Лазеры полупроводниковые: виды, устройство, принцип работы, применение

Полупроводниковые лазеры являются квантовыми генераторами на основе полупроводниковой активной среды, в которой оптическое усиление создаётся вынужденным излучением при квантовом переходе между энергетическими уровнями при большой концентрации носителей заряда в свободной зоне.

Полупроводниковый лазер: принцип работы

В обычном состоянии большинство электронов расположено на уровне валентности. При подводе фотонами энергии, превышающей энергию зоны разрыва, электроны полупроводника приходят в состояние возбуждения и, преодолев запрещённую зону, переходят в свободную зону, концентрируясь у её нижнего края. Одновременно дырки, образовавшиеся на валентном уровне, поднимаются к её верхней границе. Электроны в свободной зоне рекомбинируют с дырками, излучая энергию, равную энергии зоны разрыва, в виде фотонов. Рекомбинация может быть усилена фотонами с достаточным уровнем энергии. Численное описание соответствует функции распределения Ферми.

Устройство

Устройство полупроводникового лазера представляет собой лазерный диод, накачиваемый энергией электронов и дырок в зоне р-n-перехода – месте соприкосновения полупроводников с проводимостью p- и n-типа. Кроме того, существуют лазеры полупроводниковые с оптическим подводом энергии, в которых пучок формируется при поглощении фотонов света, а также квантовые каскадные лазеры, работа которых основана на переходах внутри зон.

Состав

Стандартные соединения, используемые как в полупроводниковых лазерах, так и в других оптоэлектронных устройствах, следующие:

• арсенид галлия;
• фосфид галлия;
• нитрид галлия;
• фосфид индия;
• арсенид индия-галлия;
• арсенид алюминия-галлия;
• арсенид-нитрид галлия-индия;
• фосфид галлия-индия.

Длина волны

Эти соединения – прямозонные полупроводники. Непрямозонные (кремний) света с достаточной силой и эффективностью не излучают. Длина волны излучения диодного лазера зависит от степени приближения энергии фотона к энергии зоны разрыва конкретного соединения. В 3- и 4-компонентных соединениях полупроводников энергия зоны разрыва может непрерывно меняться в широком диапазоне. У AlGaAs = Al_xGa_1-хAs, например, увеличение содержание алюминия (увеличение х) имеет следствием рост энергии зоны разрыва.

В то время как наиболее распространенные полупроводниковые лазеры работают в ближней ИК части спектра, некоторые излучают красный (фосфид галлий-индия), синий или фиолетовый (нитрид галлия) цвета. Среднее инфракрасное излучение создают лазеры полупроводниковые (селенид свинца) и квантовые каскадные лазеры.

Органические полупроводники

Кроме вышеупомянутых неорганических соединений, могут применяться и органические. Соответствующая технология всё ещё находится в стадии разработки, но её развитие обещает значительно удешевить производство квантовых генераторов. Пока лишь разработаны органические лазеры с оптическим подводом энергии, а высокоэффективная электрическая накачка ещё не достигнута.

Разновидности

Создано множество полупроводниковых лазеров, отличающихся параметрами и прикладным значением.

Малые лазерные диоды производят качественный пучок торцевого излучения, мощность которого колеблется от нескольких до пятисот милливатт. Кристалл лазерного диода представляет собой тонкую пластинку прямоугольной формы, которая служит волноводом, так как излучение ограничено небольшим пространством. Кристалл легируется с двух сторон для создания p-n-перехода большой площади. Полированные торцы создают оптический резонатор Фабри - Перо. Фотон, проходя через резонатор, вызовет рекомбинацию, излучение будет возрастать, и начнётся генерация. Применяются в лазерных указателях, CD- и DVD-проигрывателях, а также в оптоволоконной связи.

Маломощные монолитные лазеры и квантовые генераторы с внешним резонатором для формирования коротких импульсов могут производить синхронизацию мод.

Лазеры полупроводниковые с внешним резонатором состоят из лазера-диода, играющего роль усиливающей среды в составе большего лазер-резонатора. Способны изменять длины волн и имеют узкую полосу излучения.

Инжекционные полупроводниковые лазеры имеют область излучения в виде широкой полосы, могут генерировать пучок низкого качества мощностью несколько ватт. Состоят из тонкого активного слоя, расположенного между p- и n-слоем, образуя двойной гетеропереход. Механизм удержания света в боковом направлении отсутствует, что имеет следствием высокую эллиптичность пучка и неприемлемо высокие пороговые токи.

Мощные диодные линейки, состоящие из массива широкополосных диодов, способны производить луч посредственного качества мощностью в десятки ватт.

Мощные двумерные массивы диодов могут генерировать мощность в сотни и тысячи ватт.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) испускают качественный пучок света мощностью в несколько милливатт перпендикулярно к пластине. На поверхности излучения наносят зеркала резонатора в виде слоёв в ¼ дины волны с различными показателями преломления. На одном кристалле можно изготовить несколько сотен лазеров, что открывает возможность их массового производства.

Лазеры VECSEL c оптическим подводом энергии и внешним резонатором способны генерировать пучок хорошего качества мощностью в несколько ватт при синхронизации мод.

Работа полупроводникового лазера квантово-каскадного типа основана на переходах внутри зон (в отличие от междузонных). Эти устройства излучают в средней области инфракрасной части спектра, иногда в терагерцовом диапазоне. Их используют, например, в качестве газоанализаторов.

Полупроводниковые лазеры: применение и основные аспекты

Мощные диодные лазеры с высокоэффективной электрической накачкой при умеренных напряжениях используются в качестве средств подвода энергии высокоэффективных твердотельных лазеров.

Полупроводниковые лазеры могут работать в большом диапазоне частот, который включает видимую, ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную часть спектра. Созданы устройства, позволяющие также изменять частоту издучения.

Лазерные диоды могут быстро переключать и модулировать оптическую мощность, что находит применение в передатчиках оптоволоконных линий связи.

Такие характеристики сделали лазеры полупроводниковые технологически наиболее важным типом квантовых генераторов. Они применяются:

• в датчиках телеметрии, пирометрах, оптических высотомерах, дальномерах, прицелах, голографии;
• в оптоволоконных системах оптической передачи и хранения данных, системах когерентной связи;
• в лазерных принтерах, видеопроекторах, указателях, сканерах штрих-кода, сканерах изображений, проигрывателях компакт-дисков (DVD, CD, Blu-Ray);
• в охранных системах, квантовой криптографии, автоматике, индикаторах;
• в оптической метрологии и спектроскопии;
• в хирургии, стоматологии, косметологии, терапии;
• для очистки воды, обработки материалов, накачки твердотельных лазеров, контроля химических реакций, в промышленной сортировке, промышленном машиностроении, системах зажигания, системах ПВО.

Импульсный выход

Большинство полупроводниковых лазеров генерирует непрерывный пучок. Из-за короткой продолжительности пребывания электронов на уровне проводимости они не очень подходят для генерации импульсов с модуляцией добротности, но квазинепрерывный режим работы позволяет значительно повысить мощность квантового генератора. Кроме того, полупроводниковые лазеры могут быть использованы для формирования сверхкоротких импульсов с синхронизацией мод или переключением коэффициента усиления. Средняя мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими милливаттами, за исключением VECSEL-лазеров с оптической накачкой, выход которых измеряется многоваттными пикосекундными импульсами частотой в десятки гигагерц.

Модуляция и стабилизация

Преимуществом кратковременного пребывания электрона в зоне проводимости является способность полупроводниковых лазеров к высокочастотному модулированию, которое у VCSEL-лазеров превышает 10 ГГц. Это нашло применение в оптической передаче данных, спектроскопии, стабилизации лазеров.