ნახევრგამტარული ლაზერები არის კვანტური გენერატორები, რომლებიც დაფუძნებულია ნახევარგამტარულ აქტიურ გარემოზე, რომელშიც ოპტიკური გაძლიერება იქმნება სტიმულირებული ემისიის შედეგად ენერგიის დონეებს შორის კვანტური გადასვლის დროს მუხტის მატარებლების მაღალ კონცენტრაციაზე თავისუფალ ზონაში.
ნახევარგამტარული ლაზერი: მოქმედების პრინციპი
ნორმალურ მდგომარეობაში, ელექტრონების უმეტესობა განლაგებულია ვალენტობის დონეზე. როდესაც ფოტონები აწვდიან ენერგიას, რომელიც აღემატება შეწყვეტის ზონის ენერგიას, ნახევარგამტარის ელექტრონები მოდიან აგზნების მდგომარეობაში და, აკრძალული ზონის გადალახვის შემდეგ, გადადიან თავისუფალ ზონაში, კონცენტრირდება მის ქვედა კიდეზე. ამავდროულად, ვალენტობის დონეზე წარმოქმნილი ხვრელები მის ზედა საზღვრამდე ადის. თავისუფალ ზონაში ელექტრონები ხელახლა აერთიანებენ ხვრელებს, ასხივებენ ენერგიას, რომელიც უდრის შეწყვეტის ზონის ენერგიას ფოტონების სახით. რეკომბინაცია შეიძლება გაძლიერდეს საკმარისი ენერგიის დონის მქონე ფოტონებით. რიცხვითი აღწერა შეესაბამება ფერმის განაწილების ფუნქციას.
მოწყობილობა
ნახევარგამტარული ლაზერული მოწყობილობაარის ლაზერული დიოდი, რომელიც ამოტუმბულია ელექტრონებისა და ხვრელების ენერგიით p-n-შეერთების ზონაში - ნახევარგამტარების შეხების წერტილი p- და n ტიპის გამტარობით. გარდა ამისა, არსებობს ნახევარგამტარული ლაზერები ოპტიკური ენერგიის მიწოდებით, რომლებშიც სხივი წარმოიქმნება სინათლის ფოტონების შთანთქმის შედეგად, ასევე კვანტური კასკადის ლაზერები, რომელთა მოქმედება ემყარება ზოლებში გადასვლებს.
კომპოზიცია
სტანდარტული კავშირები, რომლებიც გამოიყენება როგორც ნახევარგამტარულ ლაზერებში, ასევე სხვა ოპტოელექტრონულ მოწყობილობებში, შემდეგია:
- გალიუმის არსენიდი;
- გალიუმის ფოსფიდი;
- გალიუმის ნიტრიდი;
- ინდიუმის ფოსფიდი;
- ინდიუმ-გალიუმის არსენიდი;
- გალიუმის ალუმინის არსენიდი;
- გალიუმ-ინდიუმის არსენიდის ნიტრიდი;
- გალიუმ-ინდიუმის ფოსფიდი.
ტალღის სიგრძე
ეს ნაერთები პირდაპირი უფსკრული ნახევარგამტარებია. არაპირდაპირი უფსკრული (სილიციუმის) შუქი არ ასხივებს საკმარისი სიძლიერით და ეფექტურობით. დიოდური ლაზერული გამოსხივების ტალღის სიგრძე დამოკიდებულია ფოტონის ენერგიის მიახლოების ხარისხზე კონკრეტული ნაერთის შეწყვეტის ზონის ენერგიასთან. 3 და 4 კომპონენტიან ნახევარგამტარულ ნაერთებში, შეწყვეტის ზონის ენერგია შეიძლება მუდმივად იცვლებოდეს ფართო დიაპაზონში. AlGaAs=AlxGa1-xროგორც, მაგალითად, ალუმინის შემცველობის ზრდა (ზრდა x-ში) იწვევს მატებას შეწყვეტის ზონის ენერგია.
მიუხედავად იმისა, რომ ყველაზე გავრცელებული ნახევარგამტარული ლაზერები მოქმედებენ ახლო ინფრაწითელში, ზოგიერთი ასხივებს წითელ (ინდიუმის გალიუმის ფოსფიდი), ლურჯ ან იისფერ (გალიუმის ნიტრიდი) ფერებს.საშუალო ინფრაწითელი გამოსხივება წარმოიქმნება ნახევარგამტარული ლაზერების (ტყვიის სელენიდი) და კვანტური კასკადური ლაზერების მიერ.
ორგანული ნახევარგამტარები
ზემოაღნიშნული არაორგანული ნაერთების გარდა, შესაძლებელია ორგანული ნაერთების გამოყენებაც. შესაბამისი ტექნოლოგია ჯერ კიდევ დამუშავების პროცესშია, მაგრამ მისი განვითარება გვპირდება მნიშვნელოვნად შეამცირებს კვანტური გენერატორების წარმოების ღირებულებას. ჯერჯერობით შემუშავებულია მხოლოდ ორგანული ლაზერები ოპტიკური ენერგიის მიწოდებით და მაღალეფექტური ელექტროტუმბო ჯერ არ არის მიღწეული.
ჯიშები
შეიქმნა მრავალი ნახევარგამტარული ლაზერი, რომლებიც განსხვავდება პარამეტრებით და გამოყენებული მნიშვნელობით.
პატარა ლაზერული დიოდები აწარმოებენ კიდეების გამოსხივების მაღალი ხარისხის სხივს, რომლის სიმძლავრე მერყეობს რამდენიმე ხუთასი მილივატამდე. ლაზერული დიოდური კრისტალი არის თხელი მართკუთხა ფირფიტა, რომელიც ემსახურება ტალღის გამტარს, რადგან გამოსხივება შეზღუდულია მცირე სივრცეში. კრისტალი შეფუთულია ორივე მხრიდან დიდი ფართობის p-n შეერთების შესაქმნელად. გაპრიალებული ბოლოები ქმნის ოპტიკურ Fabry-Pero-ს რეზონატორს. რეზონატორში გამავალი ფოტონი გამოიწვევს რეკომბინაციას, გაიზრდება გამოსხივება და დაიწყება წარმოქმნა. გამოიყენება ლაზერულ პოინტერებში, CD და DVD ფლეერებში და ოპტიკურ ბოჭკოვან კომუნიკაციებში.
დაბალი სიმძლავრის მონოლითური ლაზერები და კვანტური გენერატორები გარე რეზონატორით მოკლე იმპულსების წარმოქმნით შეუძლიათ რეჟიმის ჩაკეტვა.
ლაზერებინახევარგამტარი გარე რეზონატორით შედგება ლაზერული დიოდისგან, რომელიც ასრულებს გამაძლიერებელი საშუალების როლს უფრო დიდი ლაზერული რეზონატორის შემადგენლობაში. მათ შეუძლიათ ტალღის სიგრძის შეცვლა და აქვთ ემისიის ვიწრო ზოლი.
ინექციური ნახევარგამტარულ ლაზერებს აქვთ ემისიის რეგიონი ფართო ზოლის სახით, შეუძლიათ წარმოქმნან დაბალი ხარისხის სხივი რამდენიმე ვატის სიმძლავრით. ისინი შედგება თხელი აქტიური ფენისგან, რომელიც მდებარეობს p- და n- ფენებს შორის, ქმნიან ორმაგ ჰეტეროკავშირს. არ არსებობს გვერდითი მიმართულებით სინათლის შენარჩუნების მექანიზმი, რაც იწვევს მაღალი სხივის ელიფტიურობას და მიუღებლად მაღალ ზღურბლ დენებს.
ძლიერი დიოდური ზოლები, რომელიც შედგება ფართოზოლოვანი დიოდების მასივისაგან, შეუძლია აწარმოოს საშუალო ხარისხის სხივი ათობით ვატი სიმძლავრით.
დიოდების ძლიერ ორგანზომილებიან მასივებს შეუძლიათ გამოიმუშაონ ენერგია ასობით და ათასობით ვატში.
ზედაპირის გამოსხივების ლაზერები (VCSEL) ასხივებენ მაღალი ხარისხის სინათლის სხივს, რომლის სიმძლავრეა რამდენიმე მილივატი, პერპენდიკულარულად ფირფიტაზე. რეზონატორის სარკეები გამოიყენება რადიაციის ზედაპირზე ¼ ტალღის სიგრძის ფენების სახით სხვადასხვა რეფრაქციული მაჩვენებლით. რამდენიმე ასეული ლაზერის დამზადება შესაძლებელია ერთ ჩიპზე, რაც ხსნის მასობრივი წარმოების შესაძლებლობას.
VECSEL ლაზერებს ოპტიკური კვების წყაროთი და გარე რეზონატორით შეუძლიათ გამოიმუშავონ კარგი ხარისხის სხივი რამდენიმე ვატიანი სიმძლავრით ჩაკეტვის რეჟიმში.
ნახევარგამტარული ლაზერის კვანტური მოქმედებაკასკადის ტიპი ეფუძნება გადასვლებს ზონებში (ინტერზონებისგან განსხვავებით). ეს მოწყობილობები ასხივებენ შუა ინფრაწითელ რეგიონში, ზოგჯერ ტერაჰერცის დიაპაზონში. ისინი გამოიყენება, მაგალითად, როგორც გაზის ანალიზატორები.
ნახევარგამტარული ლაზერები: გამოყენება და ძირითადი ასპექტები
მძლავრი დიოდური ლაზერები მაღალი ეფექტურობის ელექტრული ტუმბოებით ზომიერ ძაბვაზე გამოიყენება, როგორც მაღალი ეფექტურობის მყარი მდგომარეობის ლაზერების კვების საშუალება.
ნახევარგამტარ ლაზერებს შეუძლიათ იმუშაონ სიხშირის ფართო დიაპაზონში, რომელიც მოიცავს სპექტრის ხილულ, ახლო ინფრაწითელ და შუა ინფრაწითელ ნაწილებს. შეიქმნა მოწყობილობები, რომლებიც ასევე საშუალებას გაძლევთ შეცვალოთ ემისიის სიხშირე.
ლაზერულ დიოდებს შეუძლიათ სწრაფად გადართონ და მოდულონ ოპტიკური სიმძლავრე, რაც გამოიყენება ოპტიკურ-ბოჭკოვანი გადამცემებში.
ასეთმა მახასიათებლებმა ნახევარგამტარული ლაზერები ტექნოლოგიურად კვანტური გენერატორების ყველაზე მნიშვნელოვან ტიპად აქცია. ისინი მიმართავენ:
- ტელემეტრიის სენსორებში, პირომეტრებში, ოპტიკურ სიმაღლეებში, დიაპაზონის მაძიებლებში, სამიზნეებში, ჰოლოგრაფიაში;
- ოპტიკური გადაცემისა და მონაცემთა შენახვის ბოჭკოვანი სისტემებში, თანმიმდევრული საკომუნიკაციო სისტემები;
- ლაზერულ პრინტერებში, ვიდეო პროექტორებში, პოინტერებში, შტრიხკოდების სკანერებში, გამოსახულების სკანერებში, CD პლეერებში (DVD, CD, Blu-Ray);
- უსაფრთხოების სისტემებში, კვანტურ კრიპტოგრაფიაში, ავტომატიზაციაში, ინდიკატორებში;
- ოპტიკურ მეტროლოგიასა და სპექტროსკოპიაში;
- ქირურგიაში, სტომატოლოგიაში, კოსმეტოლოგიაში, თერაპიაში;
- წყლის სამკურნალოდ,მასალების დამუშავება, მყარი მდგომარეობის ლაზერული ტუმბო, ქიმიური რეაქციების კონტროლი, სამრეწველო დახარისხება, სამრეწველო ინჟინერია, ანთების სისტემები, საჰაერო თავდაცვის სისტემები.
პულსის გამომავალი
ნახევარგამტარული ლაზერების უმეტესობა წარმოქმნის უწყვეტ სხივს. გამტარობის დონეზე ელექტრონების ხანმოკლე ყოფნის დროის გამო, ისინი არ არიან ძალიან შესაფერისი Q- გადართვის იმპულსების წარმოქმნისთვის, მაგრამ მუშაობის კვაზი-უწყვეტი რეჟიმი საშუალებას იძლევა მნიშვნელოვნად გაზარდოს კვანტური გენერატორის სიმძლავრე. გარდა ამისა, ნახევარგამტარული ლაზერები შეიძლება გამოყენებულ იქნას ულტრამოკლე იმპულსების შესაქმნელად, რეჟიმის ჩაკეტვით ან გაზრდის გადართვით. მოკლე იმპულსების საშუალო სიმძლავრე ჩვეულებრივ შემოიფარგლება რამდენიმე მილივატით, გარდა ოპტიკურად ამოტუმბული VECSEL ლაზერებისა, რომელთა სიმძლავრე იზომება მრავალ ვატიანი პიკოწამიანი იმპულსებით ათობით გიგაჰერცი სიხშირით..
მოდულაცია და სტაბილიზაცია
ელექტრონის ხანმოკლე ყოფნის უპირატესობა გამტარ ზოლში არის ნახევარგამტარული ლაზერების უნარი მაღალი სიხშირის მოდულაციისთვის, რომელიც VCSEL ლაზერებისთვის აღემატება 10 გჰც-ს. მან იპოვა გამოყენება ოპტიკურ მონაცემთა გადაცემაში, სპექტროსკოპიაში, ლაზერულ სტაბილიზაციაში.
