Els làsers semiconductors són generadors quàntics basats en un medi actiu semiconductor en què l'amplificació òptica es crea per emissió estimulada durant una transició quàntica entre nivells d'energia a una concentració elevada de portadors de càrrega a la zona lliure.
Laser semiconductor: principi de funcionament
En estat normal, la majoria dels electrons es troben al nivell de valència. Quan els fotons subministren energia que supera l'energia de la zona de discontinuïtat, els electrons del semiconductor entren en un estat d'excitació i, superada la zona prohibida, passen a la zona lliure, concentrant-se a la seva vora inferior. Simultàniament, els forats formats al nivell de valència pugen fins al seu límit superior. Els electrons de la zona lliure es recombinen amb forats, irradiant una energia igual a l'energia de la zona de discontinuïtat en forma de fotons. La recombinació es pot millorar amb fotons amb nivells d'energia suficients. La descripció numèrica correspon a la funció de distribució de Fermi.
Dispositiu
Dispositiu làser semiconductorés un díode làser bombejat amb l'energia dels electrons i els forats a la zona d'unió p-n, el punt de contacte dels semiconductors amb conductivitat de tipus p i n. A més, hi ha làsers semiconductors amb subministrament d'energia òptica, en els quals el feix es forma absorbint fotons de llum, així com làsers en cascada quàntica, el funcionament dels quals es basa en transicions dins de bandes.
Composició
Les connexions estàndard que s'utilitzen tant en làsers semiconductors com en altres dispositius optoelectrònics són les següents:
- arseniur de gal·li;
- fosfur de gal·li;
- nitrur de gal·li;
- fosfur d'indi;
- arseniur d'indi i gal·li;
- arsenur d'alumini de gal·li;
- nitrur d'arsenur de gal·li-indi;
- fosfur de gal·li-indi.
Longitud d'ona
Aquests compostos són semiconductors de buit directe. La llum de buit indirecte (silici) no s'emet amb prou força i eficiència. La longitud d'ona de la radiació làser del díode depèn del grau d'aproximació de l'energia del fotó a l'energia de la zona de discontinuïtat d'un determinat compost. En els compostos semiconductors de 3 i 4 components, l'energia de la zona de discontinuïtat pot variar contínuament en un ampli rang. Per a AlGaAs=AlxGa1-xAs, per exemple, un augment del contingut d'alumini (un augment de x) provoca un augment de la energia de la zona de discontinuïtat.
Si bé els làsers semiconductors més comuns funcionen en l'infraroig proper, alguns emeten colors vermells (fosfur d'indi gal·li), blaus o violetes (nitrur de gal·li). La radiació d'infrarojos mitjans la produeixen làsers semiconductors (selenur de plom) i làsers de cascada quàntica.
Semiconductors orgànics
A més dels compostos inorgànics esmentats anteriorment, també es poden utilitzar els orgànics. La tecnologia corresponent encara està en desenvolupament, però el seu desenvolupament promet reduir significativament el cost de producció dels generadors quàntics. Fins ara, només s'han desenvolupat làsers orgànics amb subministrament d'energia òptica i encara no s'ha aconseguit un bombament elèctric altament eficient.
Varietats
S'han creat molts làsers de semiconductors, que difereixen en paràmetres i valor aplicat.
Els díodes làser petits produeixen un feix de radiació de vora d' alta qualitat, la potència del qual oscil·la entre diversos i cinc-cents mil·liwatts. El cristall de díode làser és una placa rectangular fina que serveix de guia d'ones, ja que la radiació es limita a un espai reduït. El cristall es dopa a banda i banda per crear una unió p-n d'una gran àrea. Els extrems polits creen un ressonador òptic Fabry-Perot. Un fotó que passa pel ressonador provocarà la recombinació, la radiació augmentarà i començarà la generació. S'utilitza en punters làser, reproductors de CD i DVD i comunicacions de fibra òptica.
Els làsers monolítics de baixa potència i els generadors quàntics amb un ressonador extern per formar polsos curts poden produir un bloqueig del mode.
Làsersun semiconductor amb un ressonador extern consisteix en un díode làser, que fa el paper d'un medi amplificador en la composició d'un ressonador làser més gran. Són capaços de canviar les longituds d'ona i tenen una banda d'emissió estreta.
Els làsers semiconductors d'injecció tenen una regió d'emissió en forma de banda ampla, poden generar un feix de baixa qualitat amb una potència de diversos watts. Consten d'una fina capa activa situada entre la capa p i la capa n, formant una doble heterounió. No hi ha cap mecanisme per mantenir la llum en la direcció lateral, la qual cosa dóna lloc a una gran el·lipticitat del feix i corrents de llindar inacceptablement alts.
Les barres de díodes potents, que consisteixen en una sèrie de díodes de banda ampla, són capaços de produir un feix de qualitat mediocre amb una potència de desenes de watts.
Les potents matrius bidimensionals de díodes poden generar energia de centenars i milers de watts.
Els làsers d'emissió superficial (VCSEL) emeten un feix de llum d' alta qualitat amb una potència de diversos mil·liwatts perpendiculars a la placa. Els miralls ressonadors s'apliquen a la superfície de radiació en forma de capes de ¼ de longitud d'ona amb diferents índexs de refracció. Es poden fabricar diversos centenars de làsers en un sol xip, la qual cosa obre la possibilitat de la producció en massa.
Els làsers VECSEL amb font d'alimentació òptica i un ressonador extern són capaços de generar un feix de bona qualitat amb una potència de diversos watts en mode de bloqueig.
El funcionament d'un làser quàntic semiconductorEl tipus de cascada es basa en transicions dins de les zones (a diferència de les interzones). Aquests dispositius emeten a la regió de l'infraroig mitjà, de vegades en el rang de terahertz. S'utilitzen, per exemple, com a analitzadors de gasos.
Làsers semiconductors: aplicació i aspectes principals
S'utilitzen làsers de díode potents amb bombament elèctric d' alta eficiència a tensions moderades com a mitjà per alimentar làsers d'estat sòlid d' alta eficiència.
Els làsers semiconductors poden funcionar en un ampli rang de freqüències, que inclou les parts visibles, infrarojes properes i infrarojes mitjanes de l'espectre. S'han creat dispositius que també permeten canviar la freqüència de l'emissió.
Els díodes làser poden canviar i modular ràpidament la potència òptica, la qual cosa s'aplica als transmissors de fibra òptica.
Aquestes característiques han fet que els làsers semiconductors tecnològicament siguin el tipus més important de generadors quàntics. S'apliquen:
- en sensors de telemetria, piròmetres, altímetres òptics, telèmetres, punts d'interès, holografia;
- en sistemes de fibra òptica de transmissió òptica i emmagatzematge de dades, sistemes de comunicació coherents;
- en impressores làser, projectors de vídeo, punters, escàners de codis de barres, escàners d'imatges, reproductors de CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- en sistemes de seguretat, criptografia quàntica, automatització, indicadors;
- en metrologia òptica i espectroscòpia;
- en cirurgia, odontologia, cosmetologia, teràpia;
- per al tractament d'aigua,processament de materials, bombeig làser d'estat sòlid, control de reaccions químiques, classificació industrial, enginyeria industrial, sistemes d'encesa, sistemes de defensa antiaèria.
Sortida de pols
La majoria dels làsers semiconductors generen un feix continu. A causa del curt temps de residència dels electrons a nivell de conducció, no són molt adequats per generar polsos de commutació Q, però el mode de funcionament quasi continu permet un augment significatiu de la potència del generador quàntic. A més, els làsers de semiconductors es poden utilitzar per generar polsos ultracurts amb bloqueig de mode o canvi de guany. La potència mitjana dels polsos curts sol limitar-se a uns pocs mil·liwatts, amb l'excepció dels làsers VECSEL bombejats òpticament, la sortida dels quals es mesura amb polsos de picosegons de diversos watts amb una freqüència de desenes de gigahertz.
Modulació i estabilització
L'avantatge de la curta estada d'un electró a la banda de conducció és la capacitat dels làsers semiconductors per a la modulació d' alta freqüència, que per als làsers VCSEL supera els 10 GHz. Ha trobat aplicació en la transmissió òptica de dades, l'espectroscòpia i l'estabilització làser.
