Co to jest laser półprzewodnikowy? (Część Ⅰ)

Od wynalezienia pierwszegoLasery półprzewodnikowena świecie w 1962 roku laser półprzewodnikowy przeszedł wielkie zmiany, znacznie sprzyjając rozwojowi innych nauk i technologii, i jest uważany za jeden z ważnych wynalazków XX wieku. W ostatnich dziesięcioleciach rozwój lasera półprzewodnikowego jest szybszy i stał się najszybciej rozwijającą się technologią laserową na świecie. Zastosowanie laserów półprzewodnikowych obejmuje całą dziedzinę optoelektroniki i stało się podstawową technologią nauki optoelektronicznej. Ze względu na zalety niewielkich rozmiarów, prostej konstrukcji, niskiej energii wejściowej, długiej żywotności, łatwości modulacji i niskiej ceny, laser półprzewodnikowy jest szeroko stosowany w dziedzinie optoelektroniki i jest wysoko ceniony przez kraje na całym świecie.

1. Lasery półprzewodnikowe

Laser półprzewodnikowy jest rodzajem zminiaturyzowanego lasera, który składa się ze złącza Pn lub szpilki materiału półprzewodnikowego z bezpośrednim pasmem wzbronionym. Istnieją dziesiątki rodzajów półprzewodnikowych substancji działających laserowo. Obecnie materiały półprzewodnikowe, z których wykonano lasery, to arsenek galu, arsenek indu, antymonek indu, siarczek kadmu, tellurek kadmu, selenek ołowiu, tellurek ołowiu, arsenek glinowo-galowy, arsen indowo-fosforowy i tak dalej. Istnieją trzy rodzaje trybów wzbudzenia lasera półprzewodnikowego, a mianowicie wtrysk elektryczny, pompa optyczna i wzbudzenie wiązką elektronów o wysokiej energii. Tryb wzbudzenia większości laserów półprzewodnikowych to wtrysk elektryczny, to znaczy napięcie przewodzenia jest przykładane do złącza Pn w celu wygenerowania wymuszonej emisji w obszarze płaszczyzny złącza, to znaczy jest to dioda spolaryzowana do przodu. Dlatego laser półprzewodnikowy jest również nazywany półprzewodnikową diodą laserową. W przypadku półprzewodników, ponieważ elektrony przechodzą między pasmami energii, a nie między dyskretnymi poziomami energii, energia przejścia nie jest określoną wartością, co powoduje, że wyjściowa długość fali lasera półprzewodnikowego rozciąga się w szerokim zakresie. Emitują fale o długości od 0,3 do 34μm. Zakres długości fali zależy od pasma wzbronionego zastosowanego materiału. Powszechny laser z podwójnym heterozłączem AlGaAs ma wyjściową długość fali 750 ~ 890 nm.

Technologia produkcji laserów półprzewodnikowych doświadczyła od metody dyfuzyjnej do epitaksji z fazy ciekłej (LPE), epitaksji z fazy gazowej (VPE), epitaksji z wiązek molekularnych (MBE), metody MOCVD (osadzanie z fazy gazowej metali organicznych), epitaksji z wiązek chemicznych (CBE) i ich różnych połączenie różnych procesów. Wadą lasera półprzewodnikowego jest to, że na wydajność lasera wpływa temperatura, a kąt rozbieżności wiązki jest duży (na ogół od kilku stopni do 20 stopni), więc ma słabą kierunkowość, właściwości monochromatyczne i spójność. Jednak wraz z szybkim rozwojem nauki i technologii badania laserów dpss postępują w kierunku głębokości, a wydajność lasera półprzewodnikowego stale się poprawia. Technologia optoelektroniki półprzewodnikowej z laserem półprzewodnikowym jako rdzeniem będzie czynić większe postępy i odgrywać większą rolę w społeczeństwie informacyjnym XXI wieku.

2. Zasada działania laserów półprzewodnikowych

Laser półprzewodnikowy jest koherentnym źródłem promieniowania. Aby wygenerować laser, muszą być spełnione trzy podstawowe warunki.

①Warunek wzmocnienia: ustalono rozkład inwersji nośników ładunku w ośrodku wzbudzenia (obszar aktywny). W półprzewodnikach energia elektronów jest reprezentowana przez serię prawie ciągłych poziomów energii. Osiąga się to poprzez zastosowanie polaryzacji do przodu do jednorodnego lub heterozłącza i wstrzyknięcie niezbędnych nośników ładunku do warstwy aktywnej w celu wzbudzenia elektronów z niższego pasma walencyjnego do wyższego pasma przewodnictwa. Emisja wymuszona występuje, gdy duża liczba elektronów w odwróconym stanie populacji cząstek rekombinuje z dziurami.

②aby rzeczywiście uzyskać spójne wzbudzone promieniowanie, należy wzbudzić promieniowanie w rezonatorze optycznym, aby uzyskać wiele informacji zwrotnych i utworzyć oscylację lasera, rezonator lasera jest tworzony przez naturalną powierzchnię cięcia kryształu półprzewodnika jako lustro, zwykle w końcu lekkiego poszycia na wielowarstwowej warstwie dielektrycznej o wysokiej odwróceniu i gładkiej powierzchni poszycia na zredukowanej odwrotnej warstwie. W przypadku lasera półprzewodnikowego z wnęką Fp (wnęka Fabry'ego-Perota), wnęka FP może być dogodnie skonstruowana przez naturalną płaszczyznę cięcia prostopadłą do płaszczyzny połączenia pn kryształu.

③Aby utworzyć stabilną oscylację, ośrodek laserowy musi być w stanie zapewnić wystarczające wzmocnienie, aby zrekompensować straty optyczne spowodowane przez wnękę rezonansową i wyjście lasera z powierzchni wnęki oraz stale zwiększać pole optyczne we wnęce. Wymaga to odpowiednio silnego wtrysku prądu, czyli wystarczającej inwersji liczby cząstek. Im wyższy stopień inwersji liczby cząstek, tym większe wzmocnienie, to znaczy musi być spełniony określony warunek progowy prądu. Kiedy laser osiąga próg, światło o określonej długości fali może rezonować we wnęce i być wzmacniane, a ostatecznie tworzyć laser i emitować w sposób ciągły. Można zauważyć, że przemiana dipolowa elektronu i dziury jest podstawowym procesem emisji i wzmacniania światła w laserach półprzewodnikowych. W przypadku nowego lasera półprzewodnikowego ogólnie przyjmuje się, że studnia kwantowa jest podstawową siłą napędową rozwoju laserów. Kwestia, czy druty i kropki kwantowe mogą w pełni wykorzystać efekty kwantowe, rozciągnęła się na całe stulecie. Naukowcy eksperymentowali z samoorganizującymi się strukturami, aby tworzyć kropki kwantowe w różnych materiałach, a kropki kwantowe GaInN zostały wykorzystane w laserach półprzewodnikowych.

Przeniesienie do częściⅡ rozumie jej historię i zastosowanie

Informacje kontaktowe:

Jeśli masz jakieś pomysły, możesz z nami porozmawiać. Bez względu na to, gdzie są nasi klienci i jakie są nasze wymagania, będziemy podążać za naszym celem, aby zapewnić naszym klientom wysoką jakość, niskie ceny i najlepszą obsługę.