Wat is de halfgeleiderlaser?

Sinds de uitvinding van 's werelds eerste halfgeleiderlaser in 1962, heeft de halfgeleiderlaser enorme veranderingen ondergaan, wat de ontwikkeling van andere wetenschap en technologie enorm heeft bevorderd, en wordt beschouwd als een van de grootste menselijke uitvindingen in de twintigste eeuw. In de afgelopen tien jaar hebben halfgeleiderlasers zich sneller ontwikkeld en zijn ze de snelst groeiende lasertechnologie ter wereld geworden. Het toepassingsgebied van halfgeleiderlasers bestrijkt het hele gebied van opto-elektronica en is de kerntechnologie geworden van de hedendaagse opto-elektronicawetenschap. Vanwege de voordelen van klein formaat, eenvoudige structuur, lage ingangsenergie, lange levensduur, gemakkelijke modulatie en lage prijs, worden halfgeleiderlasers veel gebruikt op het gebied van opto-elektronica en worden ze door landen over de hele wereld zeer gewaardeerd.

halfgeleiderlaser
A halfgeleiderlaseris een geminiaturiseerde laser die een Pn-overgang of Pin-overgang gebruikt die is samengesteld uit een direct bandgap-halfgeleidermateriaal als werksubstantie. Er zijn tientallen werkmaterialen voor halfgeleiderlasers. De halfgeleidermaterialen die tot lasers zijn gemaakt, omvatten galliumarsenide, indiumarsenide, indiumantimonide, cadmiumsulfide, cadmiumtelluride, loodselenide, loodtelluride, aluminiumgalliumarsenide, indiumfosfor, arseen, enz. Er zijn drie belangrijke excitatiemethoden voor halfgeleiders lasers, namelijk het type elektrische injectie, het type optische pomp en het excitatietype met hoge energie-elektronenstraal. De excitatiemethode van de meeste halfgeleiderlasers is elektrische injectie, dat wil zeggen, een voorwaartse spanning wordt toegepast op de Pn-overgang om gestimuleerde emissie te genereren in het gebied van het verbindingsvlak, dat wil zeggen een voorwaarts voorgespannen diode. Daarom worden halfgeleiderlasers ook wel halfgeleiderlaserdiodes genoemd. Voor halfgeleiders, aangezien elektronen overgaan tussen energiebanden in plaats van discrete energieniveaus, is de overgangsenergie geen definitieve waarde, waardoor de uitgangsgolflengte van halfgeleiderlasers over een groot bereik wordt verspreid. op het assortiment. De golflengten die ze uitzenden liggen tussen 0,3 en 34 m. Het golflengtebereik wordt bepaald door de energiebandafstand van het gebruikte materiaal. De meest voorkomende is de AlGaAs dubbele heterojunctielaser, die een uitgangsgolflengte heeft van 750-890 nm.
De fabricagetechnologie van halfgeleiderlasers heeft ervaring met de diffusiemethode tot vloeibare fase-epitaxie (LPE), dampfase-epitaxie (VPE), moleculaire bundelepitaxie (MBE), MOCVD-methode (dampafzetting van metaalorganische verbindingen), chemische bundelepitaxie (CBE) ) en verschillende combinaties daarvan. Het grootste nadeel van halfgeleiderlasers is dat de laserprestaties sterk worden beïnvloed door de temperatuur en dat de divergentiehoek van de straal groot is (meestal tussen enkele graden en 20 graden), dus het is slecht in gerichtheid, monochromaticiteit en coherentie. Met de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie vordert het onderzoek naar halfgeleiderlasers echter in de richting van diepte en worden de prestaties van halfgeleiderlasers voortdurend verbeterd. Halfgeleider-opto-elektronische technologie met halfgeleiderlaser als kern zal meer vooruitgang boeken en een grotere rol spelen in de informatiemaatschappij van de 21e eeuw.

Hoe werken halfgeleiderlasers?
A halfgeleiderlaseris een coherente stralingsbron. Om het laserlicht te laten genereren, moet aan drie basisvoorwaarden worden voldaan:
1. Gain-voorwaarde: De inversieverdeling van dragers in het lasermedium (actieve regio) wordt vastgesteld. In de halfgeleider is de energieband die de elektronenenergie vertegenwoordigt, samengesteld uit een reeks energieniveaus die bijna continu zijn. Daarom moet in de halfgeleider, om populatie-inversie te bereiken, het aantal elektronen aan de onderkant van de geleidingsband van de hoogenergetische toestand veel groter zijn dan het aantal gaten aan de bovenkant van de valentieband van de laagenergetische toestand toestand tussen de twee energiebandgebieden. De heterojunctie is voorwaarts voorgespannen om noodzakelijke dragers in de actieve laag te injecteren om elektronen van de valentieband met lagere energie naar de geleidingsband met hogere energie te exciteren. Gestimuleerde emissie treedt op wanneer een groot aantal elektronen in een toestand van populatie-inversie recombineert met gaten.
2. Om daadwerkelijk coherente gestimuleerde straling te verkrijgen, moet de gestimuleerde straling meerdere keren worden teruggekoppeld in de optische resonator om laseroscillatie te vormen. De laserresonator wordt gevormd door het natuurlijke splitsingsoppervlak van het halfgeleiderkristal als een spiegel, meestal in Het uiteinde dat geen licht uitstraalt, is gecoat met een hoogreflecterende meerlagige diëlektrische film en het lichtemitterende oppervlak is bedekt met een anti- reflectie film. Voor de F-p-holte (Fabry-Perot-holte) halfgeleiderlaser kan de F-p-holte gemakkelijk worden gevormd door gebruik te maken van het natuurlijke splitsingsvlak van het kristal loodrecht op het pn-overgangsvlak.
3. Om een ​​stabiele oscillatie te vormen, moet het lasermedium in staat zijn een voldoende grote versterking te leveren om het optische verlies veroorzaakt door de resonator en het verlies veroorzaakt door de laseroutput van het holteoppervlak, enz., en continu te compenseren vergroot het optische veld in de holte. Dit vereist een stroominjectie die sterk genoeg is, dat wil zeggen dat er voldoende populatie-inversie is, hoe hoger de mate van populatie-inversie, hoe groter de verkregen winst, dat wil zeggen dat aan een bepaalde stroomdrempelvoorwaarde moet worden voldaan. Wanneer de laser de drempel bereikt, kan het licht met een specifieke golflengte in de holte resoneren en worden versterkt, en uiteindelijk een laser vormen en continu uitzenden. Het is te zien dat in halfgeleiderlasers de dipoolovergang van elektronen en gaten het basisproces is van lichtemissie en lichtversterking. Voor nieuwe halfgeleiderlasers wordt momenteel erkend dat kwantumputten de fundamentele drijvende kracht zijn voor de ontwikkeling van halfgeleiderlasers. Of kwantumdraden en kwantumdots volledig kunnen profiteren van kwantumeffecten, is tot deze eeuw uitgebreid. Wetenschappers hebben geprobeerd om zelfgeorganiseerde structuren te gebruiken om kwantumstippen in verschillende materialen te maken, en GaInN-kwantumstippen zijn gebruikt in halfgeleiderlasers.

Ontwikkelingsgeschiedenis van halfgeleiderlasers
Dehalfgeleiderlasersvan de vroege jaren zestig waren homojunctielasers, pn-junctiediodes die op één materiaal waren gefabriceerd. Onder de voorwaartse grote stroominjectie worden continu elektronen in het p-gebied geïnjecteerd en worden continu gaten in het n-gebied geïnjecteerd. Daarom wordt de inversie van de dragerverdeling gerealiseerd in het oorspronkelijke pn-overgangsdepletiegebied. Omdat de migratiesnelheid van elektronen sneller is dan die van gaten, vinden straling en recombinatie plaats in het actieve gebied en wordt fluorescentie uitgezonden. lasering, een halfgeleiderlaser die alleen in pulsen kan werken. De tweede fase van de ontwikkeling van halfgeleiderlasers is de heterostructuurhalfgeleiderlaser, die is samengesteld uit twee dunne lagen halfgeleidermaterialen met verschillende bandafstanden, zoals GaAs en GaAlAs, en de enkele heterostructuurlaser verscheen voor het eerst (1969). De enkele heterojunctie-injectielaser (SHLD) bevindt zich binnen het p-gebied van de GaAsP-N-junctie om de drempelstroomdichtheid te verminderen, die een orde van grootte lager is dan die van de homojunctielaser, maar de enkele heterojunctielaser kan nog steeds niet continu werken op kamertemperatuur.
Sinds het einde van de jaren zeventig hebben halfgeleiderlasers zich duidelijk in twee richtingen ontwikkeld: de ene is een op informatie gebaseerde laser voor het verzenden van informatie en de andere is een op vermogen gebaseerde laser met als doel het optische vermogen te vergroten. Aangedreven door toepassingen zoals gepompte vastestoflasers, krachtige halfgeleiderlasers (continu uitgangsvermogen van meer dan 100 mW en pulsuitgangsvermogen van meer dan 5 W kunnen krachtige halfgeleiderlasers worden genoemd).
In de jaren negentig werd een doorbraak gemaakt, die werd gekenmerkt door een aanzienlijke toename van het uitgangsvermogen van halfgeleiderlasers, de commercialisering van krachtige halfgeleiderlasers op kilowattniveau in het buitenland en de output van huishoudelijke monsterapparaten die 600 W bereikte. Vanuit het perspectief van de uitbreiding van de laserband, werden eerst infrarood halfgeleiderlasers, gevolgd door 670nm rode halfgeleiderlasers, veel gebruikt. Toen, met de komst van golflengten van 650 nm en 635 nm, werden blauwgroene en blauwlicht halfgeleiderlasers ook met succes de een na de ander ontwikkeld. Er worden ook violette en zelfs ultraviolette halfgeleiderlasers in de orde van grootte van 10 mW ontwikkeld. Oppervlakte-emitterende lasers en oppervlakte-emitterende lasers met verticale holtes hebben zich eind jaren negentig snel ontwikkeld en een verscheidenheid aan toepassingen in superparallelle opto-elektronica is overwogen. 980nm-, 850nm- en 780nm-apparaten zijn al praktisch in optische systemen. Op dit moment zijn oppervlakte-emitterende lasers met verticale holtes gebruikt in hogesnelheidsnetwerken van Gigabit Ethernet.

Toepassingen van halfgeleiderlasers
Halfgeleiderlasers zijn een klasse lasers die eerder rijpen en sneller vorderen. Vanwege hun brede golflengtebereik, eenvoudige productie, lage kosten en gemakkelijke massaproductie, en vanwege hun kleine formaat, lichtgewicht en lange levensduur, hebben ze een snelle ontwikkeling in variëteiten en toepassingen. Een breed assortiment, momenteel meer dan 300 soorten.

1. Toepassing in industrie en technologie
1) Optische vezelcommunicatie.Halfgeleiderlaseris de enige praktische lichtbron voor optische vezelcommunicatiesystemen, en optische vezelcommunicatie is de hoofdstroom geworden van de hedendaagse communicatietechnologie.
2) Schijftoegang. Halfgeleiderlasers zijn gebruikt in optische schijfgeheugens en het grootste voordeel is dat het een grote hoeveelheid geluids-, tekst- en beeldinformatie opslaat. Het gebruik van blauwe en groene lasers kan de opslagdichtheid van optische schijven aanzienlijk verbeteren.
3) Spectrale analyse. Ver-infrarood afstembare halfgeleiderlasers zijn gebruikt in omgevingsgasanalyse, het bewaken van luchtvervuiling, uitlaatgassen van auto's, enz. Het kan in de industrie worden gebruikt om het proces van dampafzetting te bewaken.
4) Optische informatieverwerking. Halfgeleiderlasers zijn gebruikt in optische informatiesystemen. Tweedimensionale arrays van oppervlakte-emitterende halfgeleiderlasers zijn ideale lichtbronnen voor optische parallelle verwerkingssystemen, die zullen worden gebruikt in computers en optische neurale netwerken.
5) Lasermicrofabricage. Met behulp van ultrakorte lichtpulsen met hoge energie die worden gegenereerd door Q-geschakelde halfgeleiderlasers, kunnen geïntegreerde schakelingen worden gesneden, geponst, enz.
6) Laseralarm. Halfgeleiderlaseralarmen worden veel gebruikt, waaronder inbraakalarmen, waterpeilalarmen, voertuigafstandsalarmen, enz.
7) Laserprinters. High-power halfgeleiderlasers zijn gebruikt in laserprinters. Het gebruik van blauwe en groene lasers kan de afdruksnelheid en resolutie aanzienlijk verbeteren.
8) Laser-barcodescanner. Halfgeleiderlaser-barcodescanners worden veel gebruikt bij de verkoop van goederen en het beheer van boeken en archieven.
9) Pomp vastestoflasers. Dit is een belangrijke toepassing van krachtige halfgeleiderlasers. Door het te gebruiken om de originele atmosfeerlamp te vervangen, kan een volledig solid-state lasersysteem worden gevormd.
10) High-definition laser-tv. In de nabije toekomst zullen halfgeleiderlaser-tv's zonder kathodestraalbuizen, die gebruikmaken van rode, blauwe en groene lasers, naar schatting 20 procent minder stroom verbruiken dan bestaande tv's.

2. Toepassingen in medisch en biowetenschappelijk onderzoek
1) Laserchirurgie.Halfgeleiderlaserszijn gebruikt voor ablatie van zacht weefsel, weefselbinding, coagulatie en verdamping. Deze techniek wordt veel gebruikt in de algemene chirurgie, plastische chirurgie, dermatologie, urologie, verloskunde en gynaecologie, enz.
2) Laser dynamische therapie. De lichtgevoelige stoffen die affiniteit hebben voor de tumor worden selectief opgehoopt in het kankerweefsel en het kankerweefsel wordt bestraald met een halfgeleiderlaser om reactieve zuurstofsoorten te genereren, met als doel het necrotisch te maken zonder het gezonde weefsel te beschadigen.
3) Levenswetenschappelijk onderzoek. Met behulp van de "optische pincet" vanhalfgeleiderlasers, is het mogelijk om levende cellen of chromosomen te vangen en naar elke positie te verplaatsen. Het is gebruikt om celsynthese en celinteractiestudies te bevorderen, en kan ook worden gebruikt als diagnostische technologie voor het verzamelen van forensisch bewijs.