Основы полупроводникового лазера: Принцип работы, история и применение

Основы полупроводникового лазера: Принцип работы, история и применение

С момента изобретения первого в мире полупроводникового лазера в 1962 году полупроводниковые лазеры претерпели огромные изменения, значительно способствуя развитию других наук и технологий, и считаются одним из величайших человеческих изобретений двадцатого века.

Технология производства полупроводниковых лазеров

В последние десятилетия развитие полупроводниковых лазеров стало еще более стремительным, что сделало их одной из самых быстроразвивающихся лазерных технологий в мире.

Применение полупроводниковых лазеров охватывает всю область оптоэлектроники и стало основной технологией оптоэлектронной науки сегодня.

Благодаря таким преимуществам полупроводниковых лазеров, как малый размер, простота конструкции, низкая потребляемая энергия, длительный срок службы, простота модуляции и низкая цена, они широко используются в области оптоэлектроники и высоко ценятся в странах всего мира.

Полупроводниковый лазер - это миниатюрный лазер с Pn-переходом или Pin-переходом, состоящим из полупроводникового материала с прямым зазором в качестве рабочего материала.

Существуют десятки рабочих веществ для полупроводниковых лазеров, а среди полупроводниковых материалов, из которых были сделаны лазеры, - арсенид галлия, арсенид индия, антимонид индия, сульфид кадмия, теллурид кадмия, селенид свинца, теллурид свинца, арсенид галлия алюминия, фосфорнокислый арсенид индия и др.

Существует три основных метода возбуждения полупроводниковых лазеров, т.е.:

  • Электрический тип впрыска
  • Легкий насосный тип
  • Тип возбуждения высокоэнергетическим электронным пучком

Большинство полупроводниковых лазеров возбуждаются с помощью электрической инжекции, то есть к Pn-переходу прикладывается прямое напряжение, чтобы вызвать возбужденное излучение в области плоскости перехода, которая представляет собой диод с прямым подводом.

Поэтому полупроводниковый лазер также называют полупроводниковым лазерным диодом.

В полупроводниках, поскольку электроны перескакивают между энергетическими полосами, а не между дискретными энергетическими уровнями, энергия перескока не является однозначной величиной, что приводит к тому, что выходная длина волны полупроводниковых лазеров распространяется в широком диапазоне.

Они излучают волны в диапазоне от 0,3 до 34 мкм.

Диапазон длин волн определяется энергетической щелью используемого материала, и наиболее распространенным является лазер на двойном гетеропереходе AlGaAs с выходной длиной волны от 750 до 890 нм.

Схематическая диаграмма структуры лазера

Схематическая диаграмма структуры лазера

Технология производства полупроводниковых лазеров прошла через различные процессы - от диффузии до жидкофазной эпитаксии (LPE), парофазной эпитаксии (VPE), молекулярно-лучевой эпитаксии (MBE), метода MOCVD (осаждение паров металл-органических соединений), химической лучевой эпитаксии (CBE) и различных их комбинаций.

Самый большой недостаток полупроводниковых лазеров заключается в том, что на их работу сильно влияет температура, а угол расхождения луча велик (обычно от нескольких градусов до 20 градусов), что приводит к плохой направленности, монохроматичности и когерентности.

Однако с быстрым развитием науки и техники исследования полупроводниковых лазеров продвигаются в направлении глубины, а характеристики полупроводниковых лазеров постоянно улучшаются.

Полупроводниковые лазеры, как ядро полупроводниковой оптоэлектронной технологии в информационном обществе 21 века, будут добиваться большего прогресса и играть более значительную роль.

Принцип работы полупроводникового лазера

Полупроводниковый лазер является источником когерентного излучения, чтобы он мог производить лазерный свет, должны быть три основных условия:

1. Условие усиления

Чтобы установить инверсионное распределение носителей в среде возбуждения (активной области), энергия электронов в полупроводнике представляется в виде ряда энергетических полос, состоящих из серии почти непрерывных энергетических уровней.

Поэтому, чтобы добиться инверсии числа частиц в полупроводниках, необходимо находиться между двумя областями энергетических полос.

Количество электронов в нижней части полосы проводимости в более высоком энергетическом состоянии намного больше, чем количество дырок в верхней части валентной полосы в более низком энергетическом состоянии. Это достигается путем добавления прямого смещения к гомо- или гетеропереходу и инжекции необходимых носителей в активный слой для возбуждения электронов из валентной полосы с более низкой энергией в полосу проводимости с более высокой энергией.

Возбужденное излучение возникает, когда большое количество электронов в состоянии с обратным числом частиц объединяется с дырками.

2. Для получения соответствующего вынужденного излучения

Для достижения множественной обратной связи и формирования лазерных колебаний необходимо возбудить излучение в оптическом резонаторе.

Резонансный резонатор лазера формируется путем использования естественного поверхностного раствора полупроводникового кристалла в качестве отражателя, обычно с высокоотражающей многослойной диэлектрической пленкой на неизлучающей стороне и частично отражающей пленкой на излучающей стороне.

В случае полупроводниковых лазеров с F-p резонатором (резонатор Фабри-Перо) F-p резонатор может быть легко сформирован за счет использования плоскости естественного раствора кристалла, перпендикулярной плоскости p-n-перехода.

3. Для формирования устойчивых колебаний лазерная среда должна обеспечивать достаточно большой коэффициент усиления

Чтобы компенсировать оптические потери, вызванные резонансным резонатором, и потери, вызванные выходом лазера с поверхности резонатора, необходимо постоянно увеличивать оптическое поле в резонаторе.

Для этого требуется достаточно сильная инжекция тока, то есть достаточное обращение числа частиц. Чем выше степень инверсии числа частиц, тем больше выигрыш, поэтому необходимо соблюдать определенное пороговое условие по току.

Когда лазер достигает порогового значения, свет с определенной длиной волны может резонировать в полости и усиливаться, в итоге образуя лазер и непрерывно излучая его.

Как видно, в полупроводниковых лазерах основным процессом излучения и усиления света является дипольный скачок электронов и дырок.

В отношении новых полупроводниковых лазеров сегодня признано, что квантовые ямы являются фундаментальной движущей силой развития полупроводниковых лазеров.

Тема о том, могут ли квантовые провода и квантовые точки в полной мере использовать преимущества квантовых эффектов, перешла в нынешнее столетие, и ученые пытались создать квантовые точки из различных материалов с самоорганизованными структурами, а квантовые точки GaInN использовались в полупроводниковых лазерах.

История полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры были впервые разработаны в начале 1960-х годов как лазеры на однородных переходах, которые представляли собой диоды с pn-переходом, изготовленные из одного материала. При подаче большого прямого тока электроны непрерывно инжектировались в p-область, а дырки - в n-область, что приводило к изменению распределения носителей в исходной зоне обеднения pn-перехода. Поскольку скорость миграции электронов превышает скорость миграции дырок, в активной зоне происходит эмиссия излучения и составных частиц, излучающих флуоресценцию, и при определенных условиях возникает импульсная форма полупроводникового лазера.

Второй этап развития полупроводниковых лазеров - гетероструктурные полупроводниковые лазеры, состоящие из двух тонких слоев полупроводникового материала с разной зоной пропускания, например GaAs и GaAlAs. Первым таким лазером был одиночный гетероструктурный лазер (1969). Одиночные гетеропереходные инжекционные лазеры (SHLD) в p-зоне GaAsP-N-перехода позволяют снизить пороговую плотность тока, значение которой на порядок ниже, чем у лазеров на гомопереходе, но одиночные гетеропереходные лазеры все еще не могут работать непрерывно при комнатной температуре.

С конца 1970-х годов полупроводниковые лазеры развивались в двух направлениях. Одно из них - разработка информационных лазеров для передачи информации, а другое - разработка мощных лазеров для увеличения оптической мощности. Это было обусловлено такими приложениями, как твердотельные лазеры с накачкой, и мощные полупроводниковые лазеры (непрерывная выходная мощность 100 мВт и более, импульсная выходная мощность 5 Вт и более) теперь считаются мощными полупроводниковыми лазерами.

В 1990-х годах произошел прорыв в технологии полупроводниковых лазеров, ознаменовавшийся значительным увеличением выходной мощности полупроводниковых лазеров. Были коммерциализированы мощные полупроводниковые лазеры киловаттного класса, а выходная мощность отечественных образцов достигла 600 Вт. Длины волн лазеров также расширились от инфракрасных полупроводниковых лазеров до красных полупроводниковых лазеров с длиной волны 670 нм, затем появились полупроводниковые лазеры с длиной волны 650 нм, 635 нм, сине-зеленые и голубые полупроводниковые лазеры. Также были успешно разработаны фиолетовые и даже ультрафиолетовые полупроводниковые лазеры мощностью 10 мВт.

В конце 1990-х годов разработка поверхностно-излучающих лазеров и лазеров с вертикальным резонатором была рассмотрена для различных применений в ультрапараллельной оптоэлектронике. Устройства на 980 нм, 850 нм и 780 нм нашли практическое применение в оптических системах. В настоящее время лазеры с вертикальным резонатором используются в высокоскоростных сетях для гигабитного Ethernet.

Применение полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры - это класс лазеров, которые созрели раньше и развивались быстрее благодаря широкому диапазону длин волн, простоте производства, низкой стоимости, легкости массового производства, небольшим размерам, малому весу и длительному сроку службы. Поэтому их развитие шло быстрыми темпами, а спектр их применения уже превысил 300 видов.

1. Применение в промышленности и технике

(1) Оптоволоконная связь:

Полупроводниковые лазеры являются единственным практичным источником света для волоконно-оптических систем связи, а волоконно-оптическая связь стала основным направлением современных коммуникационных технологий.

(2) Доступ к оптическим дискам:

Полупроводниковые лазеры использовались для создания оптической дисковой памяти, и их главным преимуществом является большой объем хранимой звуковой, текстовой и графической информации. Использование синих и зеленых лазеров позволяет значительно повысить плотность хранения информации на оптических дисках.

(3) Спектральный анализ:

Полупроводниковые лазеры с перестройкой в дальнем инфракрасном диапазоне используются для анализа газов в окружающей среде, мониторинга загрязнения атмосферы, автомобильных выхлопов и т.д. В промышленности он может использоваться для мониторинга процесса выпадения парофазных осадков.

(4) Оптическая обработка информации:

Полупроводниковые лазеры используются в оптических системах управления информацией. Двумерные массивы полупроводниковых лазеров с поверхностным излучением являются идеальными источниками света для оптических систем параллельной обработки данных и будут использоваться в компьютерах и оптических нейронных сетях.

(5) Лазерная микрофабрикация:

Полупроводниковые лазеры с модуляцией добротности производят высокоэнергетические ультракороткие световые импульсы для резки и перфорации интегральных схем.

(6) Лазерная сигнализация:

Полупроводниковые лазерные сигнализации используются в самых разных областях, включая сигнализацию взлома, сигнализацию уровня воды, сигнализацию расстояния до автомобиля и т.д.

(7) Лазерные принтеры:

Мощные полупроводниковые лазеры используются в лазерных принтерах. Использование синих и зеленых лазеров позволяет значительно повысить скорость и разрешение печати.

(8) Лазерный сканер штрих-кодов:

Полупроводниковые лазерные сканеры штрих-кодов широко используются для мерчендайзинга, а также для управления книгами и файлами.

(9) Твердотельные лазеры с накачкой:

Это важное применение мощных полупроводниковых лазеров, использование которых для замены оригинальной атмосферной лампы может составить полностью твердотельную лазерную систему.

(10) Лазерный телевизор высокой четкости:

В ближайшем будущем на рынке могут появиться полупроводниковые лазерные телевизоры без катодно-лучевых трубок, использующие красный, синий и зеленый лазеры и потребляющие на 20% меньше энергии, чем существующие телевизоры.

2. Применение в медицинских и медико-биологических исследованиях

(1) Лечение с помощью лазерной хирургии

Полупроводниковые лазеры используются для иссечения мягких тканей, соединения тканей, коагуляции и вапоризации. Они широко используются в общей хирургии, пластической хирургии, дерматологии, урологии, акушерстве и гинекологии.

(2) Лазерно-кинетическое лечение

Фоточувствительные вещества, обладающие сродством к опухолям, избирательно собираются в раковых тканях и облучаются полупроводниковым лазером для получения реактивных форм кислорода в раковых тканях, направленных на некроз без какого-либо повреждения здоровых тканей.

(3) Исследования в области наук о жизни

Использование полупроводниковых лазерных "оптических пинцетов", которые могут захватывать живые клетки или хромосомы и перемещать их в любое место, применяется для стимулирования синтеза клеток, взаимодействия клеток и других исследований, а также в качестве диагностического метода в криминалистике.

Не забывайте, что делиться - значит заботиться! : )
Шейн
Автор

Шейн

Основатель MachineMFG

Как основатель MachineMFG, я посвятил более десяти лет своей карьеры металлообрабатывающей промышленности. Мой обширный опыт позволил мне стать экспертом в области производства листового металла, механической обработки, машиностроения и станков для обработки металлов. Я постоянно думаю, читаю и пишу об этих предметах, постоянно стремясь оставаться на переднем крае своей области. Позвольте моим знаниям и опыту стать преимуществом для вашего бизнеса.

Далее

Освоение CAD/CAM: Основные технологии с пояснениями

Основные концепции автоматизированного проектирования и автоматизированного производства Автоматизированное проектирование и автоматизированное производство (CAD/CAM) - это комплексная и технически сложная дисциплина системного инжиниринга, которая включает в себя такие различные области, как компьютерная [...]...

Виртуальное производство: Концепции и принципы

Концепция виртуального производства Виртуальное производство (ВП) - это фундаментальная реализация реального производственного процесса на компьютере. В нем используются технологии компьютерного моделирования и виртуальной реальности, поддерживаемые высокопроизводительными [...]...

Понимание гибких производственных систем: Руководство

Гибкая производственная система (FMS) обычно использует принципы системной инженерии и групповой технологии. Она объединяет станки с числовым программным управлением (ЧПУ) (обрабатывающие центры), координатно-измерительные машины, системы транспортировки материалов, [...]...

Изучение 4 передовых методов нанофабрикации

Подобно тому, как производственные технологии играют важнейшую роль в различных областях, технология нанофабрикации занимает ключевое место в сфере нанотехнологий. Технология нанофабрикации включает в себя множество методов, в том числе механические [...].

Сверхточная обработка: Виды и технологии

Сверхточная обработка относится к прецизионным производственным процессам, в которых достигаются чрезвычайно высокие уровни точности и качества поверхности. Ее определение относительно и меняется по мере развития технологий. В настоящее время эта технология позволяет достичь [...].

Выбор правильного приспособления для ЧПУ: Типы и советы

В настоящее время механическую обработку можно разделить на две группы в зависимости от серийности производства: Среди этих двух категорий, первая составляет около 70-80% от общей стоимости продукции механической обработки [...]...

Топ-4 метода специальной обработки в современном машиностроении

В этой статье в основном представлены несколько зрелых методов специальной обработки. I. Обработка электрическим разрядом (EDM) EDM - это метод обработки токопроводящих материалов, использующий явление электрической коррозии во время [...]...

Что такое обработка с ЧПУ? Виды, преимущества, недостатки и этапы обработки

Что такое обработка с ЧПУ? Числовое программное управление (ЧПУ) - это метод управления движением и операциями обработки на станках с помощью оцифрованной информации. Станки с числовым программным управлением, часто сокращенно называемые [...]...

Изучение высокоскоростной резки: Обзор технологий и применение

Обработка резанием остается наиболее распространенным методом механической обработки, играющим важную роль в механическом производстве. С развитием производственных технологий технология обработки резанием претерпела значительный прогресс в [...].

Топ-7 новых инженерных материалов: Что нужно знать

Под передовыми материалами понимаются недавно исследованные или находящиеся в стадии разработки материалы, обладающие исключительными характеристиками и особыми функциональными свойствами. Эти материалы имеют огромное значение для развития науки и техники, [...]...

Методы расширения металла: Исчерпывающее руководство

Формирование выпуклости подходит для различных типов заготовок, таких как чашки глубокой вытяжки, разрезанные трубы и прокатные конические сварные изделия. Классификация по средствам формования выпуклости Методы формования выпуклости можно разделить [...].
MachineMFG
Поднимите свой бизнес на новый уровень
Подпишитесь на нашу рассылку
Последние новости, статьи и ресурсы, еженедельно отправляемые в ваш почтовый ящик.

Свяжитесь с нами

Вы получите наш ответ в течение 24 часов.