เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์: ประเภทอุปกรณ์หลักการทำงานและการประยุกต์ใช้

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นเครื่องกำเนิดควอนตัมที่ใช้สารตัวกลางกึ่งตัวนำกึ่งตัวนำที่มีการขยายสัญญาณออปติคอลโดยการปล่อยสารกระตุ้นในการเปลี่ยนแปลงควอนตัมระหว่างระดับพลังงานที่ระดับความเข้มข้นสูงของสายชาร์จในเขตปลอดอากร

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์: หลักการทำงาน

ในสถานะธรรมดาอิเล็กตรอนส่วนใหญ่จะอยู่ในระดับของความจุ อิเล็กตรอนของเซมิคอนดักเตอร์จะเข้าสู่สภาวะกระตุ้นและข้ามเขตต้องห้ามผ่านเข้าไปในเขตปลอดสารพิษโดยมุ่งเน้นที่ขอบล่างของมัน ในเวลาเดียวกันหลุมที่เกิดขึ้นที่ระดับความจุเพิ่มขึ้นไปที่ขอบเขตบนของมัน อิเลคตรอนในเขตปลอดสารกัมมันตภาพรังสีมีรูซึ่งเปล่งพลังงานเท่ากับพลังงานของพื้นที่ที่ไม่ต่อเนื่องในรูปของโฟตอน การรวมตัวกันใหม่สามารถขยายโดยโฟตอนที่มีระดับพลังงานเพียงพอ คำอธิบายตัวเลขสอดคล้องกับฟังก์ชันการแจกแจง Fermi

เครื่อง

อุปกรณ์เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็น ไดโอดเลเซอร์ที่ สูบโดยพลังงานของอิเล็กตรอนและรูในพื้นที่เชื่อมต่อ pn ซึ่งเป็นจุดที่สัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีความเป็นสื่อนำไฟฟ้า p และ n นอกจากนี้ยังมีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีแหล่งจ่ายไฟแบบออปติคัลซึ่งในลำแสงนั้นเกิดขึ้นจากการดูดซับโฟตอนของแสงรวมทั้งเลเซอร์ควอนตัมควอนตัมที่มีการดำเนินการอยู่บนพื้นฐานของการเปลี่ยนแปลงภายในแถบ

โครงสร้าง

การเชื่อมต่อมาตรฐานที่ใช้ในเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และอุปกรณ์อิเล็คโทรทรอปิคัลอื่น ๆ มีดังนี้:

• แกลเลียม arsenide;
• ฟอสฟอรัสแกลเลียม
• แกลเลียมไนไตรด์;
• ฟอสเฟตอินเดีย;
• แกลเลียมกัมแกลเลียม;
• Arsenide ของแกลลอนอลูมิเนียม;
• Arsenide-nitride แกลเลียม - อินเดียม;
• Gallium-indium phosphide

ความยาวคลื่น

สารเหล่านี้เป็นสารกึ่งตัวนำแบบช่องว่างโดยตรง แสงทางอ้อม (ซิลิคอน) ที่มีความแข็งแรงและประสิทธิภาพไม่ส่องออกมา ความยาวคลื่น รังสีของ เลเซอร์ไดโอด ขึ้นอยู่กับระดับของการประมาณพลังงานโฟตอนกับพลังงานของเขตการแตกของสารเฉพาะ ในสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ 3 และ 4 องค์ประกอบพลังงานของเขตไม่ต่อเนื่องสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องในช่วงกว้าง ใน AlGaAs = Al _x Ga _1-x ตัวอย่างเช่นการเพิ่มขึ้นของปริมาณอลูมิเนียม (เพิ่มขึ้น x) ส่งผลให้พลังงานของพื้นที่ไม่ต่อเนื่องเพิ่มขึ้น

ในขณะที่เลเซอร์ที่ทำจากเซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่ทำงานในส่วนที่อยู่ใกล้ IR ของสเปกตรัมบางส่วนจะปล่อยสีแดง (gallium-indium phosphide) สีฟ้าหรือสีม่วง (gallium nitride) ในสี รังสีอินฟราเรดเฉลี่ยที่ผลิตโดยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ (lead selenide) และเลเซอร์ควอนตัมควอนตัม

สารกึ่งตัวนำอินทรีย์

นอกเหนือจากสารประกอบอนินทรีย์แล้วอินทรีย์ยังสามารถใช้ เทคโนโลยีที่สอดคล้องกันยังคงอยู่ระหว่างการพัฒนา แต่การพัฒนาของสัญญาว่าจะช่วยลดต้นทุนการผลิตเครื่องกำเนิดไฟฟ้าควอนตัมอย่างมาก ปัจจุบันมีเพียงเลเซอร์อินทรีย์ที่มีแหล่งจ่ายไฟแบบออพติคอลเท่านั้นและการสูบจ่ายไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงยังไม่ประสบผลสำเร็จ

สายพันธุ์

มีการสร้างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ขึ้นมาซึ่งแตกต่างกันไปตามพารามิเตอร์และค่าแอ็พพลิเคชัน

เลเซอร์ไดโอดขนาดเล็กผลิตรังสีจากใบหน้าของรังสียูวีที่มีพลังแตกต่างกันไปจากหลายร้อยถึงห้าร้อยมิลลิวัตต์ คริสตัลไดโอดเลเซอร์เป็นแผ่นสี่เหลี่ยมบางที่ทำหน้าที่เป็นท่อนำคลื่นเนื่องจากรังสีจะถูก จำกัด ให้มีขนาดเล็ก คริสตัลเจือด้วยทั้งสองด้านเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ pn ขนาดใหญ่ ปลายขัดทำเสียงสะท้อน Fabry-Perot โฟตอนที่ไหลผ่านตัวกำเนิดเสียงจะทำให้เกิดการรวมตัวอีกครั้งรังสีจะเพิ่มขึ้นและการสร้างจะเริ่มขึ้น พวกเขาจะใช้ในตัวชี้เลเซอร์, CD และ DVD-players รวมถึงการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง

เลเซอร์ก้อนเดียวและเครื่องกำเนิดไฟฟ้าควอนตัมพลังงานต่ำที่มีช่องภายนอกเพื่อสร้างพัลส์สั้นสามารถสร้างการซิงโครไนซ์ในโหมด

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีเครื่องสะท้อนเสียงภายนอกประกอบด้วยเลเซอร์ไดโอดซึ่งมีบทบาทเป็นสื่อกลางในการขยายตัวของโพรงเลเซอร์ขนาดใหญ่ พวกเขาสามารถที่จะเปลี่ยนความยาวคลื่นและมีวงแคบของรังสี

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ฉีดมีพื้นที่ของรังสีในรูปแบบของแถบกว้างพวกเขาสามารถสร้างลำแสงที่มีคุณภาพต่ำโดยใช้กำลังหลายวัตต์ ประกอบด้วยชั้นที่ใช้งานอยู่บาง ๆ ที่อยู่ระหว่างชั้น p- และ n สร้างการเกิดซ้ำสองครั้ง กลไกการกักขังแสงในทิศทางด้านข้างจะขาดหายไปซึ่งจะส่งผลให้เกิดกระแสคลื่นสูงและกระแสธรณีประตูสูงที่ยอมรับไม่ได้

อาร์เรย์ไดโอดที่มีประสิทธิภาพประกอบด้วยอาร์เรย์ของไดโอดบรอดแบนด์มีความสามารถในการผลิตลำแสงปานกลางที่มีกำลังวัตต์หลายสิบ

อาร์เรย์สองมิติที่มีประสิทธิภาพของไดโอดสามารถสร้างกำลังได้นับร้อยนับพันวัตต์

เลเซอร์เปล่งแสง (VCSEL) ปล่อยคานที่มีคุณภาพของแสงหลายมิลลิวัตต์ตั้งฉากกับแผ่น บนผิวของรังสีกระจกสะท้อนจะอยู่ในรูปของชั้นหนึ่งในสี่ของคลื่นที่มี ดัชนีการหักเหต่างๆ ผลึกเดี่ยวสามารถผลิตเลเซอร์หลายร้อยชนิดซึ่งจะเปิดโอกาสในการผลิตได้เป็นอย่างมาก

เลเซอร์ VECSEL พร้อมแหล่งจ่ายไฟแบบออปติคัลและเรโซแนนซ์ภายนอกสามารถสร้างลำแสงที่มีคุณภาพดีโดยใช้พลังงานหลายวัตต์ในระหว่างการซิงโครไนซ์โหมด

การทำงานของเลเซอร์เซรามิคควอนตัมแบบเรียงซ้อนจะขึ้นอยู่กับช่วงการเปลี่ยนภาพภายในโซน (ตรงกันข้ามกับแถบระยะห่าง) อุปกรณ์เหล่านี้ปล่อยออกมาในช่วงกลางของส่วนอินฟราเรดสเปกตรัมบางครั้งในช่วงเทอร์เฮิร์ทซ์ พวกเขาจะใช้ตัวอย่างเช่นเป็นเครื่องวิเคราะห์ก๊าซ

เลเซอร์ เซมิคอนดักเตอร์ : แอพพลิเคชัน และประเด็นสำคัญ

เลเซอร์ไดโอดที่มีประสิทธิภาพพร้อมด้วยปั๊มไฟฟ้าแบบไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงในระดับแรงดันปานกลางจะถูกนำมาใช้เป็นเครื่องมือในการจัดหาพลังงานจาก เลเซอร์สถานะของแข็งที่ มีประสิทธิภาพ สูง

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์สามารถทำงานในช่วงความถี่กว้างซึ่งรวมถึงส่วนอินฟราเรดที่มองเห็นได้ใกล้อินฟราเรดและช่วงกลางของสเปกตรัม มีการสร้างอุปกรณ์ต่างๆเพื่อให้สามารถเปลี่ยนความถี่ของการระเบิดได้

เลเซอร์ไดโอดสามารถเปลี่ยนและปรับกำลังไฟออพติคอลได้อย่างรวดเร็วซึ่งจะพบการประยุกต์ใช้งานในเครื่องส่งสัญญาณของเส้นใยแก้วนำแสง

ลักษณะดังกล่าวทำให้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์กลายเป็นเครื่องกำเนิดควอนตัมที่มีความสำคัญทางเทคโนโลยีมากที่สุด มีการประยุกต์ใช้:

• ในเซ็นเซอร์ระยะไกลเครื่องวัดความสูง, เครื่องวัดความสูงออปติคัล, เครื่องตรวจจับช่วง, สถานที่ท่องเที่ยว, ภาพสามมิติ
• ในระบบใยแก้วนำแสงของการส่งผ่านแสงและการจัดเก็บข้อมูลระบบการติดต่อสื่อสารที่สอดคล้องกัน
• ในเครื่องพิมพ์เลเซอร์โปรเจคเตอร์วิดีโอตัวชี้อุปกรณ์สแกนบาร์โค้ดเครื่องสแกนภาพเครื่องเล่นซีดี (DVD, CD, Blu-Ray);
• ในระบบรักษาความปลอดภัยการเข้ารหัสด้วยควอนตัมระบบอัตโนมัติตัวชี้วัด
• ในมาตรวิทยาและสเปกโตรสโกปี
• ในการผ่าตัดทันตกรรมความงามการบำบัด
• สำหรับการบำบัดน้ำการแปรรูปวัสดุปั๊มเลเซอร์สถานะของแข็งการควบคุมปฏิกิริยาทางเคมีการจัดเรียงอุตสาหกรรมวิศวกรรมอุตสาหการระบบจุดระเบิดระบบป้องกันภัยทางอากาศ

เอาต์พุตพัลส์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่สร้างแสงต่อเนื่อง เนื่องจากระยะเวลาสั้น ๆ ของอิเล็กตรอนอยู่ในระดับของการนำไฟฟ้าจึงไม่เหมาะสำหรับการสร้างพัลส์ที่มีการสลับ Q แต่โหมดการทำงานแบบกึ่งต่อเนื่องทำให้สามารถเพิ่มพลังของเครื่องกำเนิดควอนตัมได้มาก นอกจากนี้ยังสามารถใช้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างพัลส์ที่มีการลัดวงจรด้วยการซิงโครไนซ์โหมดหรือการสลับกำไรได้ พลังงานโดยเฉลี่ยของพัลส์สั้น ๆ มัก จำกัด อยู่ที่มิลลิวินาทีเวิร์กชีทยกเว้นเลเซอร์ VECSEL ที่มีการสูบน้ำแบบออปติคอลซึ่งผลลัพธ์จะวัดด้วยคลื่นความถี่หลายพันวัตต์ซึ่งมีความถี่หลายสิบกิกะเฮิรตซ์

การปรับและเสถียรภาพ

ข้อดีของอิเล็กตรอนระยะสั้นที่อยู่ในแถบการนำคือความสามารถของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในการปรับความถี่สูงซึ่งในเลเซอร์ VCSEL เกินกว่า 10 GHz นี้ได้พบการประยุกต์ใช้ในการส่งผ่านข้อมูลออปติคอลสเปกโตรสโกปีและเสถียรภาพของเลเซอร์