Жартылай өткізгішті лазер дегеніміз не?

1962 жылы дүние жүзіндегі бірінші жартылай өткізгішті лазер ойлап табылғаннан бері жартылай өткізгіш лазер басқа ғылым мен техниканың дамуына үлкен ықпал етіп, орасан зор өзгерістерге ұшырады және ХХ ғасырдағы адамзаттың ең ұлы өнертабыстарының бірі болып саналады. Соңғы он жылда жартылай өткізгіш лазерлер тез дамып, әлемдегі ең жылдам дамып келе жатқан лазерлік технологияға айналды. Жартылай өткізгішті лазерлердің қолдану аясы оптоэлектрониканың барлық саласын қамтиды және бүгінгі оптоэлектроника ғылымының негізгі технологиясына айналды. Шағын өлшемділігі, қарапайым құрылымы, төмен кіріс энергиясы, ұзақ қызмет ету, жеңіл модуляция және төмен бағаның артықшылықтарына байланысты жартылай өткізгіш лазерлер оптоэлектроника саласында кеңінен қолданылады және бүкіл әлем елдерінде жоғары бағаланды.

жартылай өткізгіш лазер
A жартылай өткізгіш лазержұмыс заты ретінде тікелей жолақ аралық жартылай өткізгіш материалдан тұратын Pn өткелін немесе Pin түйіспесін пайдаланатын миниатюрленген лазер болып табылады. Жартылай өткізгішті лазермен жұмыс істейтін ондаған материалдар бар. Лазерлерге жасалған жартылай өткізгіш материалдарға галлий арсениді, индий арсениді, индий антимониді, кадмий сульфиді, кадмий теллуриді, қорғасын селениді, қорғасын теллуриді, алюминий галлий арсениді, индий фосфоры, мышьяк және т.б. жатады. Жартылай өткізгіштерді қоздырудың үш негізгі әдісі бар. лазерлер, атап айтқанда электрлік бүрку түрі, оптикалық сорғы түрі және жоғары энергиялы электрон сәулесінің қозу түрі. Жартылай өткізгішті лазерлердің көпшілігінің қоздыру әдісі электрлік инъекция болып табылады, яғни түйісу жазықтығы аймағында ынталандырылған эмиссияны, яғни алға бағытталған диодты генерациялау үшін Pn өткеліне тура кернеу қолданылады. Сондықтан жартылай өткізгіш лазерлерді жартылай өткізгіш лазерлік диодтар деп те атайды. Жартылай өткізгіштер үшін электрондар дискретті энергия деңгейлерінен гөрі энергия диапазондары арасында ауысатындықтан, өту энергиясы белгілі мән емес, бұл жартылай өткізгіш лазерлердің шығыс толқын ұзындығын кең ауқымға таратады. диапазонда. Олар шығаратын толқын ұзындығы 0,3 пен 34 μm арасында. Толқын ұзындығының диапазоны қолданылатын материалдың энергетикалық диапазонының аралығымен анықталады. Ең көп таралғаны - шығыс толқын ұзындығы 750-890 нм болатын AlGaAs қос гетероидациялық лазер.
Жартылай өткізгішті лазерді өндіру технологиясы диффузиялық әдістен сұйық фазалық эпитаксияға (LPE), бу фазасының эпитаксисіне (VPE), молекулярлық сәуле эпитаксисіне (MBE), MOCVD әдісіне (металл органикалық қосылыстардың буларын тұндыру), химиялық сәуле эпитаксисіне (CBE) дейін тәжірибе алды. және олардың әртүрлі комбинациясы. Жартылай өткізгішті лазерлердің ең үлкен кемшілігі - лазердің өнімділігіне температура үлкен әсер етеді, ал сәуленің дивергенция бұрышы үлкен (әдетте бірнеше градус пен 20 градус арасында), сондықтан оның бағыттылығы, монохроматикалық және когеренттілігі нашар. Дегенмен, ғылым мен техниканың қарқынды дамуымен жартылай өткізгішті лазерлерді зерттеу тереңдік бағытында алға жылжып, жартылай өткізгіш лазерлердің өнімділігі үнемі жақсарып келеді. Жартылай өткізгіш лазері бар жартылай өткізгіш оптоэлектрондық технология 21 ғасырдың ақпараттық қоғамында үлкен прогреске қол жеткізеді және үлкен рөл атқарады.

Жартылай өткізгішті лазерлер қалай жұмыс істейді?
A жартылай өткізгіш лазеркогерентті сәулелену көзі болып табылады. Оны лазерлік сәуле шығару үшін үш негізгі шартты орындау қажет:
1. Жетімділік шарты: Лазингтік ортада (белсенді аймақ) тасымалдаушылардың инверсиялық таралуы белгіленген. Жартылай өткізгіште электрон энергиясын көрсететін энергия диапазоны үздіксіздікке жақын энергия деңгейлерінің қатарынан тұрады. Сондықтан жартылай өткізгіште популяциялық инверсияға қол жеткізу үшін жоғары энергиялы күйдің өткізгіштік аймағының төменгі жағындағы электрондар саны төмен энергиялы валенттік зонаның жоғарғы жағындағы саңылаулар санынан әлдеқайда көп болуы керек. екі энергетикалық аймақтың арасындағы күй. Гетеройысу алға қарай бағытталған, қажетті тасымалдаушыларды белсенді қабатқа энергиясы төмен валенттік аймақтан энергиясы жоғары өткізгіштік зонаға электрондарды қоздыру үшін енгізеді. Ынталандырылған эмиссия популяциялық инверсия күйіндегі электрондардың үлкен саны саңылаулармен рекомбинациясы кезінде пайда болады.
2. Іс жүзінде когерентті ынталандырылған сәулеленуді алу үшін лазер тербелісін қалыптастыру үшін ынталандырылған сәулені оптикалық резонаторда бірнеше рет қайтару керек. Лазерлік резонатор айна ретінде жартылай өткізгіш кристалдың табиғи бөліну бетінен қалыптасады, әдетте жарық шығармайтын ұшы жоғары шағылыстыратын көп қабатты диэлектрлік пленкамен жабылған, ал жарық шығаратын беті анти-жарықпен қапталған. рефлексия фильмі. F-p қуысы (Fabry-Perot қуысы) жартылай өткізгіш лазері үшін F-p қуысын p-n түйісу жазықтығына перпендикуляр кристалдың табиғи бөліну жазықтығы арқылы оңай құруға болады.
3. Тұрақты тербеліс қалыптастыру үшін лазерлік орта резонатордан болатын оптикалық жоғалтуды және қуыс бетінен лазердің шығуынан туындаған жоғалтуды өтеу үшін жеткілікті үлкен күшейтуді қамтамасыз етуі керек және т.б. және үздіксіз қуыстағы оптикалық өрісті жоғарылатады. Бұл жеткілікті күшті ток инъекциясын қажет етеді, яғни популяция инверсиясы жеткілікті, популяция инверсиясының дәрежесі неғұрлым жоғары болса, алынған пайда соғұрлым көп болады, яғни белгілі бір ток шекті шарты орындалуы керек. Лазер шекке жеткенде, белгілі бір толқын ұзындығы бар жарық қуыста резонанс тудырып, күшейтілуі мүмкін, ақырында лазерді қалыптастырады және үздіксіз шығады. Жартылай өткізгішті лазерлерде электрондар мен саңылаулардың дипольдік ауысуы жарық шығарудың және жарықты күшейтудің негізгі процесі болып табылатынын көруге болады. Жаңа жартылай өткізгішті лазерлер үшін қазіргі уақытта кванттық ұңғымалар жартылай өткізгіш лазерлерді дамытудың негізгі қозғаушы күші болып табылады. Кванттық сымдар мен кванттық нүктелер кванттық әсерлерді толық пайдалана алады ма, жоқ па, осы ғасырға дейін ұзартылды. Ғалымдар әртүрлі материалдарда кванттық нүктелер жасау үшін өздігінен ұйымдастырылған құрылымдарды қолдануға тырысты, ал GaInN кванттық нүктелер жартылай өткізгіш лазерлерде қолданылды.

Жартылай өткізгіш лазерлердің даму тарихы
Theжартылай өткізгіш лазерлер1960 жылдардың басында бір материалда жасалған pn қосылыс диодтары болатын гомоконференциялық лазерлер болды. Алға үлкен ток инъекциясы кезінде электрондар p аймағына үздіксіз айдалады, ал тесіктер n аймағына үздіксіз айдалады. Сондықтан тасымалдаушы таралу инверсиясы бастапқы pn түйісуінің сарқылу аймағында жүзеге асырылады. Электрондардың қозғалу жылдамдығы саңылауларға қарағанда жылдамырақ болғандықтан, белсенді аймақта сәулелену және рекомбинация жүреді, флуоресценция бөлінеді. lasing, тек импульстарда жұмыс істей алатын жартылай өткізгіш лазер. Жартылай өткізгішті лазерлердің дамуының екінші кезеңі - GaAs және GaAlAs сияқты әртүрлі жолақ аралықтары бар жартылай өткізгіш материалдардың екі жұқа қабатынан тұратын гетероқұрылымды жартылай өткізгіш лазер және бір гетероқұрылымды лазер алғаш рет пайда болды (1969). Жалғыз гетерекоммуникациялық инъекциялық лазер (SHLD) шекті ток тығыздығын азайту үшін GaAsP-N түйісуінің p аймағында орналасқан, бұл гомо-қосылыс лазерінің шамасынан төменірек, бірақ жалғыз гетерекоммуникациялық лазер әлі де үздіксіз жұмыс істей алмайды. бөлме температурасы.
1970 жылдардың аяғынан бастап жартылай өткізгіш лазерлер екі бағытта дамыды, олардың бірі ақпаратты беру мақсатындағы ақпараттық лазер, екіншісі оптикалық қуатты арттыру мақсатындағы қуаттылық негізіндегі лазер. Айналмалы қатты күйдегі лазерлер, жоғары қуатты жартылай өткізгішті лазерлер (үздіксіз шығыс қуаты 100 мВт-тан және импульстік шығыс қуаты 5 Вт-тан жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер деп атауға болады) сияқты қолданбаларға негізделген.
1990 жылдары серпіліс жасалды, ол жартылай өткізгішті лазерлердің шығу қуатының айтарлықтай артуы, жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің шетелде киловатт деңгейінде коммерциялануы және отандық үлгілік құрылғылардың 600 Вт-қа жетуі болды. Лазер диапазонын кеңейту тұрғысынан бірінші инфрақызыл жартылай өткізгіш лазерлер, содан кейін 670 нм қызыл жартылай өткізгіш лазерлер кеңінен қолданылды. Содан кейін 650нм және 635нм толқын ұзындығының пайда болуымен көк-жасыл және көк-жарық жартылай өткізгіш лазерлер де бірінен соң бірі сәтті жасалды. Күші 10 мВт болатын күлгін және тіпті ультракүлгін жартылай өткізгіш лазерлер де әзірленуде. 1990 жылдардың соңында беттік сәуле шығаратын лазерлер және тік қуысты беттік сәуле шығаратын лазерлер қарқынды дамып, суперпараллельдік оптоэлектроникада әртүрлі қолданбалар қарастырылды. 980 нм, 850 нм және 780 нм құрылғылар қазірдің өзінде оптикалық жүйелерде практикалық болып табылады. Қазіргі уақытта Gigabit Ethernet жоғары жылдамдықты желілерде тік қуысты беттік сәуле шығаратын лазерлер қолданылады.

Жартылай өткізгішті лазерлердің қолданылуы
Жартылай өткізгішті лазерлер - ерте жетілетін және тезірек дамитын лазерлер класы. Толқын ұзындығының кең диапазоны, қарапайым өндірісі, төмен құны және оңай жаппай өндірісі, сондай-ақ шағын өлшемдері, жеңіл салмағы және ұзақ қызмет ету мерзімі болғандықтан, олар сорттар мен қолданбаларда жылдам дамып келеді. Кең ауқым, қазіргі уақытта 300-ден астам түрі бар.

1. Өнеркәсіп пен технологияда қолданылуы
1) Оптикалық талшықты байланыс.Жартылай өткізгішті лазерталшықты оптикалық байланыс жүйесі үшін жалғыз практикалық жарық көзі болып табылады, ал оптикалық талшықты байланыс қазіргі заманғы байланыс технологиясының негізгі ағымына айналды.
2) Дискіге қол жеткізу. Жартылай өткізгішті лазерлер оптикалық дискінің жадында қолданылды және оның ең үлкен артықшылығы дыбыс, мәтін және кескін ақпаратының үлкен көлемін сақтайды. Көк және жасыл лазерлерді пайдалану оптикалық дискілердің сақтау тығыздығын айтарлықтай жақсарта алады.
3) Спектрлік талдау. Алыс инфрақызыл реттелетін жартылай өткізгіш лазерлер атмосфералық газды талдауда, ауаның ластануын бақылауда, автомобильді шығаруда және т.б. қолданылған. Оны өнеркәсіпте будың тұну процесін бақылау үшін пайдалануға болады.
4) Ақпаратты оптикалық өңдеу. Жартылай өткізгіш лазерлер оптикалық ақпараттық жүйелерде қолданылды. Беттік сәуле шығаратын жартылай өткізгіш лазерлердің екі өлшемді массивтері компьютерлер мен оптикалық нейрондық желілерде қолданылатын оптикалық параллельді өңдеу жүйелері үшін тамаша жарық көздері болып табылады.
5) Лазерлік микрофабрикация. Q коммутаторлы жартылай өткізгішті лазерлермен жасалған жоғары энергиялы ультра қысқа жарық импульстерінің көмегімен интегралдық схемаларды кесуге, тесуге және т.б.
6) Лазерлік дабыл. Жартылай өткізгішті лазерлік сигнализациялар кеңінен қолданылады, соның ішінде ұрлық дабылы, су деңгейінің дабылы, көлік құралының қашықтығы дабылы және т.б.
7) Лазерлік принтерлер. Жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлер лазерлік принтерлерде қолданылған. Көк және жасыл лазерлерді пайдалану басып шығару жылдамдығы мен ажыратымдылығын айтарлықтай жақсартады.
8) Лазерлік штрих-код сканері. Жартылай өткізгішті лазерлік штрих-код сканерлері тауарларды сатуда, кітаптар мен мұрағаттарды басқаруда кеңінен қолданылды.
9) Сорғы қатты күйдегі лазерлер. Бұл жоғары қуатты жартылай өткізгіш лазерлердің маңызды қолданбасы. Оны бастапқы атмосфералық шамды ауыстыру үшін пайдалану толығымен қатты күйдегі лазер жүйесін құра алады.
10) Ажыратымдылығы жоғары лазерлік теледидар. Жақын болашақта қызыл, көк және жасыл лазерлерді пайдаланатын катодтық сәулелік түтіктері жоқ жартылай өткізгіш лазерлік теледидарлар қолданыстағы теледидарларға қарағанда қуатты 20 пайызға аз тұтынады.

2. Медициналық және өмір туралы ғылымды зерттеудегі қолданбалар
1) Лазерлік хирургия.Жартылай өткізгіш лазерлержұмсақ тіндерді абляциялау, тіндерді байланыстыру, коагуляция және булану үшін қолданылған. Бұл әдіс жалпы хирургияда, пластикалық хирургияда, дерматологияда, урологияда, акушерлік-гинекологияда және т.б.
2) Лазерлік динамикалық терапия. Ісікке жақындығы бар фотосезімтал заттар қатерлі ісік тінінде іріктеліп жинақталады, ал рак тінін сау тінге зақым келтірмей некротикалық ету үшін реактивті оттегі түрлерін генерациялау үшін жартылай өткізгіш лазермен сәулелендіреді.
3) Өмір туралы ғылымды зерттеу. «оптикалық пинцеттерді» пайдаланужартылай өткізгіш лазерлер, тірі жасушаларды немесе хромосомаларды ұстап алып, оларды кез келген орынға жылжытуға болады. Ол жасуша синтезін және жасушаның өзара әрекеттесуін зерттеуді ілгерілету үшін қолданылған және сот-медициналық дәлелдемелерді жинау үшін диагностикалық технология ретінде де пайдаланылуы мүмкін.