Прынцып працы і асноўныя тыпыпаўправадніковы лазер
ПаўправаднікЛазерныя дыёдыДзякуючы высокай эфектыўнасці, мініяцюрызацыі і разнастайнасці даўжынь хваль, яны шырока выкарыстоўваюцца ў якасці асноўных кампанентаў оптаэлектронных тэхналогій у такіх галінах, як сувязь, медыцынская дапамога і прамысловая апрацоўка. У гэтым артыкуле далей апісаны прынцып працы і тыпы паўправадніковых лазераў, што зручна для выбару большасцю даследчыкаў оптаэлектронікі.
1. Прынцып выпраменьвання святла паўправадніковых лазераў
Прынцып люмінесцэнцыі паўправадніковых лазераў заснаваны на зоннай структуры, электронных пераходах і вымушаным выпраменьванні паўправадніковых матэрыялаў. Паўправадніковыя матэрыялы - гэта тып матэрыялаў з забароненай зонай, якая ўключае валентную зону і зону праводнасці. Калі матэрыял знаходзіцца ў асноўным стане, электроны запаўняюць валентную зону, а ў зоне праводнасці электронаў няма. Пры ўздзеянні пэўнага знешняга электрычнага поля або падачы току некаторыя электроны пераходзяць з валентнай зоны ў зону праводнасці, утвараючы электронна-дзіркавыя пары. Падчас працэсу вызвалення энергіі, калі гэтыя электронна-дзіркавыя пары стымулююцца знешнім светам, генеруюцца фатоны, гэта значыць лазеры.
2. Метады ўзбуджэння паўправадніковых лазераў
Існуюць тры асноўныя метады ўзбуджэння паўправадніковых лазераў, а менавіта тып электрычнай інжэкцыі, тып аптычнай накачкі і тып узбуджэння электронным пучком высокай энергіі.
Электрычна інжэкцыйныя паўправадніковыя лазеры: звычайна гэта паўправадніковыя дыёды з паверхневым злучэннем, вырабленыя з такіх матэрыялаў, як арсенід галію (GaAs), сульфід кадмію (CdS), фасфід індыя (InP) і сульфід цынку (ZnS). Яны ўзбуджаюцца шляхам інжэкцыі току ўздоўж прамога зрушэння, генеруючы вымушанае выпраменьванне ў вобласці плоскасці злучэння.
Аптычна накачаныя паўправадніковыя лазеры: звычайна ў якасці рабочага рэчыва выкарыстоўваюцца паўправадніковыя монакрышталі N-тыпу або P-тыпу (напрыклад, GaAS, InAs, InSb і г.д.), алазервыпраменьванае іншымі лазерамі выкарыстоўваецца ў якасці аптычна накачанага ўзбуджэння.
Паўправадніковыя лазеры з узбуджэннем электронным пучком высокай энергіі: як правіла, яны таксама выкарыстоўваюць паўправадніковыя монакрышталі N-тыпу або P-тыпу (напрыклад, PbS, CdS, ZhO і г.д.) у якасці рабочага рэчыва і ўзбуджаюцца шляхам увядзення высокаэнергетычнага электроннага пучка звонку. Сярод паўправадніковых лазерных прылад лепшымі характарыстыкамі і больш шырокім прымяненнем з'яўляецца электрычна ўведзены GaAs дыёдны лазер з падвойнай гетэраструктурай.
3. Асноўныя тыпы паўправадніковых лазераў
Актыўная вобласць паўправадніковага лазера з'яўляецца асноўнай вобласцю для генерацыі і ўзмацнення фатонаў, а яе таўшчыня складае ўсяго некалькі мікраметраў. Унутраныя хваляводныя структуры выкарыстоўваюцца для абмежавання бакавой дыфузіі фатонаў і павышэння шчыльнасці энергіі (напрыклад, грабяністыя хваляводы і ўтоеныя гетэрапераходы). Лазер выкарыстоўвае канструкцыю з радыятарам і выкарыстоўвае матэрыялы з высокай цеплаправоднасцю (напрыклад, сплаў медзі і вальфраму) для хуткага рассейвання цяпла, што можа прадухіліць дрэйф даўжыні хвалі, выкліканы перагрэвам. У залежнасці ад іх структуры і сцэнарыяў прымянення, паўправадніковыя лазеры можна класіфікаваць на наступныя чатыры катэгорыі:
Лазер з краёвым выпраменьваннем (EEL)
Лазер выпраменьваецца з паверхні сколу на баку чыпа, утвараючы эліптычную пляму (з вуглом разыходжання прыблізна 30°×10°). Тыповыя даўжыні хваль ўключаюць 808 нм (для накачкі), 980 нм (для сувязі) і 1550 нм (для валаконнай сувязі). Ён шырока выкарыстоўваецца ў магутнай прамысловай рэзцы, крыніцах накачкі валаконнымі лазерамі і магістральных сетках аптычнай сувязі.
2. Лазер з вертыкальным рэзанатарам паверхні, які выпраменьвае выпраменьванне (VCSEL)
Лазер выпраменьваецца перпендыкулярна паверхні чыпа, з круглым і сіметрычным праменем (кут разыходжання <15°). Ён мае размеркаваны брэгаўскі адбівальнік (DBR), што выключае неабходнасць знешняга адбівальніка. Ён шырока выкарыстоўваецца ў 3D-датчыках (напрыклад, распазнаванне твараў па мабільных тэлефонах), аптычнай сувязі блізкага радыусу дзеяння (цэнтры апрацоўкі дадзеных) і лідарных тэхналогіях (LiDAR).
3. Квантавы каскадны лазер (ККЛ)
Дзякуючы каскаднаму пераходу электронаў паміж квантавымі ямамі, даўжыня хвалі ахоплівае сярэдні і далёкі інфрачырвоны дыяпазон (3-30 мкм) без неабходнасці інверсіі населенасці. Фатоны генеруюцца праз міжпадзонныя пераходы і шырока выкарыстоўваюцца ў такіх прымяненнях, як газавыя датчыкі (напрыклад, выяўленне CO₂), тэрагерцавая візуалізацыя і маніторынг навакольнага асяроддзя.
Знешняя канструкцыя рэзанатара настройванага лазера (рашотка/прызма/люстэрка MEMS) дазваляе дасягнуць дыяпазону перабудовы даўжыні хвалі ±50 нм, з вузкай шырынёй лініі (<100 кГц) і высокім каэфіцыентам падаўлення бакавых мод (>50 дБ). Ён шырока выкарыстоўваецца ў такіх сферах, як сувязь з шчыльным мультыплексаваннем па даўжыні хвалі (DWDM), спектральны аналіз і біямедыцынская візуалізацыя. Паўправадніковыя лазеры шырока выкарыстоўваюцца ў лазерных прыладах сувязі, лічбавых лазерных запамінальных прыладах, абсталяванні для лазернай апрацоўкі, абсталяванні для лазернай маркіроўкі і ўпакоўкі, лазерным наборы і друку, лазерным медыцынскім абсталяванні, прыборах для лазернага дыстанцыйнага і калімацыйнага выяўлення, лазерных прыборах і абсталяванні для забаў і адукацыі, лазерных кампанентах і дэталях і г.д. Яны з'яўляюцца аднымі з асноўных кампанентаў лазернай прамысловасці. З-за шырокага спектру прымянення існуе мноства брэндаў і вытворцаў лазераў. Пры выбары варта зыходзіць з канкрэтных патрэб і абласцей прымянення. Розныя вытворцы маюць розныя сферы прымянення, і выбар вытворцаў і лазераў павінен праводзіцца ў адпаведнасці з рэальнай вобласцю прымянення праекта.
Час публікацыі: 05 лістапада 2025 г.