Kaj je policonductorji laser?

Kaj je polovodični laser?

Definicija polovodičnega lasera

Polovodični laser se definira kot dioda, ki lahko generira lasersko svetlobo, ko jo električno napnemo z tokom. Sestavlja jo p-n prehod s srednjim netrganom slojem, kar oblikuje p-i-n strukturo. Netrgani sloj je aktivna območje, kjer se svetloba generira zaradi ponovne združitve elektronov in luknjin.

P-tip in n-tip območji so močno dopirana z nečistotami, da ustvarijo presežek nosilcev, medtem ko je netrgani sloj nedopiran ali le malo dopiran, da omogoči optično pojačevanje. Kraji netrganega sloja sta pokrita reflektivnimi materiali, eden popolnoma reflektiven in drug delno reflektiven, da oblikujejo optično celino, ki zajema svetlobo in izboljša stimulirano emisijo.

Stimulirana emisija nastane, ko priložen foton povzroči, da se vzbuđeni elektron spusti na nižjo energetsko raven in izloči še en foton, ki je identičen priloženemu fotoni glede na frekvenco, fazo, polarizacijo in smer. Na ta način se število fotonov v celini eksponentno poveča, kar ustvari koherentni žarek svetlobe, ki zapušča skozi delno reflektivni konec.

Valovna dolžina laserske svetlobe se spreminja glede na bandgap polovodičnega materiala in dolžino optične celine, kar omogoča emisijo v različnih delih elektromagnetnega spektra, od infračrne do ultravijolične.

Način delovanja

Polovodični laser deluje z uporabo prednapetosti preko p-n prehoda, kar povzroči tok skozi napravo. Tok vstavi elektrone iz n-tip območja in luknje iz p-tip območja v netrgani sloj, kjer se združita in izločita energijo v obliki fotonov.

Nekateri ti fotoni so spontano izločeni v naključnih smerih, drugi pa so stimulirani obstoječimi fotonmi v celini, da izločajo v fazi z njimi. Stimulirani fotoni skakajo nazaj in naprej med reflektivnima kraji, kar povzroča večjo stimulirano emisijo in ustvari presežek populacije, kjer je več vzbuženih elektronov kot nevzbuženih.

Ko doseže presežek populacije pragovno raven, je dosežen stacionarni laserski izhod, kjer se stopnja stimulirane emisije ujame s stopnjo izgube fotonov zaradi prenosa ali absorpcije. Izstopna moč polovodičnega lasera odvisna je od vhodnega toka in učinkovitosti naprave.

Izstopna moč je odvisna od temperature naprave; višje temperature zmanjšujejo učinkovitost in povišajo pragovni tok, kar zahteva hladilne sisteme za optimalno delovanje.

Vrste polovodičnih laserjev

Polovodični laseri so razvrščeni v različne vrste glede na njihovo strukturo, način delovanja, valovno dolžino, izstopno moč in uporabo. Nekatere od običajnih vrst so:

• Enomodalni polovodični laseri

• Večmodalni polovodični laseri

• Polovodični laseri z glavnim oscilatorjem in močnim pojačevalnikom (MOPA)

• Polovodični laseri s vertikalno celino, ki emitira zgoraj (VCSEL)

• Polovodični laseri s porazdeljenim povratnim posredovanjem (DFB)

• Polovodični laseri z zunanjo celino (ECDLs)

Uporabe polovodičnih laserjev

• Optična shranjevanja

• Optična komunikacija

• Optično skeniranje

• Optično merjenje

• Optični prikaz

• Optična kirurgija

Prednosti polovodičnih laserjev

• Kompaktna velikost

• Nizek poraba energije

• Visoka učinkovitost

• Dolg življenjski čas

• Večstrankost

Nedostatki polovodičnih laserjev

• Odgornost na temperaturo

• Optično povratno posredovanje

• Prehod med modi

• Cena

Povzetek

Polovodični laser je polovodična naprava, ki proizvaja koherentno svetlobo skozi proces stimulirane emisije. Podoben je svetlobnemu diodu (LED), vendar ima bolj kompleksno strukturo in hitrejši odziv.

Polovodični laser sestavlja p-n prehod s srednjim netrganim slojem, kar oblikuje p-i-n strukturo. Netrgani sloj je aktivna območje, kjer se svetloba generira zaradi ponovne združitve elektronov in luknjin.

Polovodični laser deluje z uporabo prednapetosti preko p-n prehoda, kar povzroči tok skozi napravo. Tok vstavi elektrone iz n-tip območja in luknje iz p-tip območja v netrgani sloj, kjer se združita in izločita energijo v obliki fotonov.

Nekateri ti fotoni so spontano izločeni v naključnih smerih, drugi pa so stimulirani obstoječimi fotonmi v celini, da izločajo v fazi z njimi. Stimulirani fotoni skakajo nazaj in naprej med reflektivnima kraji, kar povzroča večjo stimulirano emisijo in ustvari presežek populacije, kjer je več vzbuženih elektronov kot nevzbuženih.

Ko doseže presežek populacije pragovno raven, je dosežen stacionarni laserski izhod, kjer se stopnja stimulirane emisije ujame s stopnjo izgube fotonov zaradi prenosa ali absorpcije. Izstopna moč polovodičnega lasera odvisna je od vhodnega toka in učinkovitosti naprave.

Valovna dolžina laserske svetlobe je odvisna od bandgap polovodičnega materiala in dolžine optične celine. Polovodični laseri lahko proizvajajo svetlobo v različnih delih elektromagnetnega spektra, od infračrne do ultravijolične.

Polovodični laseri so razvrščeni v različne vrste glede na njihovo strukturo, način delovanja, valovno dolžino, izstopno moč in uporabo. Nekatere od običajnih vrst so enomodalni polovodični laseri, večmodalni polovodični laseri, polovodični laseri z glavnim oscilatorjem in močnim pojačevalnikom (MOPA), polovodični laseri s vertikalno celino, ki emitira zgoraj (VCSEL), polovodični laseri s porazdeljenim povratnim posredovanjem (DFB), polovodični laseri z zunanjo celino (ECDLs) itd.

Polovodični laseri imajo širok spekter uporab v različnih področjih zaradi svojih prednosti, kot so kompaktna velikost, nizek poraba energije, visoka učinkovitost, dolg življenjski čas in večstrankost. Nekatere njihove uporabe so optična shranjevanja, optična komunikacija, optično skeniranje, optično merjenje, optični prikaz in optična kirurgija.

Zaradi svojih prednosti imajo tudi pomanjkljivosti, kot so odgornost na temperaturo, optično povratno posredovanje, prehod med modi in visoke cene.