Hvad er halvlederlaseren?

Siden opfindelsen af ​​verdens første halvlederlaser i 1962 har halvlederlaseren gennemgået enorme forandringer, hvilket i høj grad har fremmet udviklingen af ​​anden videnskab og teknologi, og den anses for at være en af ​​de største menneskelige opfindelser i det tyvende århundrede. I de sidste ti år har halvlederlasere udviklet sig hurtigere og er blevet den hurtigst voksende laserteknologi i verden. Anvendelsesområdet for halvlederlasere dækker hele området inden for optoelektronik og er blevet kerneteknologien i nutidens optoelektronikvidenskab. På grund af fordelene ved lille størrelse, enkel struktur, lav inputenergi, lang levetid, nem modulering og lav pris, er halvlederlasere meget udbredt inden for optoelektronik og er blevet højt værdsat af lande over hele verden.

halvlederlaser
A halvlederlaserer en miniaturiseret laser, der bruger en Pn-junction eller Pin-junction sammensat af et direkte båndgab-halvledermateriale som arbejdsstof. Der er snesevis af halvlederlaserarbejdsmaterialer. De halvledermaterialer, der er blevet omdannet til lasere, omfatter galliumarsenid, indiumarsenid, indiumantimonid, cadmiumsulfid, cadmiumtellurid, blyselenid, blytellurid, aluminium galliumarsenid, indiumfosfor, arsen, osv. Der er tre primære excitationsmetoder til halvledere. lasere, nemlig elektrisk injektionstype, optisk pumpetype og højenergielektronstråleexcitationstype. Excitationsmetoden for de fleste halvlederlasere er elektrisk injektion, det vil sige, at en fremadrettet spænding påføres Pn-forbindelsen for at generere stimuleret emission i forbindelsesplanområdet, det vil sige en fremadrettet diode. Derfor kaldes halvlederlasere også for halvlederlaserdioder. For halvledere, da elektroner går mellem energibånd i stedet for diskrete energiniveauer, er overgangsenergien ikke en bestemt værdi, hvilket gør udgangsbølgelængden af ​​halvlederlasere spredt over et bredt område. på rækken. Bølgelængderne, de udsender, er mellem 0,3 og 34 μm. Bølgelængdeområdet bestemmes af energibåndgabet for det anvendte materiale. Den mest almindelige er AlGaAs dobbelt heterojunction laser, som har en output bølgelængde på 750-890 nm.
Halvlederlaserfremstillingsteknologien har erfaring fra diffusionsmetoden til væskefaseepitaksi (LPE), dampfaseepitaksi (VPE), molekylærstråleepitaksi (MBE), MOCVD-metoden (dampaflejring af metalorganiske forbindelser), kemisk stråleepitaksi (CBE) ) og forskellige kombinationer af dem. Den største ulempe ved halvlederlasere er, at laserens ydeevne i høj grad påvirkes af temperaturen, og strålens divergensvinkle er stor (generelt mellem et par grader og 20 grader), så den er dårlig i retningsbestemmelse, monokromaticitet og sammenhæng. Men med den hurtige udvikling af videnskab og teknologi går forskningen i halvlederlasere i retning af dybden, og halvlederlaserens ydeevne forbedres konstant. Halvlederoptoelektronisk teknologi med halvlederlaser som kernen vil gøre større fremskridt og spille en større rolle i det 21. århundredes informationssamfund.

Hvordan virker halvlederlasere?
A halvlederlaserer en sammenhængende strålingskilde. For at få det til at generere laserlys, skal tre grundlæggende betingelser være opfyldt:
1. Forstærkningstilstand: Inversionsfordelingen af ​​bærere i lasermediet (aktivt område) etableres. I halvlederen er energibåndet, der repræsenterer elektronenergien, sammensat af en række energiniveauer, der er tæt på kontinuerlige. Derfor, i halvlederen For at opnå populationsinversion skal antallet af elektroner i bunden af ​​ledningsbåndet i højenergitilstanden være meget større end antallet af huller i toppen af ​​lavenergiens valensbånd tilstand mellem de to energibåndsregioner. Heterojunctionen er fremadrettet for at injicere nødvendige bærere i det aktive lag for at excitere elektroner fra valensbåndet med lavere energi til ledningsbåndet med højere energi. Stimuleret emission opstår, når et stort antal elektroner i en tilstand af befolkningsinversion rekombinerer med huller.
2. For faktisk at opnå kohærent stimuleret stråling skal den stimulerede stråling tilbageføres flere gange i den optiske resonator for at danne laseroscillation. Laserresonatoren er dannet af den naturlige spaltningsoverflade af halvlederkrystallen som et spejl, normalt i Den ende, der ikke udsender lys, er belagt med en højreflekterende flerlags dielektrisk film, og den lysemitterende overflade er belagt med en anti- reflektionsfilm. For halvlederlaseren F-p-kaviteten (Fabry-Perot-hulrummet) kan F-p-hulrummet let dannes ved at bruge krystallens naturlige spaltningsplan vinkelret på p-n-forbindelsesplanet.
3. For at danne en stabil oscillation skal lasermediet kunne give en tilstrækkelig stor forstærkning til at kompensere for det optiske tab forårsaget af resonatoren og tabet forårsaget af laseroutputtet fra hulrummets overflade mv., og kontinuerligt øge det optiske felt i hulrummet. Dette kræver en stærk nok strømindsprøjtning, det vil sige, at der er tilstrækkelig befolkningsinversion, jo højere grad af populationsinversion er, jo større forstærkning opnås, det vil sige, at en vis strømtærskelbetingelse skal være opfyldt. Når laseren når tærsklen, kan lyset med en bestemt bølgelængde give resonans i hulrummet og forstærkes, og til sidst danne en laser og udsende kontinuerligt. Det kan ses, at i halvlederlasere er dipolovergangen af ​​elektroner og huller den grundlæggende proces med lysemission og lysforstærkning. For nye halvlederlasere er det i øjeblikket anerkendt, at kvantebrønde er den grundlæggende drivkraft for udviklingen af ​​halvlederlasere. Hvorvidt kvantetråde og kvanteprikker kan drage fuld fordel af kvanteeffekter er blevet udvidet til dette århundrede. Forskere har forsøgt at bruge selvorganiserede strukturer til at lave kvanteprikker i forskellige materialer, og GaInN kvanteprikker er blevet brugt i halvlederlasere.

Udviklingshistorie af halvlederlasere
Dethalvlederlaserei begyndelsen af ​​1960'erne var homojunction lasere, som var pn junction dioder fremstillet på ét materiale. Under den fremadgående store strøminjektion injiceres elektroner kontinuerligt i p-området, og huller injiceres kontinuerligt i n-området. Derfor realiseres inversionen af ​​bærebølgefordelingen i det oprindelige pn-forbindelsesudtømningsområde. Da elektronernes migrationshastighed er hurtigere end huller, forekommer stråling og rekombination i det aktive område, og fluorescens udsendes. lasing, en halvlederlaser, der kun kan arbejde i pulser. Det andet trin i udviklingen af ​​halvlederlasere er heterostrukturhalvlederlaseren, som er sammensat af to tynde lag af halvledermaterialer med forskellige båndgab, såsom GaAs og GaAlAs, og den enkelte heterostrukturlaser dukkede først op (1969). Enkelt heterojunction injektionslaseren (SHLD) er inden for p-området af GaAsP-N krydset for at reducere tærskelstrømtætheden, som er en størrelsesorden lavere end homojunction laseren, men enkelt heterojunction laseren kan stadig ikke Kontinuerligt arbejde kl. stuetemperatur.
Siden slutningen af ​​1970'erne har halvlederlasere åbenlyst udviklet sig i to retninger, den ene er en informationsbaseret laser med det formål at transmittere information, og den anden er en strømbaseret laser med det formål at øge den optiske effekt. Drevet af applikationer som pumpede solid-state lasere, højeffekt halvlederlasere (kontinuerlig udgangseffekt på mere end 100mw og pulsudgangseffekt på mere end 5W kan kaldes højeffekt halvlederlasere).
I 1990'erne blev der lavet et gennembrud, som var præget af en betydelig stigning i udgangseffekten af ​​halvlederlasere, kommercialiseringen af ​​højeffekt halvlederlasere på kilowatt-niveau i udlandet, og outputtet af indenlandske prøveenheder nåede 600W. Fra perspektivet af udvidelsen af ​​laserbåndet blev de første infrarøde halvlederlasere, efterfulgt af 670nm røde halvlederlasere, meget brugt. Derefter, med fremkomsten af ​​bølgelængder på 650 nm og 635 nm, blev blå-grønne og blå-lys-halvlederlasere også med succes udviklet efter hinanden. Violette og endda ultraviolette halvlederlasere i størrelsesordenen 10mW udvikles også. Overflade-emitterende lasere og lodret hulrum overflade-emitterende lasere har udviklet sig hurtigt i slutningen af ​​1990'erne, og en række anvendelser inden for superparallel optoelektronik er blevet overvejet. 980nm, 850nm og 780nm enheder er allerede praktiske i optiske systemer. På nuværende tidspunkt er lasere, der udsender lodret hulrumsoverflade, blevet brugt i højhastighedsnetværk af Gigabit Ethernet.

Anvendelser af halvlederlasere
Halvlederlasere er en klasse af lasere, der modnes tidligere og udvikler sig hurtigere. På grund af deres brede bølgelængdeområde, enkle produktion, lave omkostninger og nemme masseproduktion, og på grund af deres lille størrelse, lette vægt og lange levetid, har de en hurtig udvikling i varianter og anvendelser. En bred vifte, i øjeblikket mere end 300 arter.

1. Anvendelse i industri og teknologi
1) Optisk fiberkommunikation.Halvleder laserer den eneste praktiske lyskilde til optisk fiberkommunikationssystem, og optisk fiberkommunikation er blevet mainstream af moderne kommunikationsteknologi.
2) Diskadgang. Halvlederlasere er blevet brugt i optisk diskhukommelse, og dens største fordel er, at den gemmer en stor mængde lyd-, tekst- og billedinformation. Brugen af ​​blå og grønne lasere kan i høj grad forbedre lagringstætheden af ​​optiske diske.
3) Spektralanalyse. Langt-infrarøde afstembare halvlederlasere er blevet brugt til analyse af omgivende gas, overvågning af luftforurening, biludstødning osv. Det kan bruges i industrien til at overvåge processen med dampaflejring.
4) Optisk informationsbehandling. Halvlederlasere er blevet brugt i optiske informationssystemer. Todimensionelle arrays af overflade-emitterende halvlederlasere er ideelle lyskilder til optiske parallelle behandlingssystemer, som vil blive brugt i computere og optiske neurale netværk.
5) Laser mikrofabrikation. Ved hjælp af højenergi ultrakorte lysimpulser genereret af Q-switched halvlederlasere kan integrerede kredsløb skæres, udstanses osv.
6) Laseralarm. Halvlederlaseralarmer er meget udbredt, herunder tyverialarmer, vandstandsalarmer, køretøjsafstandsalarmer osv.
7) Laserprintere. Halvlederlasere med høj effekt er blevet brugt i laserprintere. Brug af blå og grønne lasere kan i høj grad forbedre udskrivningshastigheden og opløsningen.
8) Laser stregkodescanner. Halvleder laser stregkodescannere er blevet brugt i vid udstrækning til salg af varer og forvaltning af bøger og arkiver.
9) Pumpe solid-state lasere. Dette er en vigtig anvendelse af højeffekt halvlederlasere. Ved at bruge den til at erstatte den originale atmosfærelampe kan der dannes et helt faststoflasersystem.
10) High Definition Laser TV. I den nærmeste fremtid skønnes halvlederlaser-tv'er uden katodestrålerør, som anvender røde, blå og grønne lasere, at bruge 20 procent mindre strøm end eksisterende tv'er.

2. Anvendelser inden for medicinsk og biovidenskabelig forskning
1) Laserkirurgi.Halvleder lasereer blevet brugt til ablation af blødt væv, vævsbinding, koagulation og fordampning. Denne teknik er meget udbredt inden for generel kirurgi, plastikkirurgi, dermatologi, urologi, obstetrik og gynækologi mv.
2) Laser dynamisk terapi. De lysfølsomme stoffer, der har en affinitet til tumoren, ophobes selektivt i kræftvævet, og kræftvævet bestråles med en halvlederlaser for at generere reaktive oxygenarter, med det formål at gøre det nekrotisk uden at beskadige det raske væv.
3) Life science forskning. Ved hjælp af den "optiske pincet" afhalvlederlasere, er det muligt at fange levende celler eller kromosomer og flytte dem til en hvilken som helst position. Det er blevet brugt til at fremme cellesyntese og celleinteraktionsundersøgelser og kan også bruges som en diagnostisk teknologi til retsmedicinsk bevisindsamling.