Polovodičové lasery jsou kvantové generátory založené na polovodičovém aktivním médiu, ve kterém je optické zesílení vytvářeno stimulovanou emisí během kvantového přechodu mezi energetickými hladinami při vysoké koncentraci nosičů náboje ve volné zóně.
Polovodičový laser: princip činnosti
V normálním stavu je většina elektronů umístěna na valenční úrovni. Když fotony dodají energii přesahující energii zóny diskontinuity, elektrony polovodiče se dostanou do stavu excitace a po překonání zakázané zóny přejdou do volné zóny a soustředí se na jejím spodním okraji. Současně otvory vytvořené na valenční úrovni stoupají k její horní hranici. Elektrony ve volné zóně se rekombinují s dírami a vyzařují energii rovnou energii zóny diskontinuity ve formě fotonů. Rekombinace může být podpořena fotony s dostatečnou energetickou hladinou. Číselný popis odpovídá Fermiho distribuční funkci.
Zařízení
Polovodičové laserové zařízeníje laserová dioda napumpovaná energií elektronů a děr v zóně p-n-přechodu - místě kontaktu polovodičů s vodivostí typu p a n. Dále existují polovodičové lasery s přívodem optické energie, u kterých je paprsek tvořen pohlcováním fotonů světla, a také kvantové kaskádové lasery, jejichž činnost je založena na přechodech uvnitř pásem.
Složení
Standardní připojení používaná v polovodičových laserech a dalších optoelektronických zařízeních jsou následující:
- arsenid gallia;
- fosfid gallia;
- nitrid gallia;
- fosfid india;
- arsenid indium-gallium;
- arsenid gallia a hliníku;
- nitrid arsenidu gallia-india;
- fosfid gallium-indium.
Vlnová délka
Tyto sloučeniny jsou polovodiče s přímou mezerou. Světlo s nepřímou mezerou (křemíkové) nevyzařuje s dostatečnou silou a účinností. Vlnová délka záření diodového laseru závisí na míře přiblížení energie fotonu energii zóny diskontinuity konkrétní sloučeniny. U 3- a 4-složkových polovodičových sloučenin se energie zóny diskontinuity může plynule měnit v širokém rozsahu. Pro AlGaAs=AlxGa1-xAs například vede zvýšení obsahu hliníku (zvýšení x) ke zvýšení energie zóny nespojitosti.
Zatímco nejběžnější polovodičové lasery pracují v blízké infračervené oblasti, některé vyzařují červené (indium-gallium fosfid), modré nebo fialové (gallium nitrid) barvy. Střední infračervené záření je produkováno polovodičovými lasery (selenid olovnatý) a kvantovými kaskádovými lasery.
Organické polovodiče
Kromě výše uvedených anorganických sloučenin lze použít i organické. Odpovídající technologie je stále ve vývoji, ale její vývoj slibuje výrazné zlevnění výroby kvantových generátorů. Dosud byly vyvinuty pouze organické lasery s přívodem optické energie a dosud nebylo dosaženo vysoce účinného elektrického čerpání.
Odrůdy
Bylo vytvořeno mnoho polovodičových laserů, které se liší parametry a použitou hodnotou.
Malé laserové diody produkují vysoce kvalitní paprsek okrajového záření, jehož výkon se pohybuje od několika do pěti set miliwattů. Krystal laserové diody je tenká obdélníková deska, která slouží jako vlnovod, protože záření je omezeno na malý prostor. Krystal je dopován na obou stranách, aby se vytvořil p-n přechod velké oblasti. Leštěné konce vytvářejí optický Fabry-Perot rezonátor. Foton procházející rezonátorem způsobí rekombinaci, záření se zvýší a začne generování. Používá se v laserových ukazovátkách, CD a DVD přehrávačích a optických komunikacích.
Nízkovýkonné monolitické lasery a kvantové generátory s externím rezonátorem pro vytváření krátkých pulzů mohou vytvářet uzamčení režimu.
Laserypolovodič s externím rezonátorem tvoří laserová dioda, která plní roli zesilovacího média ve složení většího laserového rezonátoru. Jsou schopny měnit vlnové délky a mají úzké emisní pásmo.
Injekční polovodičové lasery mají emisní oblast v podobě širokého pásma, mohou generovat nekvalitní paprsek s výkonem několika wattů. Skládají se z tenké aktivní vrstvy umístěné mezi p- a n-vrstvou, tvořící dvojitý heteropřechod. Neexistuje žádný mechanismus pro udržení světla v bočním směru, což má za následek elipticitu dálkových paprsků a nepřijatelně vysoké prahové proudy.
Výkonné diodové tyče, sestávající z řady širokopásmových diod, jsou schopny produkovat paprsek průměrné kvality s výkonem desítek wattů.
Výkonná dvourozměrná pole diod mohou generovat energii ve stovkách a tisících wattů.
Surface emitující lasery (VCSEL) emitují vysoce kvalitní paprsek světla o výkonu několika miliwattů kolmo k desce. Rezonátorová zrcadla jsou nanesena na radiační plochu ve formě vrstev o ¼ vlnové délce s různými indexy lomu. Na jednom čipu lze vyrobit několik stovek laserů, což otevírá možnost hromadné výroby.
Lasery VECSEL s optickým napájením a externím rezonátorem jsou schopny generovat paprsek dobré kvality s výkonem několika wattů při uzamčení režimu.
Fungování polovodičového laserového kvantového-kaskádový typ je založen na přechodech uvnitř zón (na rozdíl od interzón). Tato zařízení vyzařují ve střední infračervené oblasti, někdy v rozsahu terahertzů. Používají se například jako analyzátory plynů.
Polovodičové lasery: aplikace a hlavní aspekty
Výkonné diodové lasery s vysoce účinným elektrickým čerpáním při středním napětí se používají jako prostředek k napájení vysoce účinných pevnolátkových laserů.
Polovodičové lasery mohou pracovat v širokém frekvenčním rozsahu, který zahrnuje viditelnou, blízkou infračervenou a střední infračervenou část spektra. Byla vytvořena zařízení, která také umožňují změnit frekvenci vysílání.
Laserové diody mohou rychle přepínat a modulovat optický výkon, což nachází uplatnění ve vysílačích z optických vláken.
Tyto vlastnosti učinily z polovodičových laserů technologicky nejdůležitější typ kvantových generátorů. Platí:
- v telemetrických senzorech, pyrometrech, optických výškoměrech, dálkoměrech, zaměřovačích, holografii;
- v optických systémech optického přenosu a ukládání dat, koherentních komunikačních systémech;
- v laserových tiskárnách, video projektorech, ukazovátkách, skenerech čárových kódů, obrazových skenerech, CD přehrávačích (DVD, CD, Blu-Ray);
- v bezpečnostních systémech, kvantové kryptografii, automatizaci, indikátorech;
- v optické metrologii a spektroskopii;
- v chirurgii, stomatologii, kosmetologii, terapii;
- pro úpravu vody,zpracování materiálů, čerpání laserem v pevné fázi, řízení chemických reakcí, průmyslové třídění, průmyslové inženýrství, zapalovací systémy, systémy protivzdušné obrany.
Pulzní výstup
Většina polovodičových laserů generuje spojitý paprsek. Vzhledem ke krátké době zdržení elektronů na vodivostní úrovni nejsou příliš vhodné pro generování Q-spínaných pulzů, ale kvazi-kontinuální režim provozu umožňuje výrazné zvýšení výkonu kvantového generátoru. Kromě toho lze polovodičové lasery použít ke generování ultrakrátkých pulzů s uzamčením režimu nebo přepínáním zisku. Průměrný výkon krátkých pulzů je obvykle omezen na několik miliwattů, s výjimkou opticky čerpaných laserů VECSEL, jejichž výkon je měřen multiwattovými pikosekundovými pulzy s frekvencí desítek gigahertzů.
Modulace a stabilizace
Výhodou krátkého pobytu elektronu ve vodivém pásmu je schopnost polovodičových laserů vysokofrekvenční modulace, která u laserů VCSEL přesahuje 10 GHz. Našel uplatnění v optickém přenosu dat, spektroskopii, laserové stabilizaci.
