Yarımkeçirici lazer nədir?

1962-ci ildə dünyada ilk yarımkeçirici lazerin ixtirasından bəri yarımkeçirici lazer böyük dəyişikliklərə məruz qalmış, digər elm və texnologiyanın inkişafına böyük təkan vermiş və iyirminci əsrdə bəşəriyyətin ən böyük ixtiralarından biri hesab olunur. Son on ildə yarımkeçirici lazerlər daha sürətlə inkişaf etmiş və dünyada ən sürətlə inkişaf edən lazer texnologiyasına çevrilmişdir. Yarımkeçirici lazerlərin tətbiq dairəsi optoelektronikanın bütün sahəsini əhatə edir və bugünkü optoelektronika elminin əsas texnologiyasına çevrilmişdir. Kiçik ölçüləri, sadə quruluşu, aşağı giriş enerjisi, uzun ömür, asan modulyasiya və aşağı qiymət üstünlüklərinə görə yarımkeçirici lazerlər optoelektronika sahəsində geniş istifadə olunur və bütün dünya ölkələri tərəfindən yüksək qiymətləndirilib.

yarımkeçirici lazer
A yarımkeçirici lazerişçi maddə kimi birbaşa zolaq boşluğu yarımkeçirici materialdan ibarət Pn qovşağından və ya Pin qovşağından istifadə edən miniatürləşdirilmiş lazerdir. Yarımkeçirici lazerlə işləyən onlarla material var. Lazerlər üçün hazırlanmış yarımkeçirici materiallara qallium arsenid, indium arsenid, indium antimonid, kadmium sulfid, kadmium tellurid, qurğuşun selenid, qurğuşun tellurid, alüminium qalium arsenid, indium fosfor, arsen və s. daxildir. Yarımkeçiricilərin üç əsas həyəcanlandırma üsulu var. lazerlər, yəni elektrik inyeksiya növü, optik nasos növü və yüksək enerjili elektron şüası həyəcanlandırma növü. Yarımkeçirici lazerlərin əksəriyyətinin həyəcanlandırma üsulu elektrik inyeksiyasıdır, yəni qovşaq müstəvisi bölgəsində stimullaşdırılmış emissiya yaratmaq üçün Pn qovşağına irəli gərginlik tətbiq olunur, yəni irəli istiqamətli bir diod. Buna görə də yarımkeçirici lazerlərə yarımkeçirici lazer diodları da deyilir. Yarımkeçiricilər üçün elektronlar diskret enerji səviyyələri deyil, enerji zolaqları arasında keçdiyi üçün keçid enerjisi müəyyən dəyər deyil, bu da yarımkeçirici lazerlərin çıxış dalğa uzunluğunu geniş diapazona yayır. diapazonda. Onların yaydıqları dalğa uzunluqları 0,3 ilə 34 μm arasındadır. Dalğa uzunluğu diapazonu istifadə olunan materialın enerji bandı boşluğu ilə müəyyən edilir. Ən çox yayılmışı, çıxış dalğa uzunluğu 750-890 nm olan AlGaAs ikiqat heteroqovuşma lazeridir.
Yarımkeçirici lazer istehsal texnologiyası diffuziya üsulundan maye fazalı epitaksiyaya (LPE), buxar fazalı epitaksiyaya (VPE), molekulyar şüa epitaksiyasına (MBE), MOCVD üsuluna (metal üzvi birləşmənin buxar çökməsi), kimyəvi şüa epitaksiyasına (CBE) qədər təcrübə qazanmışdır. və onların müxtəlif birləşmələri. Yarımkeçirici lazerlərin ən böyük çatışmazlığı odur ki, lazerin performansı temperaturdan çox təsirlənir və şüanın divergensiya bucağı böyükdür (ümumiyyətlə bir neçə dərəcə ilə 20 dərəcə arasında), ona görə də o, yönlülük, monoxromatiklik və koherentlik baxımından zəifdir. Bununla belə, elm və texnikanın sürətli inkişafı ilə yarımkeçirici lazerlərin tədqiqi dərinlik istiqamətində irəliləyir və yarımkeçirici lazerlərin iş qabiliyyəti daim təkmilləşir. Nüvə olaraq yarımkeçirici lazer olan yarımkeçirici optoelektron texnologiyası daha böyük irəliləyiş əldə edəcək və 21-ci əsrin informasiya cəmiyyətində daha böyük rol oynayacaqdır.

Yarımkeçirici lazerlər necə işləyir?
A yarımkeçirici lazerkoherent şüalanma mənbəyidir. Onun lazer işığı yaratması üçün üç əsas şərt yerinə yetirilməlidir:
1. Qazanma şərti: Lasinq mühitində (aktiv bölgədə) daşıyıcıların inversiya paylanması qurulur. Yarımkeçiricidə elektron enerjisini təmsil edən enerji zolağı fasiləsizliyə yaxın bir sıra enerji səviyyələrindən ibarətdir. Buna görə də yarımkeçiricidə Əhali inversiyasına nail olmaq üçün yüksək enerjili vəziyyətin keçiricilik zolağının altındakı elektronların sayı aşağı enerjili valentlik zolağının yuxarısındakı dəliklərin sayından xeyli çox olmalıdır. iki enerji bandı bölgəsi arasındakı vəziyyət. Hetero-qovuşma, aşağı enerjili valent zolağından daha yüksək enerjili keçiricilik zonasına elektronları həyəcanlandırmaq üçün aktiv təbəqəyə lazımi daşıyıcıları yeritmək üçün irəli meyllidir. Stimullaşdırılmış emissiya populyasiyanın inversiya vəziyyətində olan çoxlu sayda elektron deşiklərlə rekombinasiya edildikdə baş verir.
2. Koherent stimullaşdırılmış radiasiyanı faktiki əldə etmək üçün stimullaşdırılmış şüalanma lazer salınımını yaratmaq üçün optik rezonatorda bir neçə dəfə geri qaytarılmalıdır. Lazer rezonatoru yarımkeçirici kristalın təbii parçalanma səthindən güzgü kimi əmələ gəlir, adətən, işığı buraxmayan ucluğu yüksək əks etdirən çoxqatlı dielektrik filmlə, işıq saçan səth isə anti-qızıl örtüklə örtülür. əks etdirən film. F-p boşluğu (Fabry-Perot boşluğu) yarımkeçirici lazer üçün, p-n birləşmə müstəvisinə perpendikulyar olan kristalın təbii parçalanma müstəvisindən istifadə etməklə F-p boşluğu asanlıqla formalaşdırıla bilər.
3. Sabit rəqs yaratmaq üçün lazer mühiti rezonatorun yaratdığı optik itkini və boşluq səthindən lazer çıxışı nəticəsində yaranan itkini və s. kompensasiya etmək üçün kifayət qədər böyük qazanc təmin etməli və davamlı olaraq boşluqda optik sahəni artırmaq. Bunun üçün kifayət qədər güclü cərəyan inyeksiyası tələb olunur, yəni kifayət qədər populyasiya inversiyası var, populyasiyanın inversiya dərəcəsi nə qədər yüksəkdirsə, əldə edilən qazanc bir o qədər çox olur, yəni müəyyən cari həddi şərt yerinə yetirilməlidir. Lazer eşik həddinə çatdıqda, müəyyən dalğa uzunluğuna malik işıq boşluqda rezonans yarada bilər və gücləndirilə bilər və nəhayət, bir lazer meydana gətirərək davamlı olaraq çıxış edə bilər. Görünür ki, yarımkeçirici lazerlərdə elektronların və dəliklərin dipol keçidi işıq emissiyasının və işığın gücləndirilməsinin əsas prosesidir. Yeni yarımkeçirici lazerlər üçün hazırda kvant quyularının yarımkeçirici lazerlərin inkişafı üçün əsas hərəkətverici qüvvə olduğu qəbul edilir. Kvant naqillərinin və kvant nöqtələrinin kvant effektlərindən tam istifadə edib-etməməsi bu əsrə qədər uzadılıb. Elm adamları müxtəlif materiallarda kvant nöqtələri yaratmaq üçün öz-özünə təşkil edilən strukturlardan istifadə etməyə çalışdılar və GaInN kvant nöqtələri yarımkeçirici lazerlərdə istifadə edildi.

Yarımkeçirici lazerlərin inkişaf tarixi
Theyarımkeçirici lazerlər1960-cı illərin əvvəllərində bir material üzərində hazırlanmış pn qovşaq diodları olan homoqovşaq lazerləri idi. İrəli böyük cərəyan inyeksiyası altında elektronlar davamlı olaraq p bölgəsinə vurulur və n bölgəsinə dəliklər davamlı olaraq vurulur. Buna görə də, daşıyıcı paylamanın inversiyası orijinal pn qovşağının tükənmə bölgəsində həyata keçirilir. Elektronların miqrasiya sürəti dəliklərdən daha sürətli olduğundan, aktiv bölgədə radiasiya və rekombinasiya baş verir və flüoresans yayılır. lasing, yalnız impulslarda işləyə bilən yarımkeçirici lazer. Yarımkeçirici lazerlərin inkişafının ikinci mərhələsi GaAs və GaAlAs kimi müxtəlif zolaq boşluqlarına malik yarımkeçirici materialların iki nazik təbəqəsindən ibarət heterostrukturlu yarımkeçirici lazerdir və ilk dəfə tək heterostrukturlu lazer yaranmışdır (1969). Tək heteroqovuşma inyeksiya lazeri (SHLD) GaAsP-N qovşağının p bölgəsindədir ki, bu da homo-qovşaq lazerindən daha aşağı olan həddi cərəyan sıxlığını azaltmaq üçündür, lakin tək heteroqovuşma lazeri hələ də Davamlı işləyə bilmir. otaq temperaturu.
1970-ci illərin sonundan etibarən yarımkeçirici lazerlər açıq şəkildə iki istiqamətdə inkişaf etmişdir, biri məlumat ötürmək üçün məlumat əsaslı lazer, digəri isə optik gücü artırmaq üçün gücə əsaslanan lazerdir. Pompalı bərk cisim lazerləri, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər (100 mV-dan çox davamlı çıxış gücü və 5 Vt-dan çox impuls çıxış gücü yüksək güclü yarımkeçirici lazerlər adlandırıla bilər) kimi tətbiqlərlə idarə olunur.
1990-cı illərdə yarımkeçirici lazerlərin çıxış gücünün əhəmiyyətli dərəcədə artması, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin xaricdə kilovat səviyyəsində kommersiyalaşdırılması və yerli nümunə cihazlarının istehsalının 600 Vt-a çatması ilə əlamətdar bir irəliləyiş əldə edildi. Lazer zolağının genişləndirilməsi baxımından ilk infraqırmızı yarımkeçirici lazerlər, sonra 670nm qırmızı yarımkeçirici lazerlər geniş istifadə edilmişdir. Sonra, 650nm və 635nm dalğa uzunluqlarının yaranması ilə mavi-yaşıl və mavi-işıqlı yarımkeçirici lazerlər də bir-birinin ardınca uğurla inkişaf etdirildi. 10 mVt gücündə bənövşəyi və hətta ultrabənövşəyi yarımkeçirici lazerlər də hazırlanır. Səthi emissiya edən lazerlər və şaquli boşluqlu səthi emissiya edən lazerlər 1990-cı illərin sonunda sürətlə inkişaf etdi və super paralel optoelektronikada müxtəlif tətbiqlər nəzərdən keçirildi. 980nm, 850nm və 780nm cihazlar optik sistemlərdə artıq praktikdir. Hazırda Gigabit Ethernet-in yüksəksürətli şəbəkələrində şaquli boşluq səthi emissiya edən lazerlərdən istifadə edilmişdir.

Yarımkeçirici lazerlərin tətbiqi
Yarımkeçirici lazerlər daha tez yetişən və daha sürətli inkişaf edən lazerlər sinfidir. Geniş dalğa boyu diapazonu, sadə istehsal, aşağı qiymət və asan kütləvi istehsal sayəsində və kiçik ölçüləri, yüngül çəkisi və uzun ömürlü olması səbəbindən çeşidlərdə və tətbiqlərdə sürətli inkişafa malikdirlər. Geniş çeşid, hazırda 300-dən çox növ.

1. Sənaye və texnologiyada tətbiqi
1) Fiber optik rabitə.Yarımkeçirici lazerfiber optik rabitə sistemi üçün yeganə praktik işıq mənbəyidir və optik lif rabitəsi müasir rabitə texnologiyasının əsas axınına çevrilmişdir.
2) Disk girişi. Yarımkeçirici lazerlər optik disk yaddaşında istifadə edilmişdir və onun ən böyük üstünlüyü onun böyük həcmdə səs, mətn və təsvir məlumatlarını saxlamasıdır. Mavi və yaşıl lazerlərin istifadəsi optik disklərin saxlama sıxlığını xeyli yaxşılaşdıra bilər.
3) Spektral analiz. Uzaq infraqırmızı tənzimlənə bilən yarımkeçirici lazerlər ətraf mühitin qazının təhlilində, havanın çirklənməsinin, avtomobillərin işlənməsinin monitorinqində və s. istifadə edilmişdir. O, buxarın çökmə prosesini izləmək üçün sənayedə istifadə edilə bilər.
4) Optik informasiya emalı. Yarımkeçirici lazerlər optik informasiya sistemlərində istifadə edilmişdir. Səthi emissiya edən yarımkeçirici lazerlərin ikiölçülü massivləri kompüterlərdə və optik neyron şəbəkələrində istifadə olunacaq optik paralel emal sistemləri üçün ideal işıq mənbələridir.
5) Lazer mikrofabrikasiyası. Q-switched yarımkeçirici lazerlərin yaratdığı yüksək enerjili ultra-qısa işıq impulslarının köməyi ilə inteqral sxemləri kəsmək, zımbalamaq və s.
6) Lazer siqnalizasiya. Yarımkeçirici lazer siqnalları geniş istifadə olunur, o cümlədən oğurluq siqnalları, su səviyyəsinin siqnalları, avtomobil məsafəsi siqnalları və s.
7) Lazer printerlər. Lazer printerlərdə yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərdən istifadə edilmişdir. Mavi və yaşıl lazerlərdən istifadə çap sürətini və həllini əhəmiyyətli dərəcədə yaxşılaşdıra bilər.
8) Lazer barkod skaneri. Yarımkeçirici lazer ştrix-kod skanerləri malların satışında, kitabların və arxivlərin idarə edilməsində geniş istifadə edilmişdir.
9) bərk vəziyyətdə olan lazerləri pompalayın. Bu, yüksək güclü yarımkeçirici lazerlərin mühüm tətbiqidir. Orijinal atmosfer lampasını əvəz etmək üçün istifadə edərək, tam bərk vəziyyətdə olan lazer sistemi yarada bilər.
10) High Definition Lazer TV. Yaxın gələcəkdə qırmızı, mavi və yaşıl lazerlərdən istifadə edən katod şüa boruları olmayan yarımkeçirici lazer televizorlarının mövcud televizorlardan 20 faiz az enerji istehlak edəcəyi təxmin edilir.

2. Tibb və həyat elmi tədqiqatlarında tətbiqlər
1) Lazer əməliyyatı.Yarımkeçirici lazerləryumşaq toxumaların ablasyonu, toxumaların bağlanması, laxtalanması və buxarlanması üçün istifadə edilmişdir. Bu texnika geniş şəkildə ümumi cərrahiyyə, plastik cərrahiyyə, dermatologiya, urologiya, mamalıq və ginekologiya və s.
2) Lazer dinamik terapiyası. Şişə yaxınlığı olan fotohəssas maddələr xərçəng toxumasında selektiv şəkildə toplanır və xərçəng toxuması yarımkeçirici lazerlə şüalanır və sağlam toxuma zərər vermədən onu nekrotik hala gətirmək məqsədi ilə reaktiv oksigen növləri əmələ gəlir.
3) Həyat elminin tədqiqatı. "Optik cımbız" istifadə edərəkyarımkeçirici lazerlər, canlı hüceyrələri və ya xromosomları tutmaq və onları istənilən mövqeyə köçürmək mümkündür. Hüceyrə sintezi və hüceyrə qarşılıqlı tədqiqatlarını təşviq etmək üçün istifadə edilmişdir və məhkəmə sübutlarının toplanması üçün diaqnostik texnologiya kimi də istifadə edilə bilər.