XII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2020

Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов. Формально такие лазеры можно отнести к твердотельным, однако в силу иного принципа работы их выделяют в отдельную группу.

Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине. Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Появление такого электронного компонента стало революцией в конструировании электрических устройств разной сложности. Луч, образованные диодами высокой мощности, используется в медицине при выполнении всяческих хирургических процедур, в том числе по восстановлению зрения. Лазерный луч способен за незначительный промежуток времени произвести коррекцию глазного хрусталика.

В быту и промышленности, применение полупроводникового лазера в основном связано с измерительными приборами. Мощность таких устройств может варьироваться в весьма широком диапазоне. Так, мощности в 8 Вт достаточно для сборки портативного уровнемера в бытовых условиях. При этом прибор будет надежно работать, и создавать очень длинный лазерный луч. Кстати говоря, попадание такого луча в глаза опасно, так как на малом расстоянии он способен повредить мягкие ткани.

В светодиодах, главным источником энергии является процесс спонтанного излучения. Его суть состоит в том, что на анод подается положительный заряд, и диод смещается в прямом направлении. При этом дырки инжектируются из области р в область n р-n перехода, а из области n в область р полупроводника. Поэтому такие устройства часто называют инжекционными полупроводниковыми лазерами. Когда дырка и электрон находятся рядом друг с другом, они рекомбинируют, выделяя фотонную энергию с определенной длиной волны и фонона.

Полупроводниковые лазеры, физика которых была рассмотрена выше, обладают n-р структурой. Они имеют невысокую эффективность, требуют большой мощности на входе и работают исключительно в режиме импульсов. Из-за быстрого перегрева они не могут работать по-другому. В этой связи сфера применения таких лазеров ограничена. На их основе были созданы устройства с более внушительными параметрами. Рассмотрим типы полупроводниковых лазеров.

Лазер с двойной гетероструктурой. В конструкции данного устройства предусмотрен слой вещества с узкой зоной запрета. Он находится между материалами, у которых эта зона значительно шире. Как правило, для изготовления таких лазеров используют арсениды галия и алюминия-галия. Такие соединения называют гетероструктурами.

Преимуществом этого полупроводникового лазера является то, что активная область (область электронов и дырок) находится в среднем слое. Из этого следует, что усилие создается намного большим количеством пар электронов и дырок. В области с малым усилием, этих пар практически не остается. В дополнение к этому, свет отражается от гетеропереходов. Таким образом, излучение полностью находится в области наиболее эффективного усилия.

Лазер с квантовыми ямами. Когда средний слой диода выполнен более тонким, он начинает работать как квантовая яма. Следовательно, электронная энергия в таком случае квантуется вертикально. Разница между количеством энергии квантовых ям используется для формирования излучения, вместо барьера. Это весьма эффективно с точки зрения управления волной луча, которая прямо зависит от толщины среднего слоя. Этот вид лазера намного продуктивнее, нежели однослойный аналог, так как в нем плотность электронов и дырок распределяется более равномерно.

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием. Основная особенность тонкослойного лазера состоит в том, что он не способен к эффективному удержанию светового луча. Чтобы решить эту проблему, с обеих сторон кристалла прикладывают пару дополнительных слоев, обладающих более низким преломлением, нежели центральные слои. Такая структура напоминает световод. Она гораздо эффективнее удерживает луч и называется гетероструктурой с отдельным удержанием. Полупроводниковый лазер на гетероструктуре массово производился в 2000 годах.

Лазеры с обратной связью. Такая конструкция преимущественно используется для волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать волну, на р-n переходе наносят поперечную насечку, в результате чего получается дифракционная решетка. Из-за этого, обратно в резонатор возвращается лишь одна длина волны, которая в нем усиливается. У полупроводниковых лазеров с обратной связью волна имеет постоянную длину, которая определяется шагом той самой насечки. Под действием температуры, возможно изменение насечки. Принцип работы полупроводниковых лазеров этой модели лежит в основе телекоммуникационных оптических систем.

Мощные полупроводниковые лазеры, имеющие высокоэффективную электрическую накачку, при умеренном напряжении используют как средство подвода энергии твердотопливных лазеров. Они могут работать в широком диапазоне частот, включающем видимую, а также ближнюю и среднюю инфракрасные зоны спектра. Некоторые устройства способны менять частоту излучения. Полупроводниковый лазер, устройство которого мы сегодня узнали, может быстро модулировать и переключать оптическую мощность. Эта особенность используется в производстве передатчиков оптоволоконных линий.

Благодаря своим характеристикам, полупроводниковые лазеры на сегодняшний день являются самым важным классом квантовых генераторов.

Их используют в таких областях:

Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.

Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.

Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.

Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.

Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.

Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.

Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.

Производство систем зажигания исистем ПВО.

Литература

Полупроводниковый лазер - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9F%D0%BE%D0%BB%D1%83%D0%BF%D1%80%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B4%D0%BD%D0%B8%D0%BA%D0%BE%D0%B2%D1%8B%D0%B9_%D0%BB%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80

Лазеры полупроводниковые: виды, устройство, принцип работы, применение - https://fb.ru/article/233993/lazeryi-poluprovodnikovyie-vidyi-ustroystvo-printsip-rabotyi-primenenie

ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР - https://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/2069/%D0%9F%D0%9E%D0%9B%D0%A3%D0%9F%D0%A0%D0%9E%D0%92%D0%9E%D0%94%D0%9D%D0%98%D0%9A%D0%9E%D0%92%D0%AB%D0%99

Лазер - https://bigenc.ru/physics/text/4341828

Код для цитирования: Скопировать