Mikä on puolijohdelaser?

Sen jälkeen kun maailman ensimmäinen puolijohdelaser keksittiin vuonna 1962, puolijohdelaser on kokenut valtavia muutoksia, mikä on edistänyt suuresti muun tieteen ja teknologian kehitystä, ja sitä pidetään yhtenä 1900-luvun suurimmista ihmisen keksinnöistä. Viimeisen kymmenen vuoden aikana puolijohdelaserit ovat kehittyneet nopeammin ja niistä on tullut maailman nopeimmin kasvava lasertekniikka. Puolijohdelaserien sovellusalue kattaa koko optoelektroniikan alan ja siitä on tullut nykypäivän optoelektroniikan ydinteknologia. Pienen koon, yksinkertaisen rakenteen, alhaisen syöttöenergian, pitkän käyttöiän, helpon moduloinnin ja alhaisen hinnan etujen ansiosta puolijohdelasereita käytetään laajalti optoelektroniikan alalla, ja maat ympäri maailmaa ovat arvostaneet niitä.

puolijohdelaser
A puolijohdelaseron pienikokoinen laser, joka käyttää työaineena Pn-liitosta tai Pin-liitosta, joka koostuu suorakaistaisesta puolijohdemateriaalista. Puolijohdelasertyömateriaaleja on kymmeniä. Lasereiksi valmistettuja puolijohdemateriaaleja ovat galliumarsenidi, indiumarsenidi, indiumantimonidi, kadmiumsulfidi, kadmiumtelluridi, lyijyselenidi, lyijy-telluridi, alumiinigalliumarsenidi, indiumfosfori, arseeni jne. Puolijohteiden viritysmenetelmiä on kolme pääasiallista. laserit, nimittäin sähköinen injektiotyyppi, optinen pumpputyyppi ja suurienerginen elektronisuihkuviritystyyppi. Useimpien puolijohdelasereiden viritysmenetelmä on sähköinen injektio, toisin sanoen Pn-liitokseen kohdistetaan eteenpäin suunnattu jännite stimuloidun emission muodostamiseksi liitostason alueella, eli eteenpäin suuntautuva diodi. Siksi puolijohdelasereita kutsutaan myös puolijohdelaserdiodeiksi. Puolijohteille, koska elektronit siirtyvät energiakaistojen välillä erillisten energiatasojen sijaan, siirtymäenergia ei ole varma arvo, mikä saa puolijohdelasereiden lähtöaallonpituuden leviämään laajalle alueelle. alueella. Niiden lähettämät aallonpituudet ovat 0,3-34 μm. Aallonpituusalue määräytyy käytetyn materiaalin energiakaistavälin mukaan. Yleisin on AlGaAs kaksoisheteroliitoslaser, jonka lähtöaallonpituus on 750-890 nm.
Puolijohdelaservalmistustekniikka on kokenut diffuusiomenetelmästä nestefaasiepitaksiaan (LPE), höyryfaasiepitaksiaan (VPE), molekyylisuihkuepitaksiin (MBE), MOCVD-menetelmään (metallin orgaanisten yhdisteiden höyrypinnoitus), kemialliseen sädeepitaksiin (CBE) ) ja niiden erilaisia ​​yhdistelmiä. Puolijohdelasereiden suurin haitta on, että lämpötila vaikuttaa suuresti laserin suorituskykyyn ja säteen hajaantumiskulma on suuri (yleensä muutaman asteen ja 20 asteen välillä), joten se on huono suuntaavuuden, monokromaattisuuden ja koherenssin suhteen. Tieteen ja tekniikan nopean kehityksen myötä puolijohdelaserien tutkimus kuitenkin etenee syvyyden suuntaan, ja puolijohdelasereiden suorituskyky paranee jatkuvasti. Puolijohde-optoelektroninen teknologia, jonka ytimenä on puolijohdelaser, edistyy ja tulee olemaan suurempi rooli 2000-luvun tietoyhteiskunnassa.

Kuinka puolijohdelaserit toimivat?
A puolijohdelaseron koherentti säteilylähde. Jotta se tuottaisi laservaloa, kolmen perusedellytyksen on täytyttävä:
1. Vahvistusehto: Kantoaaltojen inversiojakauma laserväliaineessa (aktiivinen alue) on määritetty. Puolijohteessa elektronienergiaa edustava energiakaista koostuu sarjasta energiatasoja, jotka ovat lähellä jatkuvia. Siksi puolijohteessa populaation inversion saavuttamiseksi korkeaenergisen tilan johtavuuskaistan alaosassa olevien elektronien lukumäärän on oltava paljon suurempi kuin pienienergisen tilan valenssikaistan yläosassa olevien reikien lukumäärä. tilaa kahden energiakaistan välillä. Heteroristikko on biasoitu eteenpäin injektoimaan tarvittavat kantoaineet aktiiviseen kerrokseen elektronien virittämiseksi alhaisemman energian valenssikaistalta korkeamman energian johtavuuskaistalle. Stimuloitu emissio tapahtuu, kun suuri määrä elektroneja populaatioinversion tilassa yhdistyy uudelleen reikiin.
2. Koherentin stimuloidun säteilyn saamiseksi stimuloitua säteilyä on syötettävä takaisin useita kertoja optisessa resonaattorissa laservärähtelyn muodostamiseksi. Laserresonaattori muodostuu puolijohdekiteen luonnollisesta halkeamispinnasta peilinä, yleensä valoa emittoimaton pää on päällystetty heijastavalla monikerroksisella dielektrisellä kalvolla ja valoa emittoiva pinta on päällystetty anti- heijastuskalvo. F-p-ontelo (Fabry-Perot-onkalo) puolijohdelaserille F-p-ontelo voidaan muodostaa helposti käyttämällä p-n-liitostasoon nähden kohtisuorassa olevaa kiteen luonnollista katkaisutasoa.
3. Stabiilin värähtelyn muodostamiseksi laserväliaineen on kyettävä antamaan riittävän suuri vahvistus kompensoimaan resonaattorin aiheuttama optinen häviö ja laserlähdön aiheuttama häviö ontelon pinnasta jne., ja jatkuvasti lisää optista kenttää ontelossa. Tämä edellyttää riittävän vahvaa virtainjektiota, eli populaatioinversiota on riittävästi, mitä korkeampi populaatioinversion aste on, sitä suurempi on saatu vahvistus, eli tietty virrankynnysehto on täytettävä. Kun laser saavuttaa kynnyksen, tietyn aallonpituuden omaava valo voi resonoida onkalossa ja vahvistua, ja lopulta muodostaa laserin ja tuottaa jatkuvasti. Voidaan nähdä, että puolijohdelasereissa elektronien ja reikien dipolisiirtymä on valoemission ja valon vahvistuksen perusprosessi. Uusien puolijohdelasereiden osalta tällä hetkellä tiedetään, että kvanttikuopat ovat puolijohdelaserien kehittämisen perustavanlaatuinen liikkeellepaneva voima. Tälle vuosisadalle on jatkettu, voivatko kvanttilangat ja kvanttipisteet hyödyntää kvanttivaikutuksia täysimääräisesti. Tiedemiehet ovat yrittäneet käyttää itseorganisoituneita rakenteita kvanttipisteiden tekemiseen erilaisissa materiaaleissa, ja GaInN-kvanttipisteitä on käytetty puolijohdelasereissa.

Puolijohdelaserien kehityshistoria
Thepuolijohdelaserit1960-luvun alussa olivat homoliitoslasereita, jotka olivat yhdestä materiaalista valmistettuja pn-liitosdiodeja. Eteenpäin suunnatun suuren virran injektoinnin alla elektroneja ruiskutetaan jatkuvasti p-alueelle ja reikiä jatkuvasti n-alueelle. Siksi kantoaaltojakauman inversio toteutetaan alkuperäisellä pn-liitoksen tyhjennysalueella. Koska elektronien vaellusnopeus on nopeampi kuin reikien, aktiivisella alueella tapahtuu säteilyä ja rekombinaatiota ja emittoidaan fluoresenssia. Lasing, puolijohdelaser, joka voi toimia vain pulsseina. Puolijohdelasereiden kehityksen toinen vaihe on heterorakennepuolijohdelaser, joka koostuu kahdesta ohuesta kerroksesta puolijohdemateriaaleja, joilla on erilaiset kaistavälit, kuten GaAs ja GaAlA, ja yksi heterorakennelaser ilmestyi ensimmäisen kerran (1969). Yksittäinen heteroliitosinjektiolaser (SHLD) on GaAsP-N-liitoksen p-alueella vähentämään kynnysvirrantiheyttä, joka on suuruusluokkaa pienempi kuin homoliitoslaserin, mutta yksittäinen heteroliitoslaser ei silti voi toimia jatkuvasti huonelämpötila.
1970-luvun lopulta lähtien puolijohdelaserit ovat ilmeisesti kehittyneet kahteen suuntaan, joista toinen on informaatiopohjainen laser tiedon välittämiseen ja toinen tehopohjainen laser optisen tehon lisäämiseen. Ohjaavat sovellukset, kuten pumpatut puolijohdelaserit, suuritehoiset puolijohdelaserit (yli 100 mw jatkuvaa lähtötehoa ja yli 5 W:n pulssilähtötehoa voidaan kutsua suuritehoisiksi puolijohdelasereiksi).
1990-luvulla tehtiin läpimurto, jota leimasivat puolijohdelasereiden lähtötehon merkittävä kasvu, suuritehoisten puolijohdelasereiden kaupallistaminen kilowattitasolla ulkomaille sekä kotimaisten näytelaitteiden teho 600 wattiin. Laserkaistan laajentamisen näkökulmasta ensimmäiset infrapunapuolijohdelaserit ja sen jälkeen 670nm punaiset puolijohdelaserit käytettiin laajalti. Sitten, kun aallonpituudet 650 nm ja 635 nm, sinivihreitä ja sinivaloisia puolijohdelasereita kehitettiin myös menestyksekkäästi peräkkäin. Myös violetteja ja jopa ultraviolettipuolijohdelasereita, joiden teho on 10 mW, kehitetään. Pinta-emittoivat laserit ja pystysuora-ontelo-pintaa emittoivat laserit ovat kehittyneet nopeasti 1990-luvun lopulla, ja erilaisia ​​superrinnakkaisoptoelektroniikan sovelluksia on harkittu. 980nm, 850nm ja 780nm laitteet ovat jo käytännöllisiä optisissa järjestelmissä. Tällä hetkellä nopeissa Gigabit Ethernet -verkoissa on käytetty pystysuoraa kaviteettipintaa emittoivia lasereita.

Puolijohdelaserien sovellukset
Puolijohdelaserit ovat luokka lasereita, jotka kypsyvät aikaisemmin ja edistyvät nopeammin. Laajan aallonpituusalueensa, yksinkertaisen tuotannon, alhaisten kustannusten ja helpon massatuotannon sekä pienen koon, keveyden ja pitkän käyttöiän vuoksi ne kehittyvät nopeasti lajikkeissa ja sovelluksissa. Laaja valikoima, tällä hetkellä yli 300 lajia.

1. Sovellus teollisuudessa ja tekniikassa
1) Optinen kuituviestintä.Puolijohdelaseron ainoa käytännöllinen valonlähde optiseen kuituviestintäjärjestelmään, ja valokuituviestinnästä on tullut nykyajan viestintätekniikan valtavirta.
2) Levyn käyttö. Puolijohdelasereita on käytetty optisessa levymuistissa, ja sen suurin etu on, että se tallentaa suuren määrän ääni-, teksti- ja kuvainformaatiota. Sinisten ja vihreiden laserien käyttö voi parantaa huomattavasti optisten levyjen tallennustiheyttä.
3) Spektrianalyysi. Kauko-infrapunaviritettävät puolijohdelaserit on käytetty ympäristön kaasuanalyysissä, ilmansaasteiden, autojen pakokaasujen jne. seurannassa. Sitä voidaan käyttää teollisuudessa höyrypinnoitusprosessin seuraamiseen.
4) Optinen tietojenkäsittely. Puolijohdelasereita on käytetty optisissa tietojärjestelmissä. Kaksiulotteiset pintaa emittoivien puolijohdelaserien ryhmät ovat ihanteellisia valonlähteitä optisille rinnakkaiskäsittelyjärjestelmille, joita käytetään tietokoneissa ja optisissa hermoverkoissa.
5) Lasermikrovalmistus. Q-kytkettyjen puolijohdelasereiden tuottamien korkeaenergisten ultralyhyiden valopulssien avulla integroituja piirejä voidaan leikata, lävistää jne.
6) Laserhälytys. Puolijohdelaserhälyttimet ovat laajalti käytössä, mukaan lukien murtohälyttimet, vesitasohälyttimet, ajoneuvojen etäisyyshälyttimet jne.
7) Lasertulostimet. Lasertulostimissa on käytetty suuritehoisia puolijohdelasereita. Sinisten ja vihreiden laserien käyttö voi parantaa huomattavasti tulostusnopeutta ja resoluutiota.
8) Laserviivakoodilukija. Puolijohdelaserviivakoodiskannereita on käytetty laajalti tavaroiden myynnissä sekä kirjojen ja arkistojen hallinnassa.
9) Pumppaa solid-state laserit. Tämä on suuritehoisten puolijohdelasereiden tärkeä sovellus. Sen käyttäminen alkuperäisen ilmakehän lampun korvaamiseen voi muodostaa täysin solid-state-laserjärjestelmän.
10) High Definition Laser TV. Lähitulevaisuudessa punaista, sinistä ja vihreää laseria käyttävien puolijohdelasertelevisioiden ilman katodisädeputkia arvioidaan kuluttavan 20 prosenttia vähemmän virtaa kuin nykyiset televisiot.

2. Sovellukset lääketieteen ja biotieteen tutkimuksessa
1) Laserleikkaus.Puolijohdelaseriton käytetty pehmytkudosten ablaatioon, kudosten sitomiseen, koagulaatioon ja höyrystymiseen. Tätä tekniikkaa käytetään laajalti yleiskirurgiassa, plastiikkakirurgiassa, dermatologiassa, urologiassa, synnytys- ja gynekologiassa jne.
2) Laserdynaaminen hoito. Kasvaimeen affiniteettia omaavat valoherkät aineet kertyvät selektiivisesti syöpäkudokseen, ja syöpäkudosta säteilytetään puolijohdelaserilla reaktiivisten happiyhdisteiden muodostamiseksi, jolloin se pyritään tekemään nekroottiseksi tervettä kudosta vahingoittamatta.
3) Life science -tutkimus. Käyttämällä "optisia pinsettejä".puolijohdelaserit, on mahdollista siepata eläviä soluja tai kromosomeja ja siirtää ne mihin tahansa asentoon. Sitä on käytetty edistämään solusynteesiä ja soluvuorovaikutustutkimuksia, ja sitä voidaan käyttää myös diagnostisena teknologiana oikeuslääketieteellisen todisteen keräämiseen.