Vad är halvledarlasern?

Sedan uppfinningen av världens första halvledarlaser 1962 har halvledarlasern genomgått enorma förändringar, vilket i hög grad främjat utvecklingen av annan vetenskap och teknologi, och anses vara en av de största mänskliga uppfinningarna under 1900-talet. Under de senaste tio åren har halvledarlasrar utvecklats snabbare och har blivit den snabbast växande laserteknologin i världen. Tillämpningsområdet för halvledarlasrar täcker hela området för optoelektronik och har blivit kärnteknologin i dagens optoelektronikvetenskap. På grund av fördelarna med liten storlek, enkel struktur, låg ingångsenergi, lång livslängd, enkel modulering och lågt pris, används halvledarlasrar i stor utsträckning inom optoelektronikområdet och har värderats högt av länder över hela världen.

halvledarlaser
A halvledarlaserär en miniatyriserad laser som använder en Pn-övergång eller stiftövergång som består av ett halvledarmaterial med direkt bandgap som arbetssubstans. Det finns dussintals arbetsmaterial för halvledarlaser. Halvledarmaterialen som har gjorts till lasrar inkluderar galliumarsenid, indiumarsenid, indiumantimonid, kadmiumsulfid, kadmiumtellurid, blyselenid, blytellurid, aluminiumgalliumarsenid, indiumfosfor, arsenik, etc. Det finns tre huvudsakliga excitationsmetoder för halvledare lasrar, nämligen elektrisk injektionstyp, optisk pumptyp och högenergielektronstråleexcitationstyp. Exciteringsmetoden för de flesta halvledarlasrar är elektrisk injektion, det vill säga en framåtspänning appliceras på Pn-övergången för att generera stimulerad emission i förbindelseplansområdet, det vill säga en framåtspänd diod. Därför kallas halvledarlasrar också för halvledarlaserdioder. För halvledare, eftersom elektroner övergår mellan energiband snarare än diskreta energinivåer, är övergångsenergin inte ett bestämt värde, vilket gör att utgångsvåglängden hos halvledarlasrar sprids över ett brett område. på området. Våglängderna de avger är mellan 0,3 och 34 μm. Våglängdsområdet bestäms av energibandgapet för det använda materialet. Den vanligaste är AlGaAs dubbel heterojunction laser, som har en utgående våglängd på 750-890 nm.
Tekniken för tillverkning av halvledarlaser har erfarenhet från diffusionsmetoden till vätskefasepitaxi (LPE), ångfasepitaxi (VPE), molekylär strålepitaxi (MBE), MOCVD-metoden (ångavsättning av metallorganisk förening), kemisk strålepitaxi (CBE) ) och olika kombinationer av dem. Den största nackdelen med halvledarlasrar är att laserns prestanda påverkas kraftigt av temperaturen, och strålens divergensvinkel är stor (vanligtvis mellan några grader och 20 grader), så den har dålig riktning, monokromaticitet och koherens. Men med den snabba utvecklingen av vetenskap och teknik går forskningen av halvledarlasrar framåt i riktning mot djupet, och prestandan hos halvledarlasrar förbättras ständigt. Halvledaroptoelektronisk teknologi med halvledarlaser som kärna kommer att göra större framsteg och spela en större roll i 2000-talets informationssamhälle.

Hur fungerar halvledarlasrar?
A halvledarlaserär en koherent strålningskälla. För att få det att generera laserljus måste tre grundläggande villkor vara uppfyllda:
1. Förstärkningsvillkor: Inversionsfördelningen av bärare i lasrmediet (aktivt område) fastställs. I halvledaren är energibandet som representerar elektronenergin sammansatt av en serie energinivåer som är nära kontinuerliga. Därför, i halvledaren För att uppnå populationsinversion måste antalet elektroner i botten av ledningsbandet i högenergitillståndet vara mycket större än antalet hål i toppen av valensbandet för lågenergitillståndet. tillstånd mellan de två energibandsregionerna. Heteroövergången är framåtspänd för att injicera nödvändiga bärare i det aktiva skiktet för att excitera elektroner från valensbandet med lägre energi till ledningsbandet med högre energi. Stimulerad emission uppstår när ett stort antal elektroner i ett tillstånd av populationsinversion rekombinerar med hål.
2. För att faktiskt få koherent stimulerad strålning måste den stimulerade strålningen återkopplas flera gånger i den optiska resonatorn för att bilda laseroscillation. Laserresonatorn bildas av halvledarkristallens naturliga klyvningsyta som en spegel, vanligtvis i Den ände som inte avger ljus är belagd med en dielektrisk högreflekterande flerskiktsfilm, och den ljusemitterande ytan är belagd med en anti- reflektionsfilm. För halvledarlasern F-p-kaviteten (Fabry-Perot-kaviteten) kan F-p-kaviteten enkelt bildas genom att använda det naturliga klyvningsplanet för kristallen vinkelrätt mot p-n-övergångsplanet.
3. För att bilda en stabil oscillation måste lasermediet kunna ge en tillräckligt stor förstärkning för att kompensera för den optiska förlusten som orsakas av resonatorn och förlusten som orsakas av laserutgången från kavitetsytan etc. och kontinuerligt öka det optiska fältet i kaviteten. Detta kräver en tillräckligt stark ströminjektion, det vill säga det finns tillräckligt med populationsinversion, ju högre grad av populationsinversion desto större förstärkning erhålls, det vill säga ett visst strömtröskelvillkor måste uppfyllas. När lasern når tröskeln kan ljuset med en specifik våglängd resonera i kaviteten och förstärkas och slutligen bilda en laser och matas ut kontinuerligt. Det kan ses att i halvledarlasrar är dipolövergången av elektroner och hål den grundläggande processen för ljusemission och ljusförstärkning. För nya halvledarlasrar är det för närvarande känt att kvantbrunnar är den grundläggande drivkraften för utvecklingen av halvledarlasrar. Huruvida kvanttrådar och kvantpunkter kan dra full nytta av kvanteffekter har utvidgats till detta århundrade. Forskare har försökt använda självorganiserade strukturer för att göra kvantprickar i olika material, och GaInN kvantprickar har använts i halvledarlasrar.

Utvecklingshistorik för halvledarlasrar
Dehalvledarlasrari början av 1960-talet var homojunction-lasrar, som var pn-junction-dioder tillverkade av ett material. Under den framåtriktade stora ströminjektionen injiceras elektroner kontinuerligt i p-området och hål injiceras kontinuerligt i n-området. Därför realiseras inversionen av bärvågsfördelningen i det ursprungliga pn-övergångsutarmningsområdet. Eftersom migrationshastigheten för elektroner är snabbare än den för hål, inträffar strålning och rekombination i den aktiva regionen, och fluorescens emitteras. lasing, en halvledarlaser som bara kan arbeta i pulser. Det andra steget i utvecklingen av halvledarlasrar är heterostrukturhalvledarlasern, som är sammansatt av två tunna lager av halvledarmaterial med olika bandgap, såsom GaAs och GaAlAs, och den enda heterostrukturlasern dök upp först (1969). Single heterojunction injection laser (SHLD) är inom p-området för GaAsP-N-övergången för att minska tröskelströmtätheten, som är en storleksordning lägre än den för homojunction-lasern, men enkel heterojunction-lasern kan fortfarande inte kontinuerligt arbeta vid rumstemperatur.
Sedan slutet av 1970-talet har halvledarlasrar uppenbarligen utvecklats i två riktningar, den ena är en informationsbaserad laser i syfte att överföra information, och den andra är en effektbaserad laser i syfte att öka den optiska effekten. Drivs av applikationer som pumpade halvledarlasrar, högeffektshalvledarlasrar (kontinuerlig uteffekt på mer än 100mw och pulsutgångseffekt på mer än 5W kan kallas högeffekthalvledarlasrar).
På 1990-talet gjordes ett genombrott, som märktes av en betydande ökning av uteffekten från halvledarlasrar, kommersialiseringen av högeffekts halvledarlasrar på kilowattnivå utomlands och uteffekten från inhemska provenheter som nådde 600W. Ur perspektivet av expansionen av laserbandet användes första infraröda halvledarlasrar, följt av 670nm röda halvledarlasrar, i stor utsträckning. Sedan, med tillkomsten av våglängder på 650 nm och 635 nm, utvecklades även blågröna och blåljushalvledarlasrar framgångsrikt efter varandra. Violett och till och med ultravioletta halvledarlasrar i storleksordningen 10mW utvecklas också. Ytemitterande lasrar och vertikalkavitets ytemitterande lasrar har utvecklats snabbt i slutet av 1990-talet, och en mängd olika tillämpningar inom superparallell optoelektronik har övervägts. 980nm, 850nm och 780nm enheter är redan praktiska i optiska system. För närvarande har lasrar som utsänder vertikala kaviteter använts i höghastighetsnätverk av Gigabit Ethernet.

Tillämpningar av halvledarlasrar
Halvledarlasrar är en klass av lasrar som mognar tidigare och utvecklas snabbare. På grund av deras breda våglängdsområde, enkla produktion, låga kostnad och enkla massproduktion, och på grund av deras ringa storlek, låga vikt och långa livslängd, har de en snabb utveckling i varianter och applikationer. Ett brett utbud, för närvarande mer än 300 arter.

1. Tillämpning inom industri och teknik
1) Optisk fiberkommunikation.Halvledarlaserär den enda praktiska ljuskällan för optisk fiberkommunikationssystem, och optisk fiberkommunikation har blivit huvudströmmen av modern kommunikationsteknik.
2) Skivåtkomst. Halvledarlasrar har använts i optiskt skivminne, och dess största fördel är att den lagrar en stor mängd ljud-, text- och bildinformation. Användningen av blå och gröna lasrar kan avsevärt förbättra lagringstätheten för optiska skivor.
3) Spektralanalys. Långinfraröda avstämbara halvledarlasrar har använts vid analys av omgivande gaser, övervakning av luftföroreningar, bilavgaser, etc. Den kan användas inom industrin för att övervaka processen för ångavsättning.
4) Optisk informationsbehandling. Halvledarlasrar har använts i optiska informationssystem. Tvådimensionella arrayer av ytemitterande halvledarlasrar är idealiska ljuskällor för optiska parallella bearbetningssystem, som kommer att användas i datorer och optiska neurala nätverk.
5) Lasermikrotillverkning. Med hjälp av högenergiska ultrakorta ljuspulser genererade av Q-switchade halvledarlasrar kan integrerade kretsar skäras, stansas etc.
6) Laserlarm. Halvledarlaserlarm används ofta, inklusive inbrottslarm, vattennivålarm, fordonsavståndslarm, etc.
7) Laserskrivare. Halvledarlasrar med hög effekt har använts i laserskrivare. Att använda blå och gröna lasrar kan avsevärt förbättra utskriftshastigheten och upplösningen.
8) Laser streckkodsläsare. Halvledare laser streckkodsläsare har använts i stor utsträckning vid försäljning av varor och hantering av böcker och arkiv.
9) Pumpa halvledarlasrar. Detta är en viktig tillämpning av högeffekts halvledarlasrar. Att använda den för att ersätta den ursprungliga atmosfärslampan kan bilda ett helsolid-state lasersystem.
10) High Definition Laser TV. Inom en snar framtid beräknas halvledarlaser-TV-apparater utan katodstrålerör, som använder röda, blå och gröna lasrar, förbruka 20 procent mindre ström än befintliga TV-apparater.

2. Tillämpningar inom medicinsk och biovetenskaplig forskning
1) Laserkirurgi.Halvledarlasrarhar använts för mjukvävnadsablation, vävnadsbindning, koagulering och förångning. Denna teknik används ofta inom allmän kirurgi, plastikkirurgi, dermatologi, urologi, obstetrik och gynekologi, etc.
2) Laser dynamisk terapi. De ljuskänsliga ämnen som har en affinitet för tumören ackumuleras selektivt i cancervävnaden och cancervävnaden bestrålas med en halvledarlaser för att generera reaktiva syrearter, i syfte att göra den nekrotisk utan att skada den friska vävnaden.
3) Biovetenskaplig forskning. Med hjälp av "optisk pincett" avhalvledarlasrar, är det möjligt att fånga levande celler eller kromosomer och flytta dem till vilken position som helst. Den har använts för att främja cellsyntes och cellinteraktionsstudier, och kan också användas som en diagnostisk teknik för rättsmedicinsk bevisinsamling.