Laser bán dẫn là máy phát lượng tử dựa trên môi trường hoạt động bán dẫn trong đó khuếch đại quang được tạo ra bằng cách phát xạ kích thích trong quá trình chuyển đổi lượng tử giữa các mức năng lượng ở nồng độ cao của hạt mang điện trong vùng tự do.
Laser bán dẫn: nguyên lý hoạt động
Ở trạng thái bình thường, hầu hết các electron đều nằm ở mức hóa trị. Khi các photon cung cấp năng lượng vượt quá năng lượng của vùng gián đoạn, các electron của chất bán dẫn chuyển sang trạng thái bị kích thích và vượt qua vùng cấm, đi vào vùng tự do, tập trung ở cạnh dưới của nó. Đồng thời, các lỗ hình thành ở mức hóa trị tăng lên ranh giới trên của nó. Các electron trong vùng tự do tái kết hợp với các lỗ trống, bức xạ một năng lượng bằng năng lượng của vùng gián đoạn dưới dạng photon. Sự tái kết hợp có thể được tăng cường bởi các photon có mức năng lượng đủ. Mô tả số tương ứng với hàm phân phối Fermi.
Thiết bị
Thiết bị laser bán dẫnlà một diode laser được bơm năng lượng của các electron và lỗ trống trong vùng tiếp giáp p-n - điểm tiếp xúc của các chất bán dẫn có độ dẫn điện loại p và n. Ngoài ra, còn có các loại laser bán dẫn cung cấp năng lượng quang học, trong đó chùm tia được hình thành bằng cách hấp thụ các photon ánh sáng, cũng như các tia laser tầng lượng tử, hoạt động của chúng dựa trên sự chuyển đổi trong các dải.
Thành phần
Các kết nối tiêu chuẩn được sử dụng trong cả laser bán dẫn và các thiết bị quang điện tử khác như sau:
- arsenide gali;
- gali photphua;
- gali nitrua;
- indium phosphide;
- arsenide indium-gallium;
- gali nhôm arsenide;
- gali-indium arsenide nitride;
- gali-indium phosphide.
Bước sóng
Những hợp chất này là chất bán dẫn có khe hở trực tiếp. Ánh sáng có khe hở gián tiếp (silicon) không phát ra đủ cường độ và hiệu quả. Bước sóng của bức xạ laser diode phụ thuộc vào mức độ xấp xỉ của năng lượng photon với năng lượng của vùng gián đoạn của một hợp chất cụ thể. Trong các hợp chất bán dẫn 3 và 4 thành phần, năng lượng vùng gián đoạn có thể liên tục thay đổi trong một phạm vi rộng. Đối với AlGaAs=AlxGa1-xVí dụ: sự gia tăng hàm lượng nhôm (tăng x) dẫn đến tăng năng lượng của vùng gián đoạn.
Trong khi laser bán dẫn phổ biến nhất hoạt động trong vùng hồng ngoại gần, một số phát ra màu đỏ (indium gallium phosphide), xanh lam hoặc tím (gallium nitride). Bức xạ hồng ngoại giữa được tạo ra bởi laser bán dẫn (chì selenua) và laser thác lượng tử.
Chất bán dẫn hữu cơ
Ngoài các hợp chất vô cơ nêu trên, các hợp chất hữu cơ cũng có thể được sử dụng. Công nghệ tương ứng vẫn đang được phát triển, nhưng sự phát triển của nó hứa hẹn sẽ giảm đáng kể chi phí sản xuất máy phát lượng tử. Cho đến nay, chỉ có laser hữu cơ cung cấp năng lượng quang học mới được phát triển và vẫn chưa đạt được tính năng bơm điện hiệu quả cao.
Giống
Nhiều laser bán dẫn đã được tạo ra, khác nhau về thông số và giá trị ứng dụng.
Điốt laze nhỏ tạo ra chùm bức xạ cạnh chất lượng cao, công suất của nó nằm trong khoảng từ vài đến năm trăm miliwatt. Tinh thể điốt laze là một tấm mỏng hình chữ nhật đóng vai trò như một ống dẫn sóng, vì bức xạ bị giới hạn trong một không gian nhỏ. Tinh thể được pha tạp trên cả hai mặt để tạo ra một tiếp giáp p-n của một khu vực rộng lớn. Các đầu được đánh bóng tạo ra một bộ cộng hưởng Fabry-Perot quang học. Một photon đi qua bộ cộng hưởng sẽ gây ra sự tái kết hợp, bức xạ sẽ tăng lên và quá trình tạo ra sẽ bắt đầu. Được sử dụng trong con trỏ laser, đầu đĩa CD và DVD và truyền thông cáp quang.
Laser nguyên khối công suất thấp và máy phát lượng tử với bộ cộng hưởng bên ngoài để tạo thành các xung ngắn có thể tạo ra khóa chế độ.
Laserchất bán dẫn với bộ cộng hưởng bên ngoài bao gồm một điốt laze, đóng vai trò của một môi trường khuếch đại trong thành phần của một bộ cộng hưởng laze lớn hơn. Chúng có khả năng thay đổi bước sóng và có dải phát xạ hẹp.
Laser bán dẫn tiêm có vùng phát xạ ở dạng dải rộng, có thể tạo ra chùm tia chất lượng thấp với công suất vài watt. Chúng bao gồm một lớp hoạt động mỏng nằm giữa lớp p- và n, tạo thành một dị liên kết kép. Không có cơ chế giữ ánh sáng theo hướng bên, dẫn đến độ elip của chùm tia cao và dòng điện ngưỡng cao không thể chấp nhận được.
Thanh điốt mạnh mẽ, bao gồm một loạt các điốt băng thông rộng, có khả năng tạo ra chùm tia chất lượng tầm thường với công suất hàng chục watt.
Các dãy điốt hai chiều mạnh mẽ có thể tạo ra công suất hàng trăm và hàng nghìn watt.
Laze phát xạ bề mặt (VCSEL) phát ra chùm ánh sáng chất lượng cao với công suất vài miliwat vuông góc với tấm. Gương cộng hưởng được đặt trên bề mặt bức xạ dưới dạng các lớp sóng có độ dài ¼ với chiết suất khác nhau. Vài trăm tia laser có thể được tạo ra trên một con chip duy nhất, mở ra khả năng sản xuất hàng loạt.
VECSEL laser với bộ nguồn quang học và bộ cộng hưởng bên ngoài có thể tạo ra chùm tia chất lượng tốt với công suất vài watt khi khóa chế độ.
Hoạt động của lượng tử laze bán dẫn-kiểu thác dựa trên sự chuyển tiếp trong các vùng (trái ngược với các vùng). Các thiết bị này phát ra trong vùng hồng ngoại trung bình, đôi khi trong dải terahertz. Ví dụ, chúng được sử dụng làm máy phân tích khí.
Laser bán dẫn: ứng dụng và các khía cạnh chính
Laser diode mạnh mẽ với khả năng bơm điện hiệu quả cao ở điện áp vừa phải được sử dụng như một phương tiện cung cấp năng lượng cho laser trạng thái rắn hiệu suất cao.
Laser bán dẫn có thể hoạt động trên một dải tần số rộng, bao gồm các phần hồng ngoại nhìn thấy, cận hồng ngoại và hồng ngoại trung bình của quang phổ. Các thiết bị đã được tạo ra cũng cho phép bạn thay đổi tần số phát xạ.
Điốt laze có thể nhanh chóng chuyển đổi và điều chế công suất quang học, ứng dụng này được ứng dụng trong các thiết bị phát cáp quang.
Những đặc điểm như vậy đã làm cho laser bán dẫn về mặt công nghệ trở thành loại máy phát lượng tử quan trọng nhất. Họ áp dụng:
- trong cảm biến đo xa, nhiệt kế, máy đo độ cao quang học, máy đo khoảng cách, điểm ngắm, ảnh ba chiều;
- trong hệ thống cáp quang truyền dẫn quang và lưu trữ dữ liệu, hệ thống thông tin liên lạc mạch lạc;
- trong máy in laser, máy chiếu video, con trỏ, máy quét mã vạch, máy quét hình ảnh, đầu đĩa CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- trong hệ thống bảo mật, mật mã lượng tử, tự động hóa, chỉ báo;
- trong đo lường quang học và quang phổ;
- trong phẫu thuật, nha khoa, thẩm mỹ, trị liệu;
- để xử lý nước,xử lý vật liệu, bơm laser ở trạng thái rắn, kiểm soát phản ứng hóa học, phân loại công nghiệp, kỹ thuật công nghiệp, hệ thống đánh lửa, hệ thống phòng không.
Đầu ra xung
Hầu hết các laser bán dẫn tạo ra một chùm sáng liên tục. Do thời gian cư trú ngắn của các điện tử ở mức độ dẫn, chúng không thích hợp lắm để tạo xung chuyển mạch Q, nhưng chế độ hoạt động bán liên tục cho phép tăng đáng kể công suất của bộ tạo lượng tử. Ngoài ra, laser bán dẫn có thể được sử dụng để tạo ra các xung siêu ngắn với khóa chế độ hoặc chuyển đổi độ lợi. Công suất trung bình của các xung ngắn thường được giới hạn ở một vài miliwatt, ngoại trừ laser VECSEL được bơm quang học, có đầu ra được đo bằng xung picosec giây nhiều watt với tần số hàng chục gigahertz.
Điều chế và ổn định
Ưu điểm của thời gian lưu lại ngắn của điện tử trong vùng dẫn là khả năng điều chế tần số cao của laser bán dẫn, đối với laser VCSEL vượt quá 10 GHz. Nó đã được tìm thấy ứng dụng trong truyền dữ liệu quang học, quang phổ, ổn định laser.
