Yarı iletken lazer nedir?

1962'de dünyanın ilk yarı iletken lazerinin icadından bu yana, yarı iletken lazer, diğer bilim ve teknolojinin gelişimini büyük ölçüde teşvik eden muazzam değişiklikler geçirdi ve yirminci yüzyıldaki en büyük insan icatlarından biri olarak kabul edildi. Son on yılda yarı iletken lazerler daha hızlı gelişti ve dünyanın en hızlı büyüyen lazer teknolojisi haline geldi. Yarı iletken lazerlerin uygulama alanı, optoelektronik alanının tamamını kapsar ve günümüzün optoelektronik biliminin temel teknolojisi haline gelmiştir. Küçük boyut, basit yapı, düşük giriş enerjisi, uzun ömür, kolay modülasyon ve düşük fiyat avantajları nedeniyle yarı iletken lazerler, optoelektronik alanında yaygın olarak kullanılmaktadır ve tüm dünyada ülkeler tarafından oldukça değerlidir.

yarı iletken lazer
A yarı iletken lazerçalışma maddesi olarak doğrudan bant aralıklı yarı iletken malzemeden oluşan bir Pn bağlantısı veya Pin bağlantısı kullanan minyatür bir lazerdir. Düzinelerce yarı iletken lazer çalışma malzemesi vardır. Lazerlere dönüştürülen yarı iletken malzemeler arasında galyum arsenit, indiyum arsenit, indiyum antimonit, kadmiyum sülfür, kadmiyum tellür, kurşun selenit, kurşun tellür, alüminyum galyum arsenit, indiyum Fosfor, Arsenik vb. bulunur. Üç ana uyarma yöntemi vardır. lazerler, yani elektrikli enjeksiyon tipi, optik pompa tipi ve yüksek enerjili elektron ışını uyarma tipi. Çoğu yarı iletken lazerin uyarma yöntemi elektrik enjeksiyonudur, yani bağlantı düzlemi bölgesinde uyarılmış emisyon oluşturmak için Pn bağlantısına ileri bir voltaj uygulanır, yani ileri yönlü bir diyot. Bu nedenle yarı iletken lazerlere yarı iletken lazer diyotları da denir. Yarı iletkenler için, elektronlar ayrık enerji seviyeleri yerine enerji bantları arasında geçiş yaptıklarından, geçiş enerjisi kesin bir değer değildir, bu da yarı iletken lazerlerin çıkış dalga boyunun geniş bir aralığa yayılmasını sağlar. aralıkta. Yaydıkları dalga boyları 0,3 ile 34 μm arasındadır. Dalga boyu aralığı, kullanılan malzemenin enerji bant aralığı ile belirlenir. En yaygın olanı, çıkış dalga boyu 750-890 nm olan AlGaAs çift heterojunction lazerdir.
Yarı iletken lazer üretim teknolojisi, difüzyon yönteminden sıvı faz epitaksisine (LPE), buhar fazı epitaksisine (VPE), moleküler ışın epitaksisine (MBE), MOCVD yöntemine (metal organik bileşik buhar biriktirme), kimyasal ışın epitaksisine (CBE) kadar deneyimlemiştir. ve bunların çeşitli kombinasyonları. Yarı iletken lazerlerin en büyük dezavantajı, lazer performansının sıcaklıktan büyük ölçüde etkilenmesi ve ışının sapma açısının büyük (genellikle birkaç derece ile 20 derece arasında) olmasıdır, bu nedenle yönlülük, tek renklilik ve tutarlılık açısından zayıftır. Bununla birlikte, bilim ve teknolojinin hızlı gelişimi ile yarı iletken lazerlerin araştırılması derinlik yönünde ilerlemekte ve yarı iletken lazerlerin performansı sürekli olarak artmaktadır. Çekirdek olarak yarı iletken lazerli yarı iletken optoelektronik teknolojisi, 21. yüzyılın bilgi toplumunda daha fazla ilerleme kaydedecek ve daha büyük bir rol oynayacaktır.

Yarı iletken lazerler nasıl çalışır?
A yarı iletken lazeruyumlu bir radyasyon kaynağıdır. Lazer ışığı üretmesini sağlamak için üç temel koşulun karşılanması gerekir:
1. Kazanç koşulu: Lazer ortamındaki (aktif bölge) taşıyıcıların inversiyon dağılımı belirlenir. Yarı iletkende elektron enerjisini temsil eden enerji bandı, sürekliye yakın bir dizi enerji seviyesinden oluşur. Bu nedenle, yarı iletkende popülasyon inversiyonunu elde etmek için, yüksek enerjili durumun iletim bandının altındaki elektronların sayısı, düşük enerjili değerlik bandının üstündeki delik sayısından çok daha büyük olmalıdır. iki enerji bandı bölgesi arasındaki durum. Hetero-bağlantı, elektronları daha düşük enerjili değerlik bandından daha yüksek enerjili iletim bandına uyarmak için gerekli taşıyıcıları aktif katmana enjekte etmek için ileri yönlüdür. Uyarılmış emisyon, popülasyon inversiyonu durumundaki çok sayıda elektron deliklerle yeniden birleştiğinde meydana gelir.
2. Gerçekten uyumlu uyarılmış radyasyon elde etmek için, uyarılmış radyasyonun lazer salınımı oluşturmak üzere optik rezonatörde birçok kez geri beslenmesi gerekir. Lazer rezonatör, genellikle bir ayna olarak yarı iletken kristalin doğal bölünme yüzeyi tarafından oluşturulur, genellikle ışık yaymayan uç, yüksek yansımalı çok katmanlı bir dielektrik film ile kaplanır ve ışık yayan yüzey bir anti- ile kaplanır. yansıma filmi F-p boşluğu (Fabry-Perot boşluğu) yarı iletken lazer için, F-p boşluğu, kristalin p-n bağlantı düzlemine dik olan doğal bölünme düzlemi kullanılarak kolayca oluşturulabilir.
3. Kararlı bir salınım oluşturmak için, lazer ortamı, rezonatörün neden olduğu optik kaybı ve boşluk yüzeyinden lazer çıkışının neden olduğu kaybı, vb. ve sürekli olarak telafi etmek için yeterince büyük bir kazanç sağlayabilmelidir. boşluktaki optik alanı arttırın. Bu, yeterince güçlü bir akım enjeksiyonu gerektirir, yani, yeterli popülasyon ters çevrilmesi vardır, popülasyon ters çevrilme derecesi ne kadar yüksek olursa, elde edilen kazanç o kadar büyük olur, yani belirli bir mevcut eşik koşulu karşılanmalıdır. Lazer eşiğe ulaştığında, belirli bir dalga boyuna sahip ışık boşlukta rezonansa girebilir ve amplifiye edilebilir ve sonunda bir lazer oluşturabilir ve sürekli olarak çıktı verebilir. Yarı iletken lazerlerde, elektronların ve deliklerin dipol geçişinin, ışık emisyonu ve ışık amplifikasyonunun temel süreci olduğu görülebilir. Yeni yarı iletken lazerler için, şu anda kuantum kuyularının yarı iletken lazerlerin geliştirilmesi için temel itici güç olduğu kabul edilmektedir. Kuantum tellerinin ve kuantum noktalarının kuantum etkilerinden tam olarak yararlanıp yararlanamayacağı bu yüzyıla kadar uzatıldı. Bilim adamları, çeşitli malzemelerde kuantum noktaları yapmak için kendi kendine organize yapıları kullanmaya çalıştılar ve yarı iletken lazerlerde GaInN kuantum noktaları kullanıldı.

Yarı İletken Lazerlerin Gelişim Tarihi
buyarı iletken lazerler1960'ların başlarında, tek bir malzeme üzerinde üretilen pn bağlantı diyotları olan homojonksiyon lazerleri vardı. İleri büyük akım enjeksiyonu altında, elektronlar sürekli olarak p bölgesine enjekte edilir ve delikler sürekli olarak n bölgesine enjekte edilir. Bu nedenle, taşıyıcı dağılımının tersine çevrilmesi, orijinal pn eklemi tükenme bölgesinde gerçekleştirilir. Elektronların göç hızı deliklerinkinden daha hızlı olduğu için aktif bölgede radyasyon ve rekombinasyon meydana gelir ve floresan yayılır. lazer, yalnızca darbelerde çalışabilen yarı iletken bir lazer. Yarı iletken lazerlerin geliştirilmesinin ikinci aşaması, GaAs ve GaAlAs gibi farklı bant boşluklarına sahip iki ince yarı iletken malzeme katmanından oluşan heteroyapılı yarı iletken lazerdir ve ilk olarak tek heteroyapılı lazer ortaya çıkmıştır (1969). Tek heterojunction enjeksiyon lazeri (SHLD), homojunction lazerinkinden daha düşük bir büyüklük sırası olan eşik akım yoğunluğunu azaltmak için GaAsP-N bağlantısının p bölgesi içindedir, ancak tek heterojunction lazeri hala sürekli çalışamaz. oda sıcaklığı.
1970'lerin sonlarından bu yana, yarı iletken lazerler açıkça iki yönde gelişmiştir, biri bilgi iletmek amacıyla bilgi tabanlı bir lazer, diğeri ise optik gücü artırmak amacıyla güç tabanlı bir lazerdir. Pompalı katı hal lazerleri, yüksek güçlü yarı iletken lazerler (sürekli çıkış gücü 100 mw'den fazla ve darbe çıkış gücü 5W'dan fazla) gibi uygulamalar tarafından tahrik edilir, yüksek güçlü yarı iletken lazerler olarak adlandırılabilir.
1990'larda, yarı iletken lazerlerin çıkış gücünde önemli bir artış, yurtdışında kilovat seviyesinde yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin ticarileştirilmesi ve 600W'a ulaşan yerli numune cihazlarının çıkışı ile dikkat çeken bir atılım yapıldı. Lazer bandının genişlemesi açısından, ilk kızılötesi yarı iletken lazerler, ardından 670 nm kırmızı yarı iletken lazerler yaygın olarak kullanıldı. Ardından, 650nm ve 635nm dalga boylarının ortaya çıkmasıyla birlikte mavi-yeşil ve mavi-ışık yarı iletken lazerler de birbiri ardına başarıyla geliştirildi. 10mW mertebesinde mor ve hatta ultraviyole yarı iletken lazerler de geliştirilmektedir. Yüzey yayan lazerler ve dikey boşluklu yüzey yayan lazerler 1990'ların sonlarında hızla gelişti ve süper paralel optoelektronikte çeşitli uygulamalar düşünüldü. 980nm, 850nm ve 780nm cihazlar optik sistemlerde zaten pratiktir. Şu anda, yüksek hızlı Gigabit Ethernet ağlarında dikey boşluklu yüzey yayan lazerler kullanılmaktadır.

Yarı iletken lazerlerin uygulamaları
Yarı iletken lazerler, daha erken olgunlaşan ve daha hızlı ilerleyen bir lazer sınıfıdır. Geniş dalga boyu aralığı, basit üretimi, düşük maliyeti ve kolay seri üretimi, küçük boyutu, hafifliği ve uzun ömrü nedeniyle çeşit ve uygulamalarda hızlı gelişme gösterirler. Geniş bir aralık, şu anda 300'den fazla tür.

1. Endüstri ve teknolojide uygulama
1) Fiber optik iletişim.yarı iletken lazerfiber optik iletişim sistemi için tek pratik ışık kaynağıdır ve fiber optik iletişim, çağdaş iletişim teknolojisinin ana akımı haline gelmiştir.
2) Disk erişimi. Optik disk belleğinde yarı iletken lazerler kullanılmıştır ve en büyük avantajı büyük miktarda ses, metin ve görüntü bilgisi depolamasıdır. Mavi ve yeşil lazerlerin kullanımı, optik disklerin depolama yoğunluğunu büyük ölçüde iyileştirebilir.
3) Spektral analiz. Uzak kızılötesi ayarlanabilir yarı iletken lazerler, ortam gaz analizinde, hava kirliliğinin izlenmesinde, otomobil egzozu vb.'de kullanılmıştır. Buhar biriktirme sürecini izlemek için endüstride kullanılabilir.
4) Optik bilgi işleme. Optik bilgi sistemlerinde yarı iletken lazerler kullanılmıştır. İki boyutlu yüzey yayan yarı iletken lazer dizileri, bilgisayarlarda ve optik sinir ağlarında kullanılacak optik paralel işleme sistemleri için ideal ışık kaynaklarıdır.
5) Lazer mikrofabrikasyon. Q-anahtarlı yarı iletken lazerler tarafından üretilen yüksek enerjili ultra kısa ışık darbelerinin yardımıyla entegre devreler kesilebilir, delinebilir, vb.
6) Lazer alarmı. Yarı iletken lazer alarmları, hırsız alarmları, su seviyesi alarmları, araç mesafe alarmları vb. dahil olmak üzere yaygın olarak kullanılmaktadır.
7) Lazer yazıcılar. Lazer yazıcılarda yüksek güçlü yarı iletken lazerler kullanılmıştır. Mavi ve yeşil lazerlerin kullanılması, yazdırma hızını ve çözünürlüğü büyük ölçüde artırabilir.
8) Lazer barkod tarayıcı. Yarı iletken lazer barkod tarayıcılar, malların satışında, kitapların ve arşivlerin yönetiminde yaygın olarak kullanılmaktadır.
9) Katı hal lazerlerini pompalayın. Bu, yüksek güçlü yarı iletken lazerlerin önemli bir uygulamasıdır. Orijinal atmosfer lambasını değiştirmek için kullanmak, tamamen katı hal lazer sistemi oluşturabilir.
10) Yüksek Çözünürlüklü Lazer TV. Yakın gelecekte, kırmızı, mavi ve yeşil lazerler kullanan katot ışın tüpleri olmayan yarı iletken lazer TV'lerin mevcut TV'lerden yüzde 20 daha az güç tüketeceği tahmin ediliyor.

2. Tıp ve yaşam bilimleri araştırmalarındaki uygulamalar
1) Lazer cerrahisi.Yarı iletken lazerleryumuşak doku ablasyonu, doku bağlanması, pıhtılaşma ve vaporizasyon için kullanılmıştır. Bu teknik genel cerrahi, plastik cerrahi, dermatoloji, üroloji, kadın doğum ve jinekoloji vb. alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
2) Lazer dinamik tedavisi. Tümöre afinitesi olan ışığa duyarlı maddeler, kanser dokusunda seçici olarak biriktirilir ve kanserli doku, sağlıklı dokuya zarar vermeden nekrotik hale getirilmesi amaçlanarak reaktif oksijen türleri oluşturmak için yarı iletken lazer ile ışınlanır.
3) Yaşam bilimi araştırması. "optik cımbız" kullanarakyarı iletken lazerler, canlı hücreleri veya kromozomları yakalamak ve herhangi bir konuma taşımak mümkündür. Hücre sentezini ve hücre etkileşimi çalışmalarını desteklemek için kullanılmıştır ve ayrıca adli kanıt toplama için bir teşhis teknolojisi olarak da kullanılabilir.