indiumfosfid), blå eller fiolette (galliumnitrid) farger. Halvlederlasere (bly selenid) og kvante kaskadelasere skaper middels infrarød stråling.
I tillegg til de nevnte uorganiske forbindelsene,organisk kan også brukes. Den tilsvarende teknologien er fortsatt under utvikling, men utviklingen lover å redusere produksjonskostnadene til kvantegeneratorer betydelig. Så langt har bare organiske lasere med optisk energiforsyning blitt utviklet, og høyeffektiv elektrisk pumping har ennå ikke blitt oppnådd.
Det er laget mange halvlederlasere, som varierer i parametere og anvendt verdi.
Små laserdioder produserer kvaliteten stråle av kantstråling, hvis kraft varierer fra flere til fem hundre milliwatt. En laserdiodekrystall er en tynn rektangulær plate som fungerer som en bølgeleder, siden strålingen er begrenset av et lite rom. Krystallet er dopet på begge sider for å skape et stort PN-kryss. De polerte endene skaper en optisk resonator fra Fabry - Perot. Et foton som går gjennom resonatoren vil forårsake rekombinasjon, strålingen vil øke og generasjonen vil begynne. Brukes i laserpekere, CD- og DVD-spillere og fiberoptisk kommunikasjon.
Monolittiske lasere med lav effekt og kvantegeneratorer med et eksternt hulrom for å generere korte pulser kan produsere moduslåsing.
Halvlederlasere med ekstern resonatorbestår av en laserdiode som spiller rollen som et forsterkningsmedium i et større laserhulrom. De er i stand til å endre bølgelengder og har et smalt utslippsbånd.
Injeksjons halvlederlasere harstrålingsområdet i form av et bredt bånd kan generere en stråle av lav kvalitet med en effekt på flere watt. De består av et tynt aktivt lag plassert mellom p- og n-lagene, og danner et dobbelt heterojunksjon. Mekanismen for lysinneslutning i lateral retning er fraværende, noe som resulterer i fjernlys elliptisitet og uakseptabelt høye terskelstrømmer.
Kraftige diodearriser som består av en rekke bredbåndsdioder, er i stand til å produsere en stråle av middelmådig kvalitet med en effekt på titalls watt.
Kraftige 2D-diodearrays kan generere hundrevis eller tusen watt kraft.
Surface Emitting Lasers (VCSEL) avgiren høykvalitets lysstråle med en effekt på flere milliwatt vinkelrett på platen. På overflaten av strålingen påføres resonatorspeil i form av lag i ¼ bølgelengder med forskjellige brytningsindekser. Flere hundre lasere kan produseres på en krystall, noe som åpner muligheten for masseproduksjon.
VECSEL-lasere med optisk energiforsyning og et eksternt hulrom er i stand til å generere en stråle av god kvalitet med en effekt på flere watt med moduslåsing.
Halvlederlaseroperasjonkvantakaskadetypen er basert på overganger innenfor bånd (i motsetning til interbånd). Disse enhetene avgir i midten av det infrarøde området i spekteret, noen ganger i terahertz-området. De brukes for eksempel som gassanalysatorer.
Høyeffektive, elektrisk pumpede, høyeffektive diodelaser ved moderat spenning brukes til å levere energien til høyeffektive solid state-lasere.
Halvlederlasere kan fungere stortet frekvensområde som inkluderer de synlige, nær infrarøde og midtre infrarøde delene av spekteret. Enheter er opprettet som også gjør det mulig å endre publiseringsfrekvensen.
Laserdioder kan raskt bytte og modulere optisk effekt, som brukes i fiberoptiske sendere.
Disse egenskapene gjorde halvlederlasere teknologisk til den viktigste typen kvantegeneratorer. De brukes:
De fleste halvlederlasere generererkontinuerlig stråle. På grunn av den korte oppholdstiden til elektroner på ledningsnivå, er de ikke veldig egnet for å generere pulser med Q-svitsj, men den kvasikontinuerlige driftsmåten kan øke kraften til kvantegeneratoren betydelig. I tillegg kan halvlederlasere brukes til å generere ultrakortpulser med moduslåsing eller forsterkning. Gjennomsnittlig effekt av korte pulser er vanligvis begrenset til noen få milliwatt, med unntak av optisk pumpede VECSEL-lasere, hvis utgang måles i multiwatt-pikosekundpulser med titalls gigahertz-frekvens.
Fordelen med et kort oppholdelektron i ledningsbåndet er muligheten til halvlederlasere til høyfrekvent modulasjon, som i VCSEL-lasere overstiger 10 GHz. Dette har funnet anvendelse i optisk dataoverføring, spektroskopi og laserstabilisering.
