Hva er halvlederlaseren?

Siden oppfinnelsen av verdens første halvlederlaser i 1962, har halvlederlaseren gjennomgått enorme endringer, noe som i stor grad fremmet utviklingen av annen vitenskap og teknologi, og regnes for å være en av de største menneskelige oppfinnelsene i det tjuende århundre. I løpet av de siste ti årene har halvlederlasere utviklet seg raskere og blitt den raskest voksende laserteknologien i verden. Bruksområdet for halvlederlasere dekker hele feltet av optoelektronikk og har blitt kjerneteknologien i dagens optoelektronikkvitenskap. På grunn av fordelene med liten størrelse, enkel struktur, lav inngangsenergi, lang levetid, enkel modulering og lav pris, er halvlederlasere mye brukt innen optoelektronikk og har blitt høyt verdsatt av land over hele verden.

halvlederlaser
A halvlederlaserer en miniatyrisert laser som bruker en Pn-overgang eller Pin-overgang sammensatt av et direkte båndgap-halvledermateriale som arbeidsstoff. Det er dusinvis av halvlederlaserarbeidsmaterialer. Halvledermaterialene som har blitt laget om til lasere inkluderer galliumarsenid, indiumarsenid, indiumantimonid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, blyselenid, blytellurid, aluminiumgalliumarsenid, indiumfosfor, arsen, etc. Det er tre hovedeksiteringsmetoder for halvledere. lasere, nemlig elektrisk injeksjonstype, optisk pumpetype og høyenergielektronstråleeksitasjonstype. Eksitasjonsmetoden til de fleste halvlederlasere er elektrisk injeksjon, det vil si at en foroverspenning påføres Pn-krysset for å generere stimulert emisjon i kryssplanområdet, det vil si en foroverspent diode. Derfor kalles halvlederlasere også halvlederlaserdioder. For halvledere, siden elektroner går mellom energibånd i stedet for diskrete energinivåer, er ikke overgangsenergien en bestemt verdi, noe som gjør at utgangsbølgelengden til halvlederlasere spres over et bredt område. på området. Bølgelengdene de sender ut er mellom 0,3 og 34 μm. Bølgelengdeområdet bestemmes av energibåndgapet til materialet som brukes. Den vanligste er AlGaAs dobbel heterojunction laser, som har en utgangsbølgelengde på 750-890 nm.
Halvlederlaserfremstillingsteknologien har erfart fra diffusjonsmetoden til væskefaseepitaksi (LPE), dampfaseepitaksi (VPE), molekylærstråleepitaksi (MBE), MOCVD-metoden (dampavsetning av metallorganisk forbindelse), kjemisk stråleepitaksi (CBE) ) og ulike kombinasjoner av dem. Den største ulempen med halvlederlasere er at laserytelsen i stor grad påvirkes av temperaturen, og divergensvinkelen til strålen er stor (vanligvis mellom noen få grader og 20 grader), så den er dårlig i retningsbestemmelse, monokromatiskhet og koherens. Imidlertid, med den raske utviklingen av vitenskap og teknologi, går forskningen på halvlederlasere i retning av dybden, og ytelsen til halvlederlasere blir stadig bedre. Halvlederoptoelektronisk teknologi med halvlederlaser som kjerne vil gjøre større fremgang og spille en større rolle i det 21. århundres informasjonssamfunn.

Hvordan fungerer halvlederlasere?
A halvlederlaserer en koherent strålingskilde. For å få den til å generere laserlys, må tre grunnleggende betingelser være oppfylt:
1. Forsterkningstilstand: Inversjonsfordelingen av bærere i lasermediet (aktivt område) etableres. I halvlederen er energibåndet som representerer elektronenergien sammensatt av en serie energinivåer som er nær kontinuerlige. Derfor, i halvlederen For å oppnå populasjonsinversjon, må antallet elektroner i bunnen av ledningsbåndet til høyenergitilstanden være mye større enn antall hull på toppen av valensbåndet til lavenergien. tilstand mellom de to energibåndområdene. Heterojunctionen er foroverrettet for å injisere nødvendige bærere i det aktive laget for å eksitere elektroner fra valensbåndet med lavere energi til ledningsbåndet med høyere energi. Stimulert utslipp oppstår når et stort antall elektroner i en tilstand av populasjonsinversjon rekombinerer med hull.
2. For å faktisk oppnå koherent stimulert stråling, må den stimulerte strålingen mates tilbake flere ganger i den optiske resonatoren for å danne laseroscillasjon. Laserresonatoren er dannet av den naturlige spaltningsoverflaten til halvlederkrystallen som et speil, vanligvis i Enden som ikke sender ut lys er belagt med en høyreflekterende flerlags dielektrisk film, og den lysemitterende overflaten er belagt med en anti- refleksjonsfilm. For halvlederlaseren F-p-hulrom (Fabry-Perot-hulrom), kan F-p-hulrommet enkelt dannes ved å bruke det naturlige spaltningsplanet til krystallen vinkelrett på p-n-overgangsplanet.
3. For å danne en stabil oscillasjon må lasermediet kunne gi en tilstrekkelig stor forsterkning til å kompensere for det optiske tapet forårsaket av resonatoren og tapet forårsaket av laserutgangen fra hulromsoverflaten osv., og kontinuerlig øke det optiske feltet i hulrommet. Dette krever en sterk nok strøminjeksjon, det vil si at det er nok populasjonsinversjon, jo høyere grad av populasjonsinversjon, desto større er oppnådd gevinst, det vil si at en viss strømterskelbetingelse må oppfylles. Når laseren når terskelen kan lyset med en bestemt bølgelengde resonere i hulrommet og forsterkes, og til slutt danne en laser og sende ut kontinuerlig. Det kan sees at i halvlederlasere er dipolovergangen til elektroner og hull den grunnleggende prosessen med lysutslipp og lysforsterkning. For nye halvlederlasere er det for tiden anerkjent at kvantebrønner er den grunnleggende drivkraften for utviklingen av halvlederlasere. Hvorvidt kvanteledninger og kvanteprikker kan dra full nytte av kvanteeffekter har blitt utvidet til dette århundret. Forskere har prøvd å bruke selvorganiserte strukturer for å lage kvanteprikker i forskjellige materialer, og GaInN kvanteprikker har blitt brukt i halvlederlasere.

Utviklingshistorie for halvlederlasere
Dehalvlederlaserepå begynnelsen av 1960-tallet var homojunction-lasere, som var pn-junction-dioder laget av ett materiale. Under den forover store strøminjeksjonen injiseres elektroner kontinuerlig inn i p-området, og hull injiseres kontinuerlig i n-området. Derfor blir inversjonen av bærerfordelingen realisert i det opprinnelige pn-krysset utarmingsområdet. Siden migrasjonshastigheten til elektroner er raskere enn for hull, forekommer stråling og rekombinasjon i det aktive området, og fluorescens sendes ut. lasing, en halvlederlaser som kun kan fungere i pulser. Den andre fasen av utviklingen av halvlederlasere er heterostruktur-halvlederlaseren, som er sammensatt av to tynne lag av halvledermaterialer med forskjellige båndgap, som GaAs og GaAlAs, og den enkle heterostrukturlaseren dukket opp først (1969). Enkelt heterojunction injection laser (SHLD) er innenfor p-området til GaAsP-N-krysset for å redusere terskelstrømtettheten, som er en størrelsesorden lavere enn homojunction-laseren, men enkelt heterojunction-laseren kan fortsatt ikke kontinuerlig arbeide ved romtemperatur.
Siden slutten av 1970-tallet har halvlederlasere åpenbart utviklet seg i to retninger, den ene er en informasjonsbasert laser med det formål å overføre informasjon, og den andre er en strømbasert laser for å øke den optiske effekten. Drevet av applikasjoner som pumpede solid-state lasere, høyeffekts halvlederlasere (kontinuerlig utgangseffekt på mer enn 100mw og pulsutgangseffekt på mer enn 5W kan kalles høyeffekthalvlederlasere).
På 1990-tallet ble det gjort et gjennombrudd, som ble preget av en betydelig økning i utgangseffekten til halvlederlasere, kommersialiseringen av høyeffekts halvlederlasere på kilowattnivå i utlandet, og utgangen til innenlandske prøveenheter som nådde 600W. Fra perspektivet til utvidelsen av laserbåndet ble de første infrarøde halvlederlasere, etterfulgt av 670nm røde halvlederlasere, mye brukt. Deretter, med fremkomsten av bølgelengder på 650nm og 635nm, ble blågrønne og blålyshalvlederlasere også utviklet etter hverandre. Fiolette og til og med ultrafiolette halvlederlasere i størrelsesorden 10mW utvikles også. Overflate-emitterende lasere og vertikal-hulrom overflate-emitterende lasere har utviklet seg raskt på slutten av 1990-tallet, og en rekke bruksområder innen superparallell optoelektronikk har blitt vurdert. 980nm, 850nm og 780nm enheter er allerede praktiske i optiske systemer. For tiden har vertikale hulromsoverflate-emitterende lasere blitt brukt i høyhastighetsnettverk av Gigabit Ethernet.

Anvendelser av halvlederlasere
Halvlederlasere er en klasse lasere som modnes tidligere og utvikler seg raskere. På grunn av deres brede bølgelengdeområde, enkle produksjon, lave kostnader og enkle masseproduksjon, og på grunn av deres lille størrelse, lette vekt og lange levetid, har de rask utvikling i varianter og bruksområder. Et bredt spekter, for tiden mer enn 300 arter.

1. Anvendelse innen industri og teknologi
1) Optisk fiberkommunikasjon.Halvleder laserer den eneste praktiske lyskilden for optisk fiberkommunikasjonssystem, og optisk fiberkommunikasjon har blitt hovedstrømmen av moderne kommunikasjonsteknologi.
2) Disktilgang. Halvlederlasere har blitt brukt i optisk diskminne, og dens største fordel er at den lagrer en stor mengde lyd-, tekst- og bildeinformasjon. Bruken av blå og grønne lasere kan i stor grad forbedre lagringstettheten til optiske plater.
3) Spektralanalyse. Langt infrarøde avstembare halvlederlasere har blitt brukt i omgivelsesgassanalyse, overvåking av luftforurensning, bileksos osv. Den kan brukes i industrien for å overvåke prosessen med dampavsetning.
4) Optisk informasjonsbehandling. Halvlederlasere har blitt brukt i optiske informasjonssystemer. Todimensjonale arrays av overflate-emitterende halvlederlasere er ideelle lyskilder for optiske parallelle prosesseringssystemer, som vil bli brukt i datamaskiner og optiske nevrale nettverk.
5) Laser mikrofabrikasjon. Ved hjelp av høyenergi ultrakorte lyspulser generert av Q-svitsjede halvlederlasere, kan integrerte kretser kuttes, stanses osv.
6) Laseralarm. Halvlederlaseralarmer er mye brukt, inkludert innbruddsalarmer, vannnivåalarmer, kjøretøyavstandsalarmer, etc.
7) Laserskrivere. Halvlederlasere med høy effekt har blitt brukt i laserskrivere. Bruk av blå og grønn laser kan forbedre utskriftshastigheten og oppløsningen betraktelig.
8) Laserstrekkodeskanner. Halvlederlaserstrekkodeskannere har blitt mye brukt i salg av varer og administrasjon av bøker og arkiver.
9) Pumpe solid-state lasere. Dette er en viktig anvendelse av halvlederlasere med høy effekt. Ved å bruke den til å erstatte den originale atmosfærelampen kan det danne et lasersystem som er helt i fast tilstand.
10) High Definition Laser TV. I nær fremtid anslås halvlederlaser-TV-er uten katodestrålerør, som bruker røde, blå og grønne lasere, å bruke 20 prosent mindre strøm enn eksisterende TV-er.

2. Anvendelser innen medisinsk og biovitenskapelig forskning
1) Laserkirurgi.Halvlederlaserehar blitt brukt til bløtvevsablasjon, vevsbinding, koagulasjon og fordamping. Denne teknikken er mye brukt i generell kirurgi, plastisk kirurgi, dermatologi, urologi, obstetrikk og gynekologi, etc.
2) Laser dynamisk terapi. De lysfølsomme stoffene som har en affinitet for svulsten akkumuleres selektivt i kreftvevet, og kreftvevet bestråles med en halvlederlaser for å generere reaktive oksygenarter, med sikte på å gjøre det nekrotisk uten å skade det friske vevet.
3) Livsvitenskapelig forskning. Ved å bruke den "optiske pinsetten" tilhalvlederlasere, er det mulig å fange opp levende celler eller kromosomer og flytte dem til en hvilken som helst posisjon. Den har blitt brukt til å fremme cellesyntese og celleinteraksjonsstudier, og kan også brukes som en diagnostisk teknologi for rettsmedisinsk bevisinnsamling.