Professionaalsed teadmised

Mis on pooljuhtlaser?

2022-01-13
Alates maailma esimese pooljuhtlaseri leiutamisest 1962. aastal on pooljuhtlaser teinud läbi tohutuid muutusi, mis on oluliselt edendanud muu teaduse ja tehnoloogia arengut ning seda peetakse üheks suurimaks inimlikuks leiutiseks 20. sajandil. Viimase kümne aasta jooksul on pooljuhtlaserid arenenud kiiremini ja neist on saanud kõige kiiremini arenev lasertehnoloogia maailmas. Pooljuhtlaserite kasutusvaldkond hõlmab kogu optoelektroonika valdkonda ja sellest on saanud tänapäeva optoelektroonika teaduse põhitehnoloogia. Tänu väikestele mõõtmetele, lihtsale struktuurile, väikese sisendenergia, pika eluea, lihtsa modulatsiooni ja madala hinna eelistele kasutatakse pooljuhtlasereid optoelektroonika valdkonnas laialdaselt ja neid on kõrgelt hinnanud riigid üle kogu maailma.

pooljuhtlaser
A pooljuhtlaseron miniatuurne laser, mis kasutab tööainena otsese ribalaiusega pooljuhtmaterjalist koosnevat Pn-siirde või pin-liidet. Pooljuhtlaseriga töömaterjale on kümneid. Laseriteks valmistatud pooljuhtmaterjalide hulka kuuluvad galliumarseniid, indiumarseniid, indiumantimoniid, kaadmiumsulfiid, kaadmiumtelluriid, pliiseleniid, pliitelluriid, alumiiniumgalliumarseniid, indiumfosfor, arseen jne. Pooljuhtidel on kolm peamist ergastusmeetodit. laserid, nimelt elektrisüsti tüüpi, optilise pumba tüüpi ja suure energiaga elektronkiire ergastusega tüüpi laserid. Enamiku pooljuhtlaserite ergastusmeetod on elektriline süstimine, see tähendab, et Pn-siirdele rakendatakse päripinget, et tekitada ristmiku tasapinna piirkonnas stimuleeritud emissioon, st päripingega diood. Seetõttu nimetatakse pooljuhtlasereid ka pooljuhtlaserdioodideks. Pooljuhtide puhul, kuna elektronid liiguvad pigem energiaribade kui diskreetsete energiatasemete vahel, ei ole üleminekuenergia kindel väärtus, mistõttu pooljuhtlaserite väljundlainepikkus hajub laias vahemikus. vahemikus. Nende kiirgavad lainepikkused on vahemikus 0,3 kuni 34 μm. Lainepikkuse vahemik määratakse kasutatava materjali energiariba vahega. Levinuim on AlGaAs topelt heterosiirdeline laser, mille väljundlainepikkus on 750-890 nm.
Pooljuhtlaserite valmistamise tehnoloogiat on kasutatud difusioonimeetodist vedelfaasi epitaksiini (LPE), aurufaasi epitaksia (VPE), molekulaarkiire epitaksia (MBE), MOCVD-meetodi (metalli orgaaniliste ühendite aurustamine-sadestamine), keemilise kiirepitaksia (CBE) ) ja nende erinevad kombinatsioonid. Pooljuhtlaserite suurim miinus on see, et laseri jõudlust mõjutab suuresti temperatuur ning kiire lahknemisnurk on suur (tavaliselt mõne kraadi ja 20 kraadi vahel), mistõttu on see suunatavuse, monokromaatilisuse ja koherentsuse poolest halb. Teaduse ja tehnoloogia kiire arenguga aga edeneb pooljuhtlaserite uurimine sügavuse suunas ning pooljuhtlaserite jõudlus paraneb pidevalt. Pooljuht-optoelektrooniline tehnoloogia, mille südamikuks on pooljuhtlaser, teeb 21. sajandi infoühiskonnas suuremat edu ja mängib suuremat rolli.

Kuidas pooljuhtlaserid töötavad?
A pooljuhtlaseron koherentne kiirgusallikas. Laservalguse tekitamiseks peavad olema täidetud kolm põhitingimust:
1. Võimendustingimus: Laserkeskkonnas (aktiivses piirkonnas) on kindlaks tehtud kandjate inversioonijaotus. Pooljuhis koosneb elektronide energiat esindav energiariba mitmest energiatasemest, mis on peaaegu pidevas. Seetõttu peab pooljuhis populatsiooni inversiooni saavutamiseks elektronide arv suure energiaga oleku juhtivusriba allosas olema palju suurem kui madala energiaga oleku valentsriba ülaosas olevate aukude arv. olek kahe energiariba piirkonna vahel. Heteroristmik on ettepoole kallutatud, et süstida aktiivsesse kihti vajalikke kandjaid, et ergutada elektronid madalama energiaga valentsribast kõrgema energiaga juhtivusribale. Stimuleeritud emissioon tekib siis, kui suur hulk elektrone rekombineerub populatsiooni inversiooni olekus aukudega.
2. Et saada koherentset stimuleeritud kiirgust, tuleb stimuleeritud kiirgus mitu korda optilises resonaatoris tagasi suunata, et tekitada laservõnkumine. Laserresonaatori moodustab pooljuhtkristalli loomulik lõhenemispind peeglina, tavaliselt valgust mitte kiirgav ots on kaetud suure peegeldusega mitmekihilise dielektrilise kilega ja valgust kiirgav pind on kaetud anti- peegelduskile. F-p õõnsuse (Fabry-Perot õõnsuse) pooljuhtlaseri jaoks saab F-p õõnsust hõlpsasti moodustada, kasutades kristalli loomulikku lõhenemistasapinda, mis on risti p-n ristmikutasandiga.
3. Stabiilse võnkumise moodustamiseks peab laserikandja suutma anda piisavalt suurt võimendust, et kompenseerida resonaatorist põhjustatud optilist kadu ja laseri väljundist õõnsuse pinnalt vms põhjustatud kadu ning pidevalt suurendada optilist välja õõnsuses. Selleks on vaja piisavalt tugevat voolusüsti ehk siis on piisavalt populatsiooni inversiooni, mida suurem on populatsiooni inversiooni aste, seda suurem on saadav võimendus ehk siis peab olema täidetud teatud voolulävitingimus. Kui laser jõuab läviväärtuseni, võib kindla lainepikkusega valgus õõnsuses resoneerida ja võimenduda ning lõpuks moodustada laseri ja anda pidevat väljundit. On näha, et pooljuhtlaserites on elektronide ja aukude dipoolüleminek valguse emissiooni ja valguse võimendamise põhiprotsess. Uute pooljuhtlaserite puhul on praegu tunnistatud, et kvantkaevud on pooljuhtlaserite väljatöötamise põhiline liikumapanev jõud. Seda, kas kvantjuhtmed ja kvantpunktid saavad kvantefekte täielikult ära kasutada, on pikendatud käesoleva sajandini. Teadlased on püüdnud kasutada iseorganiseerunud struktuure erinevatesse materjalidesse kvantpunktide loomiseks ja GaInN kvantpunkte on kasutatud pooljuhtlaserites.

Pooljuhtlaserite arengulugu
Thepooljuhtlaserid1960. aastate alguses olid homoliidese laserid, mis olid ühel materjalil valmistatud pn-siirde dioodid. Suure ettepoole suunatud voolu süstimise korral süstitakse elektrone pidevalt p piirkonda ja auke süstitakse pidevalt n piirkonda. Seetõttu realiseeritakse kandjajaotuse ümberpööramine algses pn-siirde ammendumise piirkonnas. Kuna elektronide migratsioonikiirus on suurem kui aukudel, toimub aktiivses piirkonnas kiirgus ja rekombinatsioon ning eraldub fluorestsents. laser, pooljuhtlaser, mis suudab töötada ainult impulsside teel. Pooljuhtlaserite arendamise teiseks etapiks on heterostruktuuriga pooljuhtlaser, mis koosneb kahest õhukesest erineva ribalaiusega pooljuhtmaterjalide kihist, nagu GaAs ja GaAlAs, ning üks heterostruktuuriline laser ilmus esmakordselt (1969). Üksik heterosiirdeline süstimislaser (SHLD) on GaAsP-N ristmiku p-piirkonnas, et vähendada lävivoolutihedust, mis on suurusjärgu võrra madalam kui homoühenduslaseri oma, kuid üksik heterosiirdelaser ei saa siiski töötada. toatemperatuuril.
Alates 1970. aastate lõpust on pooljuhtlaserid ilmselgelt arenenud kahes suunas, üks on infopõhine laser info edastamise eesmärgil ja teine ​​võimsusel põhinev laser optilise võimsuse suurendamiseks. Ajendatuna sellistest rakendustest nagu pumbatavad pooljuhtlaserid, suure võimsusega pooljuhtlaserid (pidev väljundvõimsus üle 100 mw ja impulsi väljundvõimsus üle 5 W võib nimetada suure võimsusega pooljuhtlaseriteks).
1990. aastatel tehti läbimurre, mida iseloomustas pooljuhtlaserite väljundvõimsuse märkimisväärne kasv, suure võimsusega pooljuhtlaserite kommertsialiseerimine kilovati tasemel välismaal ning kodumaiste näidisseadmete võimsus 600W-ni. Laserriba laiendamise seisukohast kasutati laialdaselt esmalt infrapuna-pooljuhtlasereid, millele järgnesid 670 nm punased pooljuhtlaserid. Seejärel, 650 nm ja 635 nm lainepikkuste tulekuga, töötati üksteise järel edukalt välja ka sinakasrohelised ja sinise valgusega pooljuhtlaserid. Samuti töötatakse välja violetseid ja isegi ultraviolettkiirgusega pooljuhtlasereid suurusjärgus 10 mW. Pinda kiirgavad laserid ja vertikaalse õõnsusega pinda kiirgavad laserid on 1990. aastate lõpus kiiresti arenenud ning üliparalleelse optoelektroonika valdkonnas on kaalutud mitmesuguseid rakendusi. 980nm, 850nm ja 780nm seadmed on optilistes süsteemides juba praktilised. Praegu on Gigabit Etherneti kiiretes võrkudes kasutatud vertikaalsete õõnsuste pinda kiirgavaid lasereid.

Pooljuhtlaserite rakendused
Pooljuhtlaserid on laserite klass, mis valmivad varem ja arenevad kiiremini. Tänu nende laiale lainepikkuse vahemikule, lihtsale tootmisele, madalatele kuludele ja lihtsale masstootmisele ning nende väiksusele, kergele kaalule ja pikale elueale on nende sortide ja rakenduste osas kiire areng. Lai valik, praegu üle 300 liigi.

1. Rakendus tööstuses ja tehnoloogias
1) Kiudoptiline side.Pooljuhtlaseron kiudoptilise sidesüsteemi ainus praktiline valgusallikas ja kiudoptilisest sidest on saanud kaasaegse sidetehnoloogia peavool.
2) Plaadi juurdepääs. Pooljuhtlasereid on kasutatud optilise ketta mälus ja selle suurim eelis on see, et see salvestab suure hulga heli-, teksti- ja pildiinfot. Siniste ja roheliste laserite kasutamine võib oluliselt parandada optiliste ketaste salvestustihedust.
3) Spektraalanalüüs. Kaug-infrapuna-häälestatavaid pooljuhtlasereid on kasutatud ümbritseva gaasi analüüsimisel, õhusaaste, autode heitgaaside jms jälgimisel. Seda saab kasutada tööstuses aur-sadestamise protsessi jälgimiseks.
4) Optiline infotöötlus. Pooljuhtlasereid on kasutatud optilistes infosüsteemides. Pinda kiirgavate pooljuhtlaserite kahemõõtmelised massiivid on ideaalsed valgusallikad optiliste paralleeltöötlussüsteemide jaoks, mida hakatakse kasutama arvutites ja optilistes närvivõrkudes.
5) Laseri mikrotööstus. Q-lülitusega pooljuhtlaserite tekitatud suure energiaga ülilühikeste valgusimpulsside abil saab integraallülitusi lõigata, mulgustada jne.
6) Laseralarm. Pooljuhtlaserhäireid kasutatakse laialdaselt, sealhulgas sissemurdmishäireid, veetaseme häireid, sõidukite kaugushäireid jne.
7) Laserprinterid. Laserprinterites on kasutatud suure võimsusega pooljuhtlasereid. Sinise ja rohelise laseri kasutamine võib oluliselt parandada printimiskiirust ja eraldusvõimet.
8) Laser vöötkoodi skanner. Pooljuhtlaser-triipkoodiskannereid on laialdaselt kasutatud kaupade müügil ning raamatute ja arhiivide haldamisel.
9) Pumba tahkislaserid. See on suure võimsusega pooljuhtlaserite oluline rakendus. Selle kasutamine algse atmosfäärilambi asendamiseks võib moodustada tahkislasersüsteemi.
10) Kõrglahutusega laserteleviisor. Lähitulevikus tarbivad punast, sinist ja rohelist laserit kasutavad elektronkiiretorudeta pooljuhtlasertelerid hinnanguliselt 20 protsenti vähem energiat kui olemasolevad telerid.

2. Rakendused meditsiini- ja bioteaduslikes uuringutes
1) Laserkirurgia.Pooljuhtlaseridon kasutatud pehmete kudede ablatsiooniks, kudede sidumiseks, koagulatsiooniks ja aurustamiseks. Seda tehnikat kasutatakse laialdaselt üldkirurgias, plastilises kirurgias, dermatoloogias, uroloogias, sünnitusabis ja günekoloogias jne.
2) Laserdünaamiline teraapia. Kasvaja suhtes afiinsed valgustundlikud ained akumuleeruvad selektiivselt vähikoesse ja vähikudet kiiritatakse pooljuhtlaseriga, et tekitada reaktiivseid hapniku liike, mille eesmärk on muuta see nekrootiliseks ilma tervet kudet kahjustamata.
3) Bioteaduslikud uuringud. Kasutades "optilisi pintsetid".pooljuhtlaserid, on võimalik püüda elusaid rakke või kromosoome ja liigutada need mis tahes asendisse. Seda on kasutatud rakkude sünteesi ja rakkude interaktsiooni uuringute edendamiseks ning seda saab kasutada ka kohtuekspertiisi tõendite kogumise diagnostilise tehnoloogiana.