ليزر أشباه الموصلات عبارة عن مولدات كمومية تعتمد على وسط نشط لأشباه الموصلات يتم فيه إنشاء التضخيم البصري عن طريق الانبعاث المحفّز أثناء الانتقال الكمي بين مستويات الطاقة عند تركيز عالٍ من ناقلات الشحن في المنطقة الحرة.
ليزر أشباه الموصلات: مبدأ التشغيل
في الحالة الطبيعية ، تقع معظم الإلكترونات على مستوى التكافؤ. عندما تزود الفوتونات طاقة تتجاوز طاقة منطقة الانقطاع ، تدخل إلكترونات أشباه الموصلات في حالة من الإثارة ، وبعد أن تغلبت على المنطقة المحظورة ، تنتقل إلى المنطقة الحرة ، مركزة عند حافتها السفلية. في نفس الوقت ، الثقوب المتكونة عند مستوى التكافؤ ترتفع إلى حدودها العليا. تتحد الإلكترونات في المنطقة الحرة مع الثقوب ، مشعة طاقة مساوية لطاقة منطقة عدم الاستمرارية في شكل فوتونات. يمكن تعزيز إعادة التركيب بواسطة فوتونات ذات مستويات طاقة كافية. الوصف العددي يتوافق مع دالة توزيع فيرمي
الجهاز
جهاز ليزر أشباه الموصلاتهو صمام ثنائي ليزر يتم ضخه بطاقة الإلكترونات والثقوب في منطقة الوصل p-n - نقطة التلامس لأشباه الموصلات مع الموصلية من النوع p و n. بالإضافة إلى ذلك ، هناك ليزر أشباه الموصلات مزود بالطاقة الضوئية ، حيث يتم تشكيل الحزمة عن طريق امتصاص فوتونات الضوء ، بالإضافة إلى ليزر الشلال الكمي ، الذي يعتمد تشغيله على التحولات داخل النطاقات.
تكوين
التوصيلات القياسية المستخدمة في كل من أشعة الليزر شبه الموصلة وغيرها من الأجهزة الإلكترونية الضوئية هي كما يلي:
- زرنيخيد الغاليوم ؛
- فوسفيد الجاليوم ؛
- نيتريد الغاليوم ؛
- فوسفيد الإنديوم ؛
- زرنيخيد الإنديوم-الغاليوم ؛
- زرنيخ ألومنيوم الغاليوم ؛
- نيتريد زرنيخيد الغاليوم الإنديوم ؛
- فوسفيد الغاليوم والإنديوم.
الطول الموجي
هذه المركبات عبارة عن أشباه موصلات ذات فجوة مباشرة. لا ينبعث ضوء الفجوة غير المباشرة (السيليكون) بقوة وكفاءة كافيين. يعتمد الطول الموجي لإشعاع ليزر الصمام الثنائي على درجة تقريب طاقة الفوتون إلى طاقة منطقة عدم الاستمرارية لمركب معين. في مركبات أشباه الموصلات المكونة من 3 و 4 مكونات ، يمكن أن تتغير طاقة منطقة الانقطاع باستمرار على نطاق واسع. بالنسبة إلى AlGaAs=AlxGa1-x، على سبيل المثال ، تؤدي الزيادة في محتوى الألومنيوم (زيادة في x) إلى زيادة في طاقة منطقة الانقطاع
بينما تعمل أكثر أنواع ليزر أشباه الموصلات شيوعًا في الأشعة تحت الحمراء القريبة ، يصدر بعضها ألوانًا حمراء (فوسفيد الإنديوم الغاليوم) أو زرقاء أو بنفسجية (نيتريد الغاليوم).يتم إنتاج إشعاع منتصف الأشعة تحت الحمراء بواسطة ليزر أشباه الموصلات (سيلينيد الرصاص) وأشعة الليزر المتتالية الكمية.
أشباه الموصلات العضوية
بالإضافة إلى المركبات غير العضوية المذكورة أعلاه ، يمكن أيضًا استخدام المركبات العضوية. لا تزال التكنولوجيا المقابلة قيد التطوير ، لكن تطويرها يعد بتقليل تكلفة إنتاج المولدات الكمية بشكل كبير. حتى الآن ، تم تطوير الليزر العضوي فقط المزود بإمدادات الطاقة الضوئية ، ولم يتم بعد تحقيق الضخ الكهربائي عالي الكفاءة.
أصناف
تم إنشاء العديد من أنواع الليزر شبه الموصلة ، والتي تختلف في المعلمات والقيمة المطبقة.
تنتج ثنائيات الليزر الصغيرة شعاعًا عالي الجودة من إشعاع الحواف ، تتراوح قوتها من عدة إلى خمسمائة ملي واط. بلورة الصمام الثنائي بالليزر عبارة عن لوحة مستطيلة رقيقة تعمل كدليل موجي ، حيث يقتصر الإشعاع على مساحة صغيرة. الكريستال مخدر على كلا الجانبين لإنشاء تقاطع p-n لمساحة كبيرة. النهايات المصقولة تخلق مرنانًا ضوئيًا لـ Fabry-Perot. سوف يتسبب الفوتون الذي يمر عبر الرنان في إعادة التركيب ، وسيزداد الإشعاع وسيبدأ التوليد. يستخدم في مؤشرات الليزر ومشغلات الأقراص المضغوطة وأقراص DVD واتصالات الألياف البصرية.
يمكن أن تنتج أجهزة الليزر المتجانسة منخفضة الطاقة والمولدات الكمومية مع مرنان خارجي لتشكيل نبضات قصيرة قفل الوضع.
الليزريتكون أشباه الموصلات ذات الرنان الخارجي من صمام ثنائي ليزر ، والذي يلعب دور وسيط مضخم في تكوين مرنان ليزر أكبر. إنها قادرة على تغيير الأطوال الموجية ولها نطاق انبعاث ضيق.
حقن ليزر أشباه الموصلات منطقة انبعاث على شكل نطاق عريض ، ويمكن أن تولد شعاعًا منخفض الجودة بقوة عدة واط. وهي تتكون من طبقة رقيقة نشطة تقع بين الطبقة p و n ، وتشكل ارتباطًا مزدوجًا غير متجانس. لا توجد آلية للحفاظ على الضوء في الاتجاه الجانبي ، مما يؤدي إلى إهليلجي عالي الشعاع وتيارات عتبة عالية بشكل غير مقبول.
قضبان الصمام الثنائي القوية ، التي تتكون من مجموعة من الثنائيات ذات النطاق العريض ، قادرة على إنتاج حزمة ذات جودة متوسطة بقوة عشرات الواط.
يمكن لمصفوفات الثنائيات القوية ثنائية الأبعاد أن تولد طاقة بمئات وآلاف الواط.
أشعة الليزر الباعثة للسطح (VCSELs) تبعث شعاعًا عالي الجودة من الضوء بقوة عدة ملي واط عموديًا على اللوحة. يتم تطبيق المرايا الرنانة على سطح الإشعاع على شكل طبقات بطول موجة بمؤشرات انكسار مختلفة. يمكن تصنيع عدة مئات من الليزر على شريحة واحدة ، مما يفتح إمكانية الإنتاج الضخم.
ليزرات VECSEL المزودة بمصدر طاقة بصري ومرنان خارجي قادرة على توليد شعاع من نوعية جيدة بقوة عدة واط في وضع القفل.
تشغيل كم ليزر أشباه الموصلاتيعتمد النوع المتتالي على التحولات داخل المناطق (على عكس المناطق البينية). تنبعث هذه الأجهزة في منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة ، أحيانًا في نطاق تيراهيرتز. يتم استخدامها ، على سبيل المثال ، كمحللات غاز.
ليزر أشباه الموصلات: التطبيق والجوانب الرئيسية
تستخدم ليزرات الصمام الثنائي القوية ذات الضخ الكهربائي عالي الكفاءة بجهد معتدل كوسيلة لتزويد ليزرات الحالة الصلبة عالية الكفاءة.
يمكن لليزر أشباه الموصلات أن يعمل على نطاق واسع من الترددات ، بما في ذلك الأجزاء المرئية والأشعة تحت الحمراء القريبة والمتوسطة من الطيف. تم إنشاء أجهزة تسمح لك أيضًا بتغيير وتيرة الانبعاث.
يمكن لثنائيات الليزر تبديل الطاقة الضوئية وتعديلها بسرعة ، والتي تجد تطبيقًا في أجهزة إرسال الألياف البصرية.
هذه الخصائص جعلت ليزر أشباه الموصلات من الناحية التكنولوجية أهم أنواع المولدات الكمومية. يطبقون:
- في مجسات القياس عن بعد ، البيرومترات ، مقاييس الارتفاع البصرية ، محددات المدى ، المشاهد ، التصوير المجسم ؛
- في أنظمة الألياف البصرية للنقل البصري وتخزين البيانات ، وأنظمة الاتصالات المتماسكة ؛
- في طابعات الليزر ، أجهزة عرض الفيديو ، المؤشرات ، ماسحات الباركود ، الماسحات الضوئية للصور ، مشغلات الأقراص المضغوطة (DVD ، CD ، Blu-Ray) ؛
- في أنظمة الأمن ، والتشفير الكمومي ، والأتمتة ، والمؤشرات ؛
- في القياس البصري والتحليل الطيفي ؛
- في الجراحة وطب الأسنان والتجميل والعلاج ؛
- لمعالجة المياه ،معالجة المواد ، ضخ ليزر الحالة الصلبة ، التحكم في التفاعل الكيميائي ، الفرز الصناعي ، الهندسة الصناعية ، أنظمة الإشعال ، أنظمة الدفاع الجوي.
خرج النبض
معظم أنواع الليزر شبه الموصلة تولد شعاعًا مستمرًا. نظرًا لقصر مدة بقاء الإلكترونات على مستوى التوصيل ، فهي ليست مناسبة جدًا لتوليد نبضات Q-switched ، لكن وضع التشغيل شبه المستمر يسمح بزيادة كبيرة في قدرة المولد الكمي. بالإضافة إلى ذلك ، يمكن استخدام ليزر أشباه الموصلات لتوليد نبضات فائقة القصر مع قفل الوضع أو تحويل الكسب. عادة ما يقتصر متوسط قدرة النبضات القصيرة على بضعة ملي واط ، باستثناء ليزر VECSEL الذي يتم ضخه بصريًا ، والذي يقاس ناتجه بواسطة نبضات البيكو ثانية متعددة الواط بتردد عشرات الجيجاهيرتز.
التعديل والاستقرار
ميزة البقاء القصير للإلكترون في نطاق التوصيل هي قدرة ليزر أشباه الموصلات على تعديل عالي التردد ، والذي يتجاوز 10 جيجاهرتز في ليزر VCSEL. لقد وجد تطبيقًا في نقل البيانات الضوئية ، التحليل الطيفي ، تثبيت الليزر.
