Ano ang semiconductor laser?

Mula nang maimbento ang unang laser ng semiconductor sa mundo noong 1962, ang laser ng semiconductor ay sumailalim sa napakalaking pagbabago, na lubos na nagtataguyod ng pag-unlad ng iba pang agham at teknolohiya, at itinuturing na isa sa mga pinakadakilang imbensyon ng tao noong ikadalawampu siglo. Sa nakalipas na sampung taon, ang mga laser ng semiconductor ay naging mas mabilis at naging pinakamabilis na lumalagong teknolohiya ng laser sa mundo. Ang saklaw ng aplikasyon ng mga laser ng semiconductor ay sumasaklaw sa buong larangan ng optoelectronics at naging pangunahing teknolohiya ng agham ng optoelectronics ngayon. Dahil sa mga pakinabang ng maliit na sukat, simpleng istraktura, mababang input ng enerhiya, mahabang buhay, madaling modulasyon at mababang presyo, ang mga laser ng semiconductor ay malawakang ginagamit sa larangan ng optoelectronics at lubos na pinahahalagahan ng mga bansa sa buong mundo.

laser ng semiconductor
A laser ng semiconductoray isang miniaturized na laser na gumagamit ng Pn junction o Pin junction na binubuo ng direktang band gap na semiconductor na materyal bilang gumaganang substance. Mayroong dose-dosenang mga laser ng semiconductor working materials. Ang mga semiconductor na materyales na ginawang laser ay kinabibilangan ng gallium arsenide, indium arsenide, indium antimonide, cadmium sulfide, cadmium telluride, lead selenide, lead telluride, aluminum gallium arsenide, indium Phosphorus, Arsenic, atbp. Mayroong tatlong pangunahing paraan ng paggulo ng semiconductor mga laser, katulad ng electric injection type, optical pump type at high-energy electron beam excitation type. Ang paraan ng paggulo ng karamihan sa mga laser ng semiconductor ay electrical injection, iyon ay, ang isang pasulong na boltahe ay inilalapat sa Pn junction upang makabuo ng stimulated emission sa rehiyon ng junction plane, iyon ay, isang forward-biased diode. Samakatuwid, ang mga laser ng semiconductor ay tinatawag ding laser ng semiconductor diodes. Para sa mga semiconductors, dahil ang mga electron ay lumipat sa pagitan ng mga banda ng enerhiya kaysa sa mga discrete na antas ng enerhiya, ang enerhiya ng paglipat ay hindi isang tiyak na halaga, na ginagawang ang output wavelength ng mga laser ng semiconductor ay kumalat sa isang malawak na hanay. sa hanay. Ang mga wavelength na kanilang inilalabas ay nasa pagitan ng 0.3 at 34 μm. Ang hanay ng wavelength ay tinutukoy ng energy band gap ng materyal na ginamit. Ang pinakakaraniwan ay ang AlGaAs double heterojunction laser, na may output wavelength na 750-890 nm.
Ang teknolohiya ng laser ng semiconductor fabrication ay nakaranas mula sa paraan ng pagsasabog hanggang sa liquid phase epitaxy (LPE), vapor phase epitaxy (VPE), molecular beam epitaxy (MBE), MOCVD method (metal organic compound vapor deposition), chemical beam epitaxy (CBE) ) at iba't ibang kumbinasyon ng mga ito. Ang pinakamalaking kawalan ng mga laser ng semiconductor ay ang pagganap ng laser ay lubhang naaapektuhan ng temperatura, at ang divergence angle ng beam ay malaki (karaniwan ay sa pagitan ng ilang degrees at 20 degrees), kaya ito ay mahina sa directivity, monochromaticity at coherence. Gayunpaman, sa mabilis na pag-unlad ng agham at teknolohiya, ang pananaliksik ng mga laser ng semiconductor ay sumusulong sa direksyon ng lalim, at ang pagganap ng mga laser ng semiconductor ay patuloy na nagpapabuti. Ang teknolohiyang semiconductor optoelectronic na may laser ng semiconductor bilang core ay gagawa ng higit na pag-unlad at gaganap ng mas malaking papel sa lipunan ng impormasyon ng ika-21 siglo.

Paano gumagana ang mga laser ng semiconductor?
A laser ng semiconductoray isang magkakaugnay na mapagkukunan ng radiation. Upang makagawa ito ng laser light, tatlong pangunahing kondisyon ang dapat matugunan:
1. Makakuha ng kundisyon: Ang inversion distribution ng mga carrier sa lasing medium (aktibong rehiyon) ay itinatag. Sa semiconductor, ang energy band na kumakatawan sa electron energy ay binubuo ng isang serye ng mga antas ng enerhiya na malapit sa tuloy-tuloy. Samakatuwid, sa semiconductor Upang makamit ang pagbaligtad ng populasyon, ang bilang ng mga electron sa ilalim ng banda ng pagpapadaloy ng estado na may mataas na enerhiya ay dapat na mas malaki kaysa sa bilang ng mga butas sa tuktok ng valence band ng mababang enerhiya. estado sa pagitan ng dalawang rehiyon ng banda ng enerhiya. Ang heterojunction ay forward biased upang mag-inject ng mga kinakailangang carrier sa aktibong layer upang pukawin ang mga electron mula sa valence band na may mas mababang enerhiya patungo sa conduction band na may mas mataas na enerhiya. Ang stimulated emission ay nangyayari kapag ang isang malaking bilang ng mga electron sa isang estado ng pagbaligtad ng populasyon ay muling pinagsama sa mga butas.
2. Upang aktwal na makakuha ng magkakaugnay na stimulated radiation, ang stimulated radiation ay dapat na ibalik nang maraming beses sa optical resonator upang bumuo ng laser oscillation. Ang laser resonator ay nabuo sa pamamagitan ng natural na cleavage surface ng semiconductor crystal bilang salamin, kadalasan sa Ang dulo na hindi naglalabas ng liwanag ay pinahiran ng high-reflection multilayer dielectric film, at ang light-emitting surface ay pinahiran ng anti- reflection film. Para sa F-p cavity (Fabry-Perot cavity) laser ng semiconductor, ang F-p cavity ay madaling mabuo sa pamamagitan ng paggamit ng natural na cleavage plane ng crystal na patayo sa p-n junction plane.
3. Upang makabuo ng isang matatag na oscillation, ang laser medium ay dapat na makapagbigay ng sapat na malaking pakinabang upang mabayaran ang optical loss na dulot ng resonator at ang pagkawala na dulot ng laser output mula sa ibabaw ng lukab, atbp., at patuloy na dagdagan ang optical field sa cavity. Nangangailangan ito ng sapat na malakas na kasalukuyang iniksyon, iyon ay, mayroong sapat na pagbaligtad ng populasyon, mas mataas ang antas ng pagbaligtad ng populasyon, mas malaki ang nakuha na nakuha, iyon ay, ang isang tiyak na kasalukuyang kondisyon ng threshold ay dapat matugunan. Kapag ang laser ay umabot sa threshold, ang liwanag na may isang tiyak na haba ng daluyong ay maaaring sumasalamin sa lukab at palakasin, at sa wakas ay bumuo ng isang laser at output nang tuluy-tuloy. Makikita na sa mga laser ng semiconductor, ang dipole transition ng mga electron at hole ay ang pangunahing proseso ng light emission at light amplification. Para sa mga bagong laser ng semiconductor, kasalukuyang kinikilala na ang mga balon ng quantum ay ang pangunahing puwersang nagtutulak para sa pagbuo ng mga laser ng semiconductor. Kung ang mga quantum wire at mga quantum tuldok ay maaaring mapakinabangan nang husto ang mga quantum effect ay pinalawig hanggang sa siglong ito. Sinubukan ng mga siyentipiko na gumamit ng mga istrukturang nakaayos sa sarili upang gumawa ng mga quantum dots sa iba't ibang materyales, at ang GaInN quantum dots ay ginamit sa mga laser ng semiconductor.

Kasaysayan ng Pag-unlad ng Semiconductor Laser
Angmga laser ng semiconductorng unang bahagi ng 1960s ay mga homojunction laser, na mga pn junction diode na gawa sa isang materyal. Sa ilalim ng pasulong na malaking kasalukuyang iniksyon, ang mga electron ay patuloy na ini-inject sa p rehiyon, at ang mga butas ay patuloy na ini-inject sa n rehiyon. Samakatuwid, ang pagbabaligtad ng pamamahagi ng carrier ay natanto sa orihinal na rehiyon ng pag-ubos ng pn junction. Dahil ang bilis ng paglipat ng mga electron ay mas mabilis kaysa sa mga butas, ang radiation at recombination ay nangyayari sa aktibong rehiyon, at ang fluorescence ay ibinubuga. lasing, isang laser ng semiconductor na maaari lamang gumana sa mga pulso. Ang pangalawang yugto ng pagbuo ng mga laser ng semiconductor ay ang heterostructure laser ng semiconductor, na binubuo ng dalawang manipis na layer ng mga semiconductor na materyales na may iba't ibang mga gaps ng banda, tulad ng GaAs at GaAlAs, at ang solong heterostructure laser ay unang lumitaw (1969). Ang solong heterojunction injection laser (SHLD) ay nasa loob ng p rehiyon ng GaAsP-N junction upang bawasan ang threshold current density, na isang order ng magnitude na mas mababa kaysa sa homojunction laser, ngunit ang solong heterojunction laser ay hindi pa rin maaaring Tuloy-tuloy na gumagana sa temperatura ng silid.
Mula noong huling bahagi ng 1970s, ang mga laser ng semiconductor ay malinaw na nabuo sa dalawang direksyon, ang isa ay isang information-based na laser para sa layunin ng pagpapadala ng impormasyon, at ang isa ay isang power-based na laser para sa layunin ng pagtaas ng optical power. Hinimok ng mga application tulad ng pumped solid-state lasers, high-power mga laser ng semiconductor(continuous output power na higit sa 100mw at pulse output power na higit sa 5W ay matatawag na high-power laser ng semiconductor).
Noong 1990s, isang pambihirang tagumpay ang ginawa, na minarkahan ng isang makabuluhang pagtaas sa output power ng mga laser ng semiconductor, ang komersyalisasyon ng high-power mga laser ng semiconductorsa kilowatt level sa ibang bansa, at ang output ng domestic sample device na umaabot sa 600W. Mula sa pananaw ng pagpapalawak ng laser band, ang unang infrared laser ng semiconductor, na sinusundan ng 670nm red laser ng semiconductor, ay malawakang ginagamit. Pagkatapos, sa pagdating ng mga wavelength na 650nm at 635nm, ang blue-green at blue-light mga laser ng semiconductoray matagumpay ding binuo ng isa-isa. Ang mga violet at kahit na ultraviolet laser ng semiconductor na may order na 10mW ay ginagawa din. Ang mga surface-emitting laser at vertical-cavity surface-emitting laser ay mabilis na nabuo noong huling bahagi ng 1990s, at ang iba't ibang mga aplikasyon sa super-parallel na optoelectronics ay isinasaalang-alang. Ang 980nm, 850nm at 780nm na mga device ay praktikal na sa mga optical system. Sa kasalukuyan, ang vertical cavity surface emitting lasers ay ginagamit sa mga high-speed network ng Gigabit Ethernet.

Mga aplikasyon ng mga laser ng semiconductor
Ang mga laser ng semiconductor ay isang klase ng mga laser na mas maagang nag-mature at mas mabilis na umuunlad. Dahil sa kanilang malawak na hanay ng wavelength, simpleng produksyon, mababang gastos, at madaling paggawa ng masa, at dahil sa kanilang maliit na sukat, magaan ang timbang, at mahabang buhay, mayroon silang mabilis na pag-unlad sa mga varieties at aplikasyon. Isang malawak na hanay, kasalukuyang higit sa 300 species.

1. Aplikasyon sa industriya at teknolohiya
1) Komunikasyon ng optical fiber.Semiconductor laseray ang tanging praktikal na pinagmumulan ng liwanag para sa sistema ng komunikasyon ng optical fiber, at ang komunikasyon ng optical fiber ay naging mainstream ng kontemporaryong teknolohiya ng komunikasyon.
2) Pag-access sa disc. Ang mga laser ng semiconductor ay ginamit sa optical disk memory, at ang pinakamalaking bentahe nito ay ang pag-iimbak nito ng malaking halaga ng impormasyon ng tunog, teksto at imahe. Ang paggamit ng asul at berdeng mga laser ay maaaring lubos na mapabuti ang density ng imbakan ng mga optical disc.
3) Pagsusuri ng parang multo. Far-infrared tunable mga laser ng semiconductoray ginamit sa ambient gas analysis, monitoring air pollution, automobile exhaust, atbp. Ito ay magagamit sa industriya upang subaybayan ang proseso ng vapor deposition.
4) Pagpoproseso ng optical na impormasyon. Ang mga laser ng semiconductor ay ginamit sa optical information system. Ang dalawang-dimensional na array ng surface-emitting mga laser ng semiconductoray mainam na pinagmumulan ng liwanag para sa optical parallel processing system, na gagamitin sa mga computer at optical neural network.
5) Laser microfabrication. Sa tulong ng mga high-energy ultra-short light pulse na nabuo ng Q-switched mga laser ng semiconductor, ang mga integrated circuit ay maaaring putulin, masuntok, atbp.
6) Laser alarma. Ang mga laser ng semiconductor alarm ay malawakang ginagamit, kabilang ang mga alarma ng magnanakaw, mga alarma sa antas ng tubig, mga alarma sa distansya ng sasakyan, atbp.
7) Laser printer. Ang mga high-power na laser ng semiconductor ay ginamit sa mga laser printer. Ang paggamit ng asul at berdeng mga laser ay maaaring lubos na mapabuti ang bilis at resolution ng pag-print.
8) Laser barcode scanner. Ang mga laser ng semiconductor bar code scanner ay malawakang ginagamit sa pagbebenta ng mga kalakal, at pamamahala ng mga libro at archive.
9) Mag-pump ng mga solid-state na laser. Ito ay isang mahalagang aplikasyon ng high-power mga laser ng semiconductor. Ang paggamit nito upang palitan ang orihinal na atmosphere lamp ay maaaring bumuo ng isang all-solid-state na laser system.
10) High Definition Laser TV. Sa malapit na hinaharap, ang mga laser ng semiconductor TV na walang mga cathode ray tubes, na gumagamit ng pula, asul, at berdeng mga laser, ay tinatantya na kumonsumo ng 20 porsiyentong mas kaunting kapangyarihan kaysa sa mga kasalukuyang TV.

2. Mga aplikasyon sa pananaliksik sa medikal at agham ng buhay
1) Laser surgery.Semiconductor lasersay ginamit para sa soft tissue ablation, tissue bonding, coagulation at vaporization. Ang pamamaraan na ito ay malawakang ginagamit sa pangkalahatang operasyon, plastic surgery, dermatology, urology, obstetrics at ginekolohiya, atbp.
2) Laser dynamic na therapy. Ang mga photosensitive na substance na may kaugnayan sa tumor ay piling naipon sa tissue ng cancer, at ang tissue ng cancer ay pinaiinitan ng isang laser ng semiconductor upang makabuo ng reaktibo na species ng oxygen, na naglalayong gawin itong necrotic nang hindi nakakasira sa malusog na tissue.
3) Pananaliksik sa agham ng buhay. Gamit ang "optical tweezers" ngmga laser ng semiconductor, posibleng makuha ang mga live na cell o chromosome at ilipat ang mga ito sa anumang posisyon. Ito ay ginamit upang i-promote ang cell synthesis at mga pag-aaral sa pakikipag-ugnayan ng cell, at maaari ding gamitin bilang isang diagnostic na teknolohiya para sa forensic na pagkolekta ng ebidensya.