Halfgeleiderlasers zijn kwantumgeneratoren op basis van een actief halfgeleidermedium waarin optische versterking wordt gecreëerd door gestimuleerde emissie tijdens een kwantumovergang tussen energieniveaus bij een hoge concentratie aan ladingsdragers in de vrije zone.
Halfgeleiderlaser: werkingsprincipe
In de normale toestand bevinden de meeste elektronen zich op het valentieniveau. Wanneer fotonen energie leveren die de energie van de discontinuïteitszone overschrijdt, komen de elektronen van de halfgeleider in een staat van excitatie en, nadat ze de verboden zone hebben overwonnen, gaan ze naar de vrije zone, waarbij ze zich concentreren aan de onderrand. Tegelijkertijd stijgen de gaten gevormd op het valentieniveau naar de bovengrens. Elektronen in de vrije zone recombineren met gaten en stralen een energie uit die gelijk is aan de energie van de discontinuïteitszone in de vorm van fotonen. Recombinatie kan worden versterkt door fotonen met voldoende energieniveaus. De numerieke beschrijving komt overeen met de Fermi-verdelingsfunctie.
Apparaat
Halfgeleider laserapparaatis een laserdiode die wordt gepompt met de energie van elektronen en gaten in de p-n-junctiezone - het contactpunt van halfgeleiders met p- en n-type geleidbaarheid. Daarnaast zijn er halfgeleiderlasers met optische energievoorziening, waarbij de bundel wordt gevormd door het absorberen van fotonen van licht, evenals kwantumcascadelasers, waarvan de werking gebaseerd is op overgangen binnen banden.
Compositie
Standaardverbindingen die worden gebruikt in zowel halfgeleiderlasers als andere opto-elektronische apparaten zijn als volgt:
- galliumarsenide;
- galliumfosfide;
- galliumnitride;
- indiumfosfide;
- indium-galliumarsenide;
- gallium aluminiumarsenide;
- gallium-indiumarsenidenitride;
- gallium-indiumfosfide.
Golflengte
Deze verbindingen zijn halfgeleiders met directe spleet. Indirect-gap (silicium) licht stra alt niet met voldoende sterkte en efficiëntie. De golflengte van de diodelaserstraling hangt af van de mate van benadering van de fotonenergie tot de energie van de discontinuïteitszone van een bepaalde verbinding. In 3- en 4-componenten halfgeleiderverbindingen kan de energie van de discontinuïteitszone continu over een breed bereik variëren. Voor AlGaAs=AlxGa1-xAs resulteert bijvoorbeeld een verhoging van het aluminiumgeh alte (een verhoging van x) in een verhoging van de energie van de discontinuïteitszone.
Hoewel de meest gebruikelijke halfgeleiderlasers in het nabij-infrarood werken, stralen sommige rode (indiumgalliumfosfide), blauwe of violette (galliumnitride) kleuren uit. Midden-infraroodstraling wordt geproduceerd door halfgeleiderlasers (loodselenide) en kwantumcascadelasers.
Organische halfgeleiders
Naast de bovengenoemde anorganische verbindingen kunnen ook organische verbindingen worden gebruikt. De bijbehorende technologie is nog in ontwikkeling, maar de ontwikkeling ervan belooft de productiekosten van kwantumgeneratoren aanzienlijk te verlagen. Tot nu toe zijn alleen organische lasers met optische energievoorziening ontwikkeld en is er nog geen zeer efficiënt elektrisch pompen bereikt.
Rassen
Er zijn veel halfgeleiderlasers gemaakt, die verschillen in parameters en toegepaste waarde.
Kleine laserdiodes produceren een hoogwaardige straal van randstraling, waarvan het vermogen varieert van enkele tot vijfhonderd milliwatt. Het laserdiodekristal is een dunne rechthoekige plaat die als golfgeleider dient, aangezien de straling beperkt is tot een kleine ruimte. Het kristal is aan beide zijden gedoteerd om een pn-overgang van een groot gebied te creëren. De gepolijste uiteinden creëren een optische Fabry-Perot-resonator. Een foton dat door de resonator gaat, zal recombinatie veroorzaken, de straling zal toenemen en de generatie zal beginnen. Gebruikt in laserpointers, cd- en dvd-spelers en glasvezelcommunicatie.
Low-power monolithische lasers en kwantumgeneratoren met een externe resonator om korte pulsen te vormen, kunnen modusvergrendeling produceren.
Lasershalfgeleider met een externe resonator bestaat uit een laserdiode, die de rol speelt van een versterkend medium in de samenstelling van een grotere laserresonator. Ze kunnen van golflengte veranderen en hebben een smalle emissieband.
Injectie-halfgeleiderlasers hebben een emissiegebied in de vorm van een brede band en kunnen een straal van lage kwaliteit genereren met een vermogen van enkele watts. Ze bestaan uit een dunne actieve laag die zich tussen de p- en n-laag bevindt en een dubbele heterojunctie vormt. Er is geen mechanisme om het licht in de laterale richting te houden, wat resulteert in hoge bundelellipticiteit en onaanvaardbaar hoge drempelstromen.
Krachtige diodebalken, bestaande uit een reeks breedbanddiodes, kunnen een straal van middelmatige kwaliteit produceren met een vermogen van tientallen watts.
Krachtige tweedimensionale arrays van diodes kunnen een vermogen van honderden en duizenden watts genereren.
Surface-emitting lasers (VCSEL's) zenden een hoogwaardige lichtstraal uit met een vermogen van enkele milliwatts loodrecht op de plaat. Resonatorspiegels worden op het stralingsoppervlak aangebracht in de vorm van lagen van ¼ golflengte met verschillende brekingsindices. Op een enkele chip kunnen honderden lasers worden gemaakt, waardoor massaproductie mogelijk wordt.
VECSEL-lasers met optische voeding en een externe resonator kunnen een straal van goede kwaliteit genereren met een vermogen van enkele watt in modusvergrendeling.
De werking van een halfgeleiderlaser-kwantum-cascadetype is gebaseerd op overgangen binnen de zones (in tegenstelling tot tussenzones). Deze apparaten zenden uit in het midden-infraroodgebied, soms in het terahertz-bereik. Ze worden bijvoorbeeld gebruikt als gasanalysatoren.
Halfgeleiderlasers: toepassing en belangrijkste aspecten
Krachtige diodelasers met hoogrenderende elektrische pompen bij matige spanningen worden gebruikt als middel om hoogrenderende vastestoflasers van stroom te voorzien.
Halfgeleiderlasers kunnen over een breed frequentiebereik werken, waaronder de zichtbare, nabij-infrarode en midden-infrarode delen van het spectrum. Er zijn apparaten gemaakt waarmee u ook de frequentie van de emissie kunt wijzigen.
Laserdiodes kunnen snel schakelen en optisch vermogen moduleren, wat ook wordt toegepast in glasvezelzenders.
Dergelijke eigenschappen hebben halfgeleiderlasers technologisch tot het belangrijkste type kwantumgeneratoren gemaakt. Ze zijn van toepassing:
- in telemetriesensoren, pyrometers, optische hoogtemeters, afstandmeters, bezienswaardigheden, holografie;
- in glasvezelsystemen voor optische transmissie en gegevensopslag, coherente communicatiesystemen;
- in laserprinters, videoprojectoren, aanwijzers, barcodescanners, beeldscanners, cd-spelers (dvd, cd, Blu-Ray);
- in beveiligingssystemen, kwantumcryptografie, automatisering, indicatoren;
- in optische metrologie en spectroscopie;
- in chirurgie, tandheelkunde, cosmetologie, therapie;
- voor waterbehandeling,materiaalverwerking, laserpompen in vaste toestand, controle van chemische reacties, industriële sortering, industriële techniek, ontstekingssystemen, luchtverdedigingssystemen.
Pulsuitgang
De meeste halfgeleiderlasers genereren een continue straal. Vanwege de korte verblijftijd van elektronen op geleidingsniveau zijn ze niet erg geschikt voor het genereren van Q-geschakelde pulsen, maar de quasi-continue modus maakt een aanzienlijke toename van het vermogen van de kwantumgenerator mogelijk. Bovendien kunnen halfgeleiderlasers worden gebruikt om ultrakorte pulsen te genereren met modusvergrendeling of versterkingsschakeling. Het gemiddelde vermogen van korte pulsen is meestal beperkt tot enkele milliwatts, met uitzondering van optisch gepompte VECSEL-lasers, waarvan de output wordt gemeten door pulsen van meerdere watt picoseconde met een frequentie van tientallen gigahertz.
Modulatie en stabilisatie
Het voordeel van het korte verblijf van een elektron in de geleidingsband is het vermogen van halfgeleiderlasers tot hoogfrequente modulatie, die voor VCSEL-lasers groter is dan 10 GHz. Het heeft toepassing gevonden in optische datatransmissie, spectroscopie, laserstabilisatie.
