Veikimo principas ir pagrindiniai tipaipuslaidininkinis lazeris
PuslaidininkisLazeriniai diodaiDėl didelio efektyvumo, miniatiūrizacijos ir bangos ilgių įvairovės jie yra plačiai naudojami kaip pagrindiniai optoelektronikos technologijų komponentai tokiose srityse kaip komunikacija, medicininė priežiūra ir pramoninis apdorojimas. Šiame straipsnyje išsamiau pristatomas puslaidininkinių lazerių veikimo principas ir tipai, kurie yra patogūs daugumai optoelektronikos tyrėjų pasirinkimo nuorodai.
1. Puslaidininkinių lazerių šviesos spinduliavimo principas
Puslaidininkinių lazerių liuminescencijos principas pagrįstas puslaidininkinių medžiagų juostos struktūra, elektroniniais perėjimais ir stimuliuojamąja emisija. Puslaidininkinės medžiagos yra medžiagos su draudžiamaja juostele, kurią sudaro valentinė juosta ir laidumo juosta. Kai medžiaga yra pagrindinėje būsenoje, elektronai užpildo valentinę juostą, o laidumo juostoje nėra elektronų. Kai išoriškai veikiamas tam tikras elektrinis laukas arba įpurškiama srovė, kai kurie elektronai pereina iš valentinės juostos į laidumo juostą, sudarydami elektronų ir skylių poras. Energijos išsiskyrimo proceso metu, kai šias elektronų ir skylių poras stimuliuoja išorinis pasaulis, susidaro fotonai, t. y. lazeriai.
2. Puslaidininkinių lazerių sužadinimo metodai
Puslaidininkinių lazerių sužadinimo būdai yra trys: elektrinis įpurškimas, optinis siurblis ir didelės energijos elektronų pluošto sužadinimas.
Elektriniu būdu įpurškiami puslaidininkiniai lazeriai: paprastai tai puslaidininkiniai paviršinės sandūros diodai, pagaminti iš tokių medžiagų kaip galio arsenidas (GaAs), kadmio sulfidas (CdS), indžio fosfidas (InP) ir cinko sulfidas (ZnS). Jie sužadinami įpurškiant srovę išilgai tiesioginio poliarizacijos, taip sukuriant stimuliuojamąją emisiją sandūros plokštumos srityje.
Optiškai kaupinami puslaidininkiniai lazeriai: Paprastai kaip darbinė medžiaga naudojami N tipo arba P tipo puslaidininkiniai monokristalai (pvz., GaAS, InAs, InSb ir kt.), olazeriskitų lazerių skleidžiamas šviesa naudojamas kaip optiškai kaupinamas sužadinimas.
Didelės energijos elektronų pluoštu sužadinami puslaidininkiniai lazeriai: Paprastai jie taip pat naudoja N tipo arba P tipo puslaidininkinius monokristalus (pvz., PbS, CdS, ZhO ir kt.) kaip darbinę medžiagą ir sužadina juos įpurškiant didelės energijos elektronų pluoštą iš išorės. Tarp puslaidininkinių lazerinių įrenginių geresniu našumu ir platesniu pritaikymu pasižymi elektra įpurškiamas GaAs diodinis lazeris su dviguba heterostruktūra.
3. Pagrindiniai puslaidininkinių lazerių tipai
Puslaidininkinio lazerio aktyvioji sritis yra pagrindinė fotonų generavimo ir stiprinimo sritis, kurios storis yra tik keli mikrometrai. Vidinės bangolaidžių struktūros naudojamos fotonų šoninei difuzijai apriboti ir energijos tankiui padidinti (pvz., keteriniai bangolaidžiai ir užkastos heterosandūros). Lazeris naudoja šilumos kriauklės konstrukciją ir parenka didelio šilumos laidumo medžiagas (pvz., vario ir volframo lydinį), kad šiluma greitai išsisklaidytų, o tai gali padėti išvengti perkaitimo sukelto bangos ilgio poslinkio. Pagal savo struktūrą ir taikymo scenarijus puslaidininkinius lazerius galima suskirstyti į šias keturias kategorijas:
Kraštinį spinduliavimą skleidžiantis lazeris (EEL)
Lazeris sklinda iš skilimo paviršiaus lusto šone, sudarydamas elipsės formos tašką (kurio sklaidos kampas yra maždaug 30° × 10°). Tipiniai bangos ilgiai yra 808 nm (siurbimui), 980 nm (ryšiui) ir 1550 nm (šviesolaidiniam ryšiui). Jis plačiai naudojamas didelės galios pramoniniame pjovime, šviesolaidinio lazerio pumpavimo šaltiniuose ir optinio ryšio magistraliniuose tinkluose.
2. Vertikalus ertmės paviršiaus spinduliavimo lazeris (VCSEL)
Lazeris skleidžiamas statmenai lusto paviršiui, apskritu ir simetrišku spinduliu (divergencijos kampas <15°). Jame integruotas paskirstytas Brago reflektorius (DBR), todėl nereikia išorinio reflektoriaus. Jis plačiai naudojamas 3D jutikliuose (pvz., mobiliųjų telefonų veido atpažinimui), trumpojo nuotolio optiniame ryšyje (duomenų centruose) ir LiDAR.
3. Kvantinis kaskadinis lazeris (QCL)
Remiantis elektronų kaskadiniu perėjimu tarp kvantinių šulinių, bangos ilgis apima vidutinio ir tolimojo infraraudonųjų spindulių diapazoną (3–30 μm), nereikalaujant populiacijos inversijos. Fotonai generuojami per tarpjuostinius perėjimus ir yra dažniausiai naudojami tokiose srityse kaip dujų jutimas (pvz., CO₂ aptikimas), terahercų vaizdavimas ir aplinkos stebėsena.
Derinamo lazerio išorinė ertmės konstrukcija (gardelės / prizmė / MEMS veidrodis) gali pasiekti ±50 nm bangos ilgio derinimo diapazoną, siaurą linijos plotį (<100 kHz) ir aukštą šoninio režimo slopinimo koeficientą (>50 dB). Jis dažniausiai naudojamas tokiose srityse kaip tankaus bangos ilgio dalijimosi multipleksavimas (DWDM) ryšys, spektrinė analizė ir biomedicininis vaizdavimas. Puslaidininkiniai lazeriai plačiai naudojami ryšių lazeriniuose įrenginiuose, skaitmeniniuose lazerių kaupimo įrenginiuose, lazerinio apdorojimo įrangoje, lazerinio žymėjimo ir pakavimo įrangoje, lazeriniame maketavime ir spausdinime, lazerinėje medicinos įrangoje, lazerinio atstumo ir kolimacijos aptikimo prietaisuose, lazeriniuose prietaisuose ir įrangoje pramogoms ir švietimui, lazerių komponentuose ir dalyse ir kt. Jie priklauso pagrindiniams lazerių pramonės komponentams. Dėl plataus pritaikymo spektro yra daug lazerių prekių ženklų ir gamintojų. Renkantis reikėtų atsižvelgti į konkrečius poreikius ir taikymo sritis. Skirtingi gamintojai turi skirtingas taikymo sritis įvairiose srityse, todėl gamintojų ir lazerių pasirinkimas turėtų būti atliekamas atsižvelgiant į faktinę projekto taikymo sritį.
Įrašo laikas: 2025 m. lapkričio 5 d.