Lazerët gjysmëpërçues janë gjeneratorë kuantikë të bazuar në një mjedis aktiv gjysmëpërçues, në të cilin amplifikimi optik krijohet nga emetimi i stimuluar gjatë një tranzicioni kuantik midis niveleve të energjisë në një përqendrim të lartë të bartësve të ngarkesës në zonën e lirë.
Lazer gjysmëpërçues: parimi i funksionimit
Në gjendjen normale, shumica e elektroneve janë të vendosura në nivelin e valencës. Kur fotonet furnizojnë energji që tejkalon energjinë e zonës së ndërprerjes, elektronet e gjysmëpërçuesit vijnë në një gjendje ngacmimi dhe, pasi kanë kapërcyer zonën e ndaluar, kalojnë në zonën e lirë, duke u përqendruar në skajin e saj të poshtëm. Në të njëjtën kohë, vrimat e formuara në nivelin e valencës ngrihen në kufirin e sipërm të saj. Elektronet në zonën e lirë rikombinohen me vrima, duke rrezatuar një energji të barabartë me energjinë e zonës së ndërprerjes në formën e fotoneve. Rikombinimi mund të përmirësohet nga fotone me nivele të mjaftueshme energjie. Përshkrimi numerik korrespondon me funksionin e shpërndarjes Fermi.
Pajisja
Pajisje lazer gjysmëpërçuesështë një diodë lazer e pompuar me energjinë e elektroneve dhe vrimave në zonën e kryqëzimit p-n - pika e kontaktit të gjysmëpërçuesve me përçueshmëri të tipit p dhe n. Përveç kësaj, ekzistojnë lazerë gjysmëpërçues me furnizim me energji optike, në të cilët rrezja formohet nga thithja e fotoneve të dritës, si dhe lazerët kaskadë kuantikë, funksionimi i të cilëve bazohet në kalimet brenda brezave.
Përbërja
Lidhjet standarde të përdorura si në lazerët gjysmëpërçues ashtu edhe në pajisjet e tjera optoelektronike janë si më poshtë:
- arsenid galium;
- fosfid galium;
- nitrit galium;
- fosfid indium;
- arsenid indium-galium;
- arsenid alumini galium;
- nitrit arsenid galium-indium;
- fosfid galium-indium.
Gjatesia valore
Këto komponime janë gjysmëpërçues me boshllëk të drejtpërdrejtë. Drita me boshllëk indirekt (silikon) nuk lëshon me forcë dhe efikasitet të mjaftueshëm. Gjatësia e valës së rrezatimit lazer të diodës varet nga shkalla e përafrimit të energjisë së fotonit me energjinë e zonës së ndërprerjes së një përbërje të caktuar. Në përbërjet gjysmëpërçuese me 3 dhe 4 përbërës, energjia e zonës së ndërprerjes mund të ndryshojë vazhdimisht në një gamë të gjerë. Për AlGaAs=AlxGa1-xSi, për shembull, një rritje në përmbajtjen e aluminit (një rritje në x) rezulton në një rritje në energjia e zonës së ndërprerjes.
Ndërsa lazerët gjysmëpërçues më të zakonshëm funksionojnë në infra të kuqe të afërt, disa lëshojnë ngjyra të kuqe (indium galium fosphide), blu ose vjollcë (nitrit galium). Rrezatimi me infra të kuqe të mesme prodhohet nga lazerët gjysmëpërçues (selenidi i plumbit) dhe lazerët kaskadë kuantikë.
Gjysmëpërçues organikë
Përveç përbërjeve inorganike të lartpërmendura, mund të përdoren edhe ato organike. Teknologjia përkatëse është ende në zhvillim e sipër, por zhvillimi i saj premton të ulë ndjeshëm koston e prodhimit të gjeneratorëve kuantikë. Deri më tani, janë zhvilluar vetëm lazer organikë me furnizim me energji optike dhe ende nuk është arritur pompimi elektrik shumë efikas.
Variantet
Janë krijuar shumë lazer gjysmëpërçues, të ndryshëm në parametra dhe vlerë të aplikuar.
Diodat e vogla lazer prodhojnë një rreze rrezatimi buzësh me cilësi të lartë, fuqia e së cilës varion nga disa deri në pesëqind milivat. Kristali i diodës së lazerit është një pllakë e hollë drejtkëndore që shërben si një valëdhënës, pasi rrezatimi është i kufizuar në një hapësirë të vogël. Kristali është i dopuar në të dy anët për të krijuar një kryqëzim p-n të një zone të madhe. Skajet e lëmuara krijojnë një rezonator optik Fabry-Pero. Një foton që kalon nëpër rezonator do të shkaktojë rikombinim, rrezatimi do të rritet dhe gjenerimi do të fillojë. Përdoret në tregues lazer, riprodhues CD dhe DVD dhe komunikime me fibra optike.
Lazerët monolitikë me fuqi të ulët dhe gjeneratorët kuantikë me një rezonator të jashtëm për të formuar pulse të shkurtra mund të prodhojnë bllokim të modalitetit.
Lazergjysmëpërçuesi me një rezonator të jashtëm përbëhet nga një diodë lazer, e cila luan rolin e një mediumi amplifikues në përbërjen e një rezonatori lazer më të madh. Ato janë të afta të ndryshojnë gjatësi vale dhe kanë një brez të ngushtë emetimi.
Lazerët gjysmëpërçues me injeksion kanë një zonë emetimi në formën e një brezi të gjerë, mund të gjenerojnë një rreze me cilësi të ulët me një fuqi prej disa vat. Ato përbëhen nga një shtresë e hollë aktive e vendosur midis shtresës p dhe n, duke formuar një heterobashkim të dyfishtë. Nuk ka asnjë mekanizëm për mbajtjen e dritës në drejtimin anësor, gjë që rezulton në elipticitet të rrezeve të larta dhe rryma të pragut të papranueshëm të lartë.
Shifrat e fuqishëm diodë, të përbërë nga një sërë diodash me brez të gjerë, janë të afta të prodhojnë një rreze me cilësi mesatare me një fuqi prej dhjetëra vat.
Rremet e fuqishme dydimensionale të diodave mund të gjenerojnë energji në qindra e mijëra vat.
Lazerët që lëshojnë sipërfaqe (VCSEL) lëshojnë një rreze drite të cilësisë së lartë me një fuqi prej disa milivatësh pingul me pllakën. Pasqyrat rezonatore aplikohen në sipërfaqen e rrezatimit në formën e shtresave të gjatësisë së valës ¼ me indekse të ndryshme refraktive. Disa qindra lazer mund të bëhen në një çip të vetëm, gjë që hap mundësinë e prodhimit në masë.
Lazerët VECSEL me furnizim me energji optike dhe një rezonator të jashtëm janë në gjendje të gjenerojnë një rreze të cilësisë së mirë me një fuqi prej disa vat në modalitetin e mbylljes.
Funksionimi i një lazeri gjysmëpërçues kuantik-lloji i kaskadës bazohet në kalimet brenda zonave (në krahasim me ndërzonat). Këto pajisje lëshojnë në rajonin me infra të kuqe të mesme, ndonjëherë në intervalin terahertz. Ato përdoren, për shembull, si analizues gazi.
Lazerë gjysmëpërçues: aplikimi dhe aspektet kryesore
Lazerët me diodë të fuqishëm me pompim elektrik me efikasitet të lartë në tension të moderuar përdoren si një mjet për të fuqizuar lazerët me efikasitet të lartë në gjendje të ngurtë.
Lazerët gjysmëpërçues mund të funksionojnë në një gamë të gjerë frekuencash, e cila përfshin pjesët e dukshme, infra të kuqe afër dhe infra të kuqe të mesme të spektrit. Janë krijuar pajisje që ju lejojnë gjithashtu të ndryshoni frekuencën e emetimit.
Diodat lazer mund të ndërrojnë dhe modulojnë me shpejtësi fuqinë optike, e cila gjen zbatim në transmetuesit me fibra optike.
Karakteristika të tilla i kanë bërë lazerët gjysmëpërçues teknologjikisht llojin më të rëndësishëm të gjeneratorëve kuantikë. Ata aplikojnë:
- në sensorë telemetrie, pirometra, lartësimatës optikë, distanca, pamje, holografi;
- në sistemet e fibrave optike të transmetimit optik dhe ruajtjes së të dhënave, sistemet koherente të komunikimit;
- në printera lazer, videoprojektorë, tregues, skanerë të barkodit, skanerë imazhesh, luajtës CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- në sistemet e sigurisë, kriptografinë kuantike, automatizimin, treguesit;
- në metrologjinë optike dhe spektroskopinë;
- në kirurgji, stomatologji, kozmetologji, terapi;
- për trajtimin e ujit,përpunimi i materialeve, pompimi me lazer në gjendje të ngurtë, kontrolli i reaksioneve kimike, klasifikimi industrial, inxhinieria industriale, sistemet e ndezjes, sistemet e mbrojtjes ajrore.
Dalja e pulsit
Shumica e lazerëve gjysmëpërçues gjenerojnë një rreze të vazhdueshme. Për shkak të kohës së shkurtër të qëndrimit të elektroneve në nivelin e përcjelljes, ato nuk janë shumë të përshtatshme për gjenerimin e pulseve me komutim Q, por mënyra pothuajse e vazhdueshme e funksionimit lejon një rritje të konsiderueshme të fuqisë së gjeneratorit kuantik. Përveç kësaj, lazerët gjysmëpërçues mund të përdoren për të gjeneruar impulse ultrashkurtër me kyçje të modalitetit ose ndërrim fitimi. Fuqia mesatare e pulseve të shkurtra zakonisht kufizohet në disa milivat, me përjashtim të lazerëve VECSEL me pompë optike, prodhimi i të cilëve matet me impulse pikosekondash shumë-vatëshe me një frekuencë prej dhjetëra gigahertz.
Modulim dhe stabilizim
Përparësia e qëndrimit të shkurtër të një elektroni në brezin e përcjelljes është aftësia e lazerëve gjysmëpërçues për modulim me frekuencë të lartë, që për lazerët VCSEL i kalon 10 GHz. Ka gjetur aplikim në transmetimin optik të të dhënave, spektroskopinë, stabilizimin lazer.
