Mis on pooljuhtlaserid? (Ⅰ osa)

Alates esimese leiutamisestPooljuhtlaserid1962. aastal maailmas on pooljuhtlaser läbi teinud suuri muutusi, soodustades oluliselt muu teaduse ja tehnoloogia arengut ning seda peetakse üheks 20. sajandi oluliseks leiutiseks. Viimastel aastakümnetel on pooljuhtlaserite areng olnud kiirem ja sellest on saanud maailma kõige kiiremini arenev lasertehnoloogia. Pooljuhtlaserite rakendamine hõlmab kogu optoelektroonika valdkonda ja sellest on saanud optoelektroonika teaduse põhitehnoloogia. Tänu väikesele suurusele, lihtsale struktuurile, madalale sisendenergiale, pikale elueale, moduleerimise lihtsusele ja madalale hinnale on pooljuhtlaserit laialdaselt kasutatud optoelektroonika valdkonnas ja seda on kõrgelt hinnanud riigid üle maailma.

1. Pooljuhtlaserid

Pooljuhtlaser on omamoodi miniatuurne laser, mis koosneb otsese ribalaiusega pooljuhtmaterjali Pn-siirdest või viimist. Pooljuhtlaseriga töötavaid aineid on kümneid. Praegu on laseriteks valmistatud pooljuhtmaterjalid galliumarseniid, indiumarseniid, indiumantimoniid, kaadmiumsulfiid, kaadmiumtelluriid, pliiseleniid, pliitelluriid, alumiinium-galliumarseen, indiumfosforarseen ja nii edasi. Pooljuhtlaseril on kolme tüüpi ergastusrežiime, nimelt elektriline süstimine, optiline pump ja suure energiaga elektronkiire ergastus. Enamiku pooljuhtlaserite ergastusrežiim on elektriline süstimine, see tähendab, et Pn-siirdele rakendatakse päripinget, et tekitada ristmiku tasapinna piirkonnas stimuleeritud emissioon, see tähendab, et see on pärisuunaline diood. Seetõttu nimetatakse pooljuhtlaserit ka pooljuhtlaserdioodiks. Pooljuhtide puhul, kuna elektronid liiguvad pigem energiaribade kui diskreetsete energiatasemete vahel, ei ole üleminekuenergia kindel väärtus, mistõttu pooljuhtlaseri väljundlainepikkus hajub laias vahemikus. Nad kiirgavad lainepikkusi vahemikus 0,3 kuni 34 μm. Lainepikkuse vahemik sõltub kasutatava materjali ribalaiusest. Tavalise AlGaAs topelt-heteroühendusega laseri väljundlainepikkus on 750–890 nm.

Pooljuhtlaserite tootmistehnoloogia on kogenud difusioonimeetodist vedelfaasi epitaksia (LPE), gaasifaasi epitaksia (VPE), molekulaarkiire epitaksia (MBE), MOCVD meetodiga (orgaanilise metalli aurustamine-sadestamine), keemilise kiirepitaksia (CBE) ja nende erinevate erinevate protsesside kombinatsioon. Pooljuhtlaseri puuduseks on see, et laseri jõudlust mõjutab temperatuur ja kiire lahknemisnurk on suur (tavaliselt mitme kraadi ja 20 kraadi vahel), mistõttu on sellel halb suunatavus, monokromaatiline omadus ja koherentsus. Kuid teaduse ja tehnoloogia kiire arenguga edeneb dpss-laserite uurimine sügavuse suunas ja pooljuhtlaserite jõudlus paraneb pidevalt. Pooljuht-optoelektroonika tehnoloogia, mille südamikuks on pooljuhtlaser, teeb suuremaid edusamme ja mängib 21. sajandi infoühiskonnas suuremat rolli.

2. Pooljuhtlaserite tööpõhimõte

Pooljuhtlaser on koherentne kiirgusallikas. Laseri genereerimiseks peavad olema täidetud kolm põhitingimust.

①Võimendustingimus: ergutuskeskkonnas (aktiivses piirkonnas) on kindlaks tehtud laengukandjate inversioonijaotus. Pooljuhtides esindab elektronide energiat peaaegu pidevate energiatasemete jada. See saavutatakse homogeensele või heteroristmikule ettepoole suunatud nihke rakendamisega ja vajalike laengukandjate süstimisega aktiivsesse kihti, et ergutada elektronid madalamast valentsiribast kõrgemale juhtivusribale. Stimuleeritud emissioon tekib siis, kui suur hulk elektrone ümberpööratud osakeste populatsiooni olekus rekombineerub aukudega.

②Koherentse ergastatud kiirguse tegelikuks saamiseks tuleb optilises resonaatoris tekitada ergastatud kiirgus, et saada mitmekordne tagasiside ja moodustada laservõnkumine, laseri resonaatori moodustab pooljuhtkristalli loomulik lõhenemispind peeglina, tavaliselt lõpuks kõrge pöördvõrdelise mitmekihilise dielektrilise kile kerge kattega ja vähendatud pöördkile sileda pinnakattega. Fp-õõnsusega (Fabry-Perot'i õõnsusega) pooljuhtlaseri jaoks saab FP-õõnsust mugavalt konstrueerida kristalli pn-siirdetasandiga risti oleva loomuliku lõhenemistasapinna abil.

③ Stabiilse võnkumise moodustamiseks peab laserkandja suutma anda piisava võimenduse, et korvata resonantsõõnsuse ja õõnsuse pinnalt tuleva laserväljundi põhjustatud optiline kadu ning pidevalt suurendada õõnsuse optilist välja. Selleks on vaja piisavalt tugevat voolu süstimist ehk piisavat osakeste arvu inversiooni. Mida suurem on osakeste arvu inversiooni aste, seda suurem on võimendus, st teatud voolulävitingimus peab olema täidetud. Kui laser jõuab läviväärtuseni, võib kindla lainepikkusega valgus õõnsuses resoneerida ja võimenduda ning lõpuks moodustada laseri ja väljuda pidevalt. On näha, et elektroni ja augu dipoolüleminek on pooljuhtlaserites valguse emissiooni ja valguse võimendamise põhiprotsess. Uue pooljuhtlaseri puhul on üldiselt aktsepteeritud, et kvantkaev on laserite arendamise põhiline liikumapanev jõud. Küsimus, kas kvantjuhtmed ja -punktid saavad kvantefekte täielikult ära kasutada, on ulatunud sellesse sajandisse. Teadlased on katsetanud iseorganiseeruvate struktuuridega erinevatesse materjalidesse kvantpunkte ja GaInN-i kvantpunkte on kasutatud pooljuhtlaserites.

OsaleⅡ ülekanne mõistab selle ajalugu ja rakendust

Kontaktinfo:

Kui teil on ideid, võtke meiega ühendust. Pole tähtis, kus meie kliendid on ja millised on meie nõudmised, järgime oma eesmärki pakkuda oma klientidele kõrget kvaliteeti, madalaid hindu ja parimat teenust.