Mi az a félvezető lézer?

A világ első félvezető lézerének 1962-es feltalálása óta a félvezető lézer óriási változásokon ment keresztül, nagymértékben elősegítve más tudományok és technológiák fejlődését, és a huszadik század egyik legnagyobb emberi találmányaként tartják számon. Az elmúlt tíz évben a félvezető lézerek gyorsabban fejlődtek, és a világ leggyorsabban növekvő lézertechnológiájává váltak. A félvezető lézerek alkalmazási köre lefedi az optoelektronika teljes területét, és napjaink optoelektronikai tudományának alaptechnológiájává vált. A kis méret, az egyszerű szerkezet, az alacsony bemeneti energia, a hosszú élettartam, a könnyű moduláció és az alacsony ár előnyei miatt a félvezető lézereket széles körben használják az optoelektronika területén, és a világ országaiban nagyra értékelik őket.

félvezető lézer
A félvezető lézeregy miniatürizált lézer, amely egy közvetlen sávszélességű félvezető anyagból álló Pn átmenetet vagy Pin átmenetet használ munkaanyagként. Több tucat félvezető lézeres munkaanyag létezik. A lézerekhez készült félvezető anyagok közé tartozik a gallium-arzenid, indium-arzenid, indium-antimonid, kadmium-szulfid, kadmium-tellurid, ólom-szelenid, ólom-tellurid, alumínium-gallium-arzenid, indium-foszfor, arzén stb. A félvezetők három fő gerjesztési módszere van. lézerek, nevezetesen elektromos befecskendezési típusú, optikai pumpás típusú és nagyenergiájú elektronsugaras gerjesztő típusú lézerek. A legtöbb félvezető lézer gerjesztési módszere az elektromos befecskendezés, vagyis a Pn átmenetre előremenő feszültséget kapcsolnak, hogy a csomóponti sík tartományában stimulált emissziót, azaz előre előfeszített diódát generáljanak. Ezért a félvezető lézereket félvezető lézerdiódáknak is nevezik. A félvezetők esetében, mivel az elektronok nem diszkrét energiaszintek, hanem energiasávok között mennek át, az átmeneti energia nem egy határozott érték, ami miatt a félvezető lézerek kimenő hullámhossza széles tartományban oszlik el. a tartományon. Az általuk kibocsátott hullámhossz 0,3 és 34 μm között van. A hullámhossz-tartományt a felhasznált anyag energiasávja határozza meg. A legelterjedtebb az AlGaAs kettős heterojunkciós lézer, amelynek kimeneti hullámhossza 750-890 nm.
A félvezető lézergyártás technológiája a diffúziós módszertől a folyadékfázisú epitaxiáig (LPE), gőzfázisú epitaxiáig (VPE), molekulasugaras epitaxiáig (MBE), MOCVD módszerig (fém szerves vegyületek gőzleválasztása), kémiai nyaláb epitaxiáig (CBE) tapasztalható. és ezek különféle kombinációi. A félvezető lézerek legnagyobb hátránya, hogy a lézerteljesítményt nagymértékben befolyásolja a hőmérséklet, valamint a sugár divergencia szöge nagy (általában néhány fok és 20 fok között van), ezért gyenge irányíthatóságban, monokromatikusságban és koherenciában. A tudomány és a technika rohamos fejlődésével azonban a félvezető lézerek kutatása a mélység irányába halad, a félvezető lézerek teljesítménye pedig folyamatosan javul. A félvezető lézeres maggal rendelkező félvezető optoelektronikai technológia nagyobb fejlődést fog elérni, és nagyobb szerepet fog játszani a 21. század információs társadalmában.

Hogyan működnek a félvezető lézerek?
A félvezető lézerkoherens sugárforrás. A lézerfény előállításához három alapvető feltételnek kell teljesülnie:
1. Erősítési feltétel: A hordozók inverziós eloszlása ​​a lézeres közegben (aktív régióban) létrejön. A félvezetőben az elektronenergiát reprezentáló energiasáv a folytonoshoz közeli energiaszintek sorozatából áll. Ezért a félvezetőben A populációinverzió eléréséhez a nagyenergiájú állapot vezetési sávjának alján lévő elektronok számának sokkal nagyobbnak kell lennie, mint a kisenergiás állapot vegyértéksávjának tetején lévő lyukak számának. állapot a két energiasáv régiója között. A heterojunkció előre feszített, hogy a szükséges hordozókat injektálja az aktív rétegbe, hogy az elektronokat az alacsonyabb energiájú vegyértéksávból a nagyobb energiájú vezetési sávba gerjesztse. Stimulált emisszió akkor következik be, amikor a populációinverzió állapotában lévő elektronok nagy száma rekombinálódik lyukakkal.
2. Ahhoz, hogy ténylegesen koherens stimulált sugárzást kapjunk, a stimulált sugárzást többször vissza kell vezetni az optikai rezonátorba, hogy lézeres oszcillációt hozzunk létre. A lézerrezonátort a félvezető kristály természetes hasadási felülete alkotja, mint tükör, általában a A fényt nem kibocsátó véget nagy visszaverődésű többrétegű dielektromos filmmel vonják be, a fénykibocsátó felületet pedig anti- reflexiós film. Az F-p üreges (Fabry-Perot cavity) félvezető lézer esetében az F-p üreg könnyen kialakítható a kristály természetes hasítási síkjának felhasználásával, amely merőleges a p-n csatlakozási síkra.
3. A stabil oszcilláció kialakításához a lézerközegnek kellően nagy erősítést kell biztosítania ahhoz, hogy kompenzálja a rezonátor okozta optikai veszteséget és az üreg felületéről a lézerkimenet által okozott veszteséget stb., és folyamatosan növeli az optikai mezőt az üregben. Ehhez kellően erős árambefecskendezés kell, vagyis elegendő populációinverzió van, minél nagyobb a populációinverzió mértéke, annál nagyobb a kapott nyereség, vagyis egy bizonyos áramküszöb feltételt kell teljesíteni. Amikor a lézer eléri a küszöböt, a meghatározott hullámhosszú fény rezonálhat az üregben és felerősödhet, végül lézert alkothat és folyamatosan bocsáthat ki. Látható, hogy a félvezető lézerekben az elektronok és a lyukak dipólusátmenete a fénykibocsátás és a fényerősítés alapvető folyamata. Az új félvezető lézerek esetében jelenleg elismert tény, hogy a kvantumkutak a félvezető lézerek fejlesztésének alapvető hajtóereje. Azt, hogy a kvantumhuzalok és kvantumpontok teljes mértékben ki tudják-e használni a kvantumeffektusokat, e századra kiterjesztették. A tudósok önszerveződő struktúrák segítségével próbáltak kvantumpontokat létrehozni különféle anyagokban, a GaInN kvantumpontokat pedig félvezető lézerekben használták.

A félvezető lézerek fejlődéstörténete
Azfélvezető lézerekAz 1960-as évek elején a homojunkciós lézerek voltak, amelyek egy anyagból készült pn átmenet diódák voltak. Az előremenő nagyáram-injektálás során az elektronok folyamatosan injektálódnak a p tartományba, és a lyukak az n tartományba. Ezért a vivőeloszlás megfordítása az eredeti pn átmenet kimerülési tartományban valósul meg. Mivel az elektronok vándorlási sebessége gyorsabb, mint a lyukaké, az aktív tartományban sugárzás és rekombináció megy végbe, és fluoreszcencia bocsát ki. lézer, egy félvezető lézer, amely csak impulzusokban tud működni. A félvezető lézerek fejlesztésének második állomása a heterostrukturális félvezető lézer, amely két vékony félvezető anyagból, különböző sávközökkel, például GaAs-ból és GaAlA-ból áll, és először jelent meg (1969) az egyetlen heteroszerkezetű lézer. Az egyszeres heterojunkciós befecskendező lézer (SHLD) a GaAsP-N átmenet p tartományán belül van, hogy csökkentse a küszöbáram-sűrűséget, ami egy nagyságrenddel kisebb, mint a homojunkciós lézeré, de az egyetlen heterojunkciós lézer továbbra sem tud folyamatosan dolgozni szobahőmérséklet.
Az 1970-es évek végétől a félvezető lézerek nyilvánvalóan két irányban fejlődtek, az egyik az információ alapú lézer az információ továbbítására, a másik a teljesítmény alapú lézer az optikai teljesítmény növelésére. Olyan alkalmazások hajtják, mint a pumpás szilárdtestlézerek, nagy teljesítményű félvezető lézerek (a 100 mw-nál nagyobb folyamatos kimeneti teljesítményt és az 5 W-ot meghaladó impulzuskimeneti teljesítményt nagy teljesítményű félvezető lézereknek nevezhetjük).
Az 1990-es években megtörtént az áttörés, amelyet a félvezető lézerek kimenő teljesítményének jelentős növekedése, a nagy teljesítményű félvezető lézerek kilowatt szintű külföldön történő kereskedelmi forgalomba hozatala, valamint a hazai mintakészülékek 600 W-ot elérő teljesítménye jellemez. A lézersáv kiterjesztése szempontjából először az infravörös félvezető lézereket, majd a 670 nm-es vörös félvezető lézereket alkalmazták széles körben. Aztán a 650 nm-es és 635 nm-es hullámhosszúság megjelenésével a kék-zöld és a kék fényű félvezető lézereket is egymás után sikerrel fejlesztették ki. 10 mW-os nagyságrendű lila, sőt ultraibolya félvezető lézereket is fejlesztenek. A felszíni kibocsátó lézerek és a függőleges üreges felületkibocsátó lézerek az 1990-es évek végén gyorsan fejlődtek, és a szuperpárhuzamos optoelektronikában számos alkalmazást fontolóra vettek. A 980 nm-es, 850 nm-es és 780 nm-es készülékek már praktikusak az optikai rendszerekben. Jelenleg a Gigabit Ethernet nagysebességű hálózataiban függőleges üreges felületet kibocsátó lézereket használnak.

Félvezető lézerek alkalmazásai
A félvezető lézerek a lézerek egy osztálya, amelyek korábban érnek és gyorsabban fejlődnek. Széles hullámhossz-tartományuk, egyszerű gyártásuk, alacsony költségük és könnyű tömeggyártásuk, valamint kis méretük, könnyű súlyuk és hosszú élettartamuk miatt gyorsan fejlődnek a fajtákban és az alkalmazásokban. Széles választék, jelenleg több mint 300 faj.

1. Ipari és technológiai alkalmazás
1) Optikai szálas kommunikáció.Félvezető lézeraz egyetlen praktikus fényforrás az optikai szálas kommunikációs rendszerekhez, és az optikai szálas kommunikáció a kortárs kommunikációs technológia fő áramlatává vált.
2) Lemezhozzáférés. A félvezető lézereket optikai lemezmemóriában alkalmazták, legnagyobb előnye, hogy nagy mennyiségű hang-, szöveg- és képinformációt tárol. A kék és zöld lézerek használata nagymértékben javíthatja az optikai lemezek tárolási sűrűségét.
3) Spektrális elemzés. A távoli infravörös hangolható félvezető lézereket környezeti gázelemzésre, légszennyezettség, gépjárművek kipufogógázainak stb. monitorozására használták. Az iparban használható a gőzlerakódás folyamatának nyomon követésére.
4) Optikai információfeldolgozás. A félvezető lézereket optikai információs rendszerekben használták. A felületet kibocsátó félvezető lézerek kétdimenziós tömbjei ideális fényforrások az optikai párhuzamos feldolgozó rendszerek számára, amelyeket számítógépekben és optikai neurális hálózatokban használnak majd.
5) Lézeres mikrogyártás. A Q-kapcsolt félvezető lézerek által generált nagyenergiájú ultrarövid fényimpulzusok segítségével integrált áramkörök vághatók, lyukaszthatók stb.
6) Lézeres riasztó. A félvezető lézeres riasztókat széles körben használják, beleértve a betörésjelzőket, a vízszintjelzőket, a járművek távolságjelzőit stb.
7) Lézernyomtatók. A lézernyomtatókban nagy teljesítményű félvezető lézereket használtak. A kék és zöld lézerek használata nagymértékben javíthatja a nyomtatási sebességet és a felbontást.
8) Lézeres vonalkód-leolvasó. A félvezető lézeres vonalkód-leolvasókat széles körben alkalmazzák az áruk értékesítésében, valamint a könyvek és archívumok kezelésében.
9) Szilárdtest-lézerek szivattyúzása. Ez a nagy teljesítményű félvezető lézerek fontos alkalmazása. Az eredeti atmoszféra lámpa cseréjére használva teljes szilárdtest-lézerrendszert alakíthatunk ki.
10) Nagy felbontású lézer TV. A közeljövőben a katódsugárcsövek nélküli félvezető lézertelevíziók, amelyek vörös, kék és zöld lézert használnak, a becslések szerint 20 százalékkal kevesebb energiát fogyasztanak, mint a meglévő tévék.

2. Alkalmazások az orvosi és élettudományi kutatásban
1) Lézeres műtét.Félvezető lézereklágyrész ablációra, szövetkötésre, koagulációra és párologtatásra használták. Ezt a technikát széles körben alkalmazzák az általános sebészetben, plasztikai sebészetben, bőrgyógyászatban, urológiában, szülészet-nőgyógyászatban stb.
2) Lézeres dinamikus terápia. A daganathoz affinitással rendelkező fényérzékeny anyagok szelektíven felhalmozódnak a rákos szövetben, és a rákos szövetet félvezető lézerrel besugározzák, hogy reaktív oxigénfajtákat állítsanak elő, hogy az egészséges szövet károsítása nélkül nekrotikussá tegyék.
3) Élettudományi kutatás. Az "optikai csipesz" segítségévelfélvezető lézerek, lehetőség van élő sejtek vagy kromoszómák befogására és bármilyen pozícióba mozgatására. A sejtszintézis és a sejtkölcsönhatás-vizsgálatok elősegítésére használták, és diagnosztikai technológiaként is használható igazságügyi bizonyítékok gyűjtéséhez.