Жарым өткөргүч лазерлер – жарым өткөргүч активдүү чөйрөгө негизделген кванттык генераторлор, мында оптикалык күчөтүү эркин зонада заряд алып жүрүүчүлөрдүн жогорку концентрациясында энергия деңгээлдеринин ортосундагы кванттык өтүү учурунда стимулданган эмиссия аркылуу түзүлөт.
Жарым өткөргүч лазер: иштөө принциби
Кадимки абалда электрондордун көбү валенттүүлүк деңгээлинде жайгашкан. Фотондор үзүлүү зонасынын энергиясынан ашкан энергияны бергенде, жарым өткөргүчтүн электрондору дүүлүккөн абалга келип, тыюу салынган зонаны жеңип, анын төмөнкү четине топтолуп, эркин зонага өтөт. Ошол эле учурда валенттүүлүк деңгээлинде пайда болгон тешиктер анын жогорку чегине чейин көтөрүлөт. Эркин аймактагы электрондор тешиктер менен рекомбинацияланып, фотондор түрүндөгү үзгүлтүктүү зонанын энергиясына барабар энергияны нурлантат. Рекомбинацияны жетиштүү энергия деңгээли бар фотондор менен күчөтсө болот. Сандык сүрөттөмө Fermi бөлүштүрүү функциясына туура келет.
Түзмөк
Жарым өткөргүч лазердик түзүлүшp-n-бириккен зонасында электрондордун жана тешиктердин энергиясы менен сордурулган лазердик диод - p- жана n-типтүү өткөргүчтүгү бар жарым өткөргүчтөрдүн байланыш чекити. Мындан тышкары, оптикалык энергия менен камсыздалган жарым өткөргүчтүү лазерлер бар, аларда нур жарыктын фотондорун сиңирүү менен түзүлөт, ошондой эле иштеши тилкелердин ичиндеги өтүүгө негизделген кванттык каскаддык лазерлер бар.
Композиция
Жарым өткөргүч лазерлерде жана башка оптоэлектрондук түзүлүштөрүндө колдонулган стандарттуу туташуулар төмөнкүдөй:
- галий арсениди;
- галий фосфиди;
- галий нитриди;
- индий фосфиди;
- индий-галий арсениди;
- галий алюминий арсениди;
- галий-индий арсенид нитриди;
- галий-индий фосфиди.
Толкун узундугу
Бул бирикмелер түз бош жарым өткөргүчтөр. Кыйыр боштук (кремний) жарык жетиштүү күч жана натыйжалуулук менен чыгарбайт. Диоддун лазердик нурлануусунун толкун узундугу фотондун энергиясынын белгилүү бир кошулмалардын үзгүлтүктүү зонасынын энергиясына жакындоо даражасына жараша болот. 3 жана 4 компоненттүү жарым өткөргүч кошулмаларда үзгүлтүктүү зонанын энергиясы кеңири диапазондо үзгүлтүксүз өзгөрүшү мүмкүн. AlGaAs үчүн=AlxGa1-xМисалы, алюминий курамынын көбөйүшү (x көбөйүшү) үзгүлтүктүү зонанын энергиясы.
Кеңири таралган жарым өткөргүч лазерлер жакынкы инфракызыл нурда иштешсе, айрымдары кызыл (индий галий фосфиди), көк же кызгылт көк (галий нитриди) түстөрдү чыгарышат. Орто инфракызыл нурлануу жарым өткөргүчтүү лазерлер (коргошун селениди) жана кванттык каскаддык лазерлер тарабынан өндүрүлөт.
Органикалык жарым өткөргүчтөр
Жогоруда айтылган органикалык эмес бирикмелерден тышкары, органикалык кошулмаларды да колдонсо болот. Тиешелүү технология дагы эле иштелип чыгууда, бирок аны иштеп чыгуу кванттык генераторлорду өндүрүүнүн өздүк наркын кыйла төмөндөтүүгө убада берет. Азырынча оптикалык энергия менен камсыздалган органикалык лазерлер гана иштелип чыккан жана жогорку эффективдүү электр насосторуна жетише элек.
Сорттор
Параметрлери жана колдонулуучу мааниси боюнча айырмаланган көптөгөн жарым өткөргүч лазерлер түзүлдү.
Чакан лазердик диоддор кубаты бир нечеден беш жүз милливаттка чейин болгон жогорку сапаттагы кырдуу нурланууну жаратат. Лазердик диод кристалл нурлануу кичинекей мейкиндик менен чектелгендиктен, толкун өткөргүч катары кызмат кылган жука тик бурчтуу пластинка болуп саналат. Кристалл чоң аянттын p-n кесилишин түзүү үчүн эки тарапка кошулат. Жылмаланган учтары оптикалык Fabry-Perot резонаторун түзөт. Резонатордон өткөн фотон рекомбинацияны пайда кылат, нурлануу көбөйөт жана генерация башталат. Лазердик көрсөткүчтөрдө, CD жана DVD ойноткучтарда жана була-оптикалык байланыштарда колдонулат.
Кыска импульстарды пайда кылуу үчүн тышкы резонатору бар аз кубаттуу монолиттик лазерлер жана кванттык генераторлор режимдин кулпусун жаратышы мүмкүн.
Лазерлертышкы резонатору бар жарым өткөргүч лазердик диоддон турат, ал чоңураак лазер резонаторунун курамында күчөтүүчү чөйрөнүн ролун аткарат. Алар толкун узундуктарын өзгөртүүгө жөндөмдүү жана тар эмиссия диапазонуна ээ.
Инъекциялык жарым өткөргүч лазерлери кең диапазон түрүндөгү эмиссия аймагына ээ, бир нече ватт кубаттуулуктагы сапатсыз нурду жаратышы мүмкүн. Алар p- менен n-кабаттын ортосунда жайгашкан жука активдүү катмардан туруп, кош гетероидацияны түзөт. Жарыкты каптал багытта кармап туруу механизми жок, бул жогорку нурдун эллиптикасына жана жол берилгис жогорку босого токко алып келет.
Кири тилкелүү диоддордун массивинен турган күчтүү диод тилкелери ондогон ватт кубаттуулуктагы орточо сапаттагы нурду чыгарууга жөндөмдүү.
Күчтүү эки өлчөмдүү диод массивдери жүздөгөн жана миңдеген ватттарда кубаттуулукту өндүрө алат.
Беттик чыгаруучу лазерлер (VCSELs) плитага перпендикуляр болгон бир нече милливатт кубаттуулуктагы жогорку сапаттагы жарык шооласын чыгарышат. Резонатордук күзгүлөр нурлануу бетине түрдүү сынуу көрсөткүчтөрү менен ¼ толкун узундугундагы катмарлар түрүндө колдонулат. Бир чипте бир нече жүз лазер жасоого болот, бул массалык өндүрүш мүмкүнчүлүгүн ачат.
Оптикалык кубаты жана тышкы резонатору бар VECSEL лазерлери кулпулоо режиминде бир нече ватт кубаттуулуктагы жакшы сапаттагы нурду жаратууга жөндөмдүү.
Жарым өткөргүчтүү лазердин иштөөсүкаскад түрү зоналардын ичиндеги өтүүгө негизделген (аралык зоналардан айырмаланып). Бул аппараттар орто инфракызыл аймакта, кээде терагерц диапазонунда чыгарышат. Алар, мисалы, газ анализаторлору катары колдонулат.
Жарым өткөргүч лазерлер: колдонуу жана негизги аспектилер
Жогорку эффективдүүлүктөгү катуу абалдагы лазерлерди кубаттандыруу каражаты катары орточо чыңалуудагы жогорку эффективдүү электрдик насосу бар күчтүү диоддук лазерлер колдонулат.
Жарым өткөргүч лазерлер спектрдин көрүнүүчү, жакын инфракызыл жана орто инфракызыл бөлүктөрүн камтыган кеңири жыштык диапазонунда иштей алат. Чыгаруунун жыштыгын өзгөртүүгө мүмкүндүк берүүчү түзмөктөр түзүлдү.
Лазердик диоддор оптикалык кубаттуулукту тез которуштурууга жана модуляциялоого жөндөмдүү, бул оптикалык була өткөргүчтөрүндө колдонулат.
Мындай мүнөздөмөлөр жарым өткөргүч лазерлерди технологиялык жактан кванттык генераторлордун эң маанилүү түрү кылып койду. Алар колдонулат:
- телеметриялык сенсорлордо, пирометрлерде, оптикалык бийиктикте, диапазондо, көз караштарда, голографияда;
- оптикалык берүүнүн жана маалыматтарды сактоонун була-оптикалык системаларында, когеренттүү байланыш системаларында;
- лазердик принтерлерде, видеопроекторлордо, көрсөткүчтөрдө, штрих-код сканерлеринде, сүрөт сканерлеринде, CD ойноткучтарда (DVD, CD, Blu-Ray);
- коопсуздук системаларында, кванттык криптографияда, автоматташтырууда, индикаторлордо;
- оптикалык метрология жана спектроскопия;
- хирургияда, стоматологияда, косметологияда, терапияда;
- сууну тазалоо үчүн,материалдарды иштетүү, катуу абалдагы лазердик насостук, химиялык реакцияны башкаруу, өнөр жай сорттоо, өнөр жай инженериясы, от алдыруу системалары, абадан коргонуу системалары.
Импульс чыгаруу
Жарым өткөргүч лазерлердин көбү үзгүлтүксүз нур жаратат. Электрондордун өткөргүч деңгээлинде калуу убактысы кыска болгондуктан, алар Q-которулуу импульстарын генерациялоо үчүн анча ылайыктуу эмес, бирок квази-үзгүлтүксүз иштөө режими кванттык генератордун кубаттуулугун бир кыйла жогорулатууга мүмкүндүк берет. Кошумчалай кетсек, жарым өткөргүч лазерлерди режимди кулпулоо же пайда которуу менен ультра кыска импульстарды түзүү үчүн колдонсо болот. Кыска импульстардын орточо кубаттуулугу, адатта, бир нече милливатт менен чектелет, оптикалык насостолуучу VECSEL лазерлерин кошпогондо, алардын чыгышы ондогон гигагерц жыштыгы менен көп ватттык пикосекунда импульстары менен өлчөнөт.
Модуляция жана турукташтыруу
Электрондун өткөргүч тилкеде кыска болушунун артыкчылыгы жарым өткөргүч лазерлердин VCSEL лазерлери үчүн 10 ГГцден ашкан жогорку жыштыктагы модуляцияга жөндөмдүүлүгү. Ал оптикалык маалыматтарды өткөрүүдө, спектроскопияда, лазердик турукташтырууда колдонууну тапты.
