Կիսահաղորդչային լազերները քվանտային գեներատորներ են, որոնք հիմնված են կիսահաղորդչային ակտիվ միջավայրի վրա, որտեղ օպտիկական ուժեղացում է ստեղծվում խթանված արտանետման միջոցով էներգիայի մակարդակների միջև քվանտային անցման ժամանակ ազատ գոտում լիցքակիրների բարձր կոնցենտրացիայի դեպքում:
Կիսահաղորդչային լազեր. գործողության սկզբունք
Նորմալ վիճակում էլեկտրոնների մեծ մասը գտնվում է վալենտական մակարդակում: Երբ ֆոտոնները մատակարարում են անջատման գոտու էներգիան գերազանցող էներգիա, կիսահաղորդչի էլեկտրոնները գալիս են գրգռման վիճակի և, հաղթահարելով արգելված գոտին, անցնում են ազատ գոտի՝ կենտրոնանալով դրա ստորին եզրին։ Միաժամանակ, վալենտային մակարդակում ձևավորված անցքերը բարձրանում են մինչև դրա վերին սահմանը: Ազատ գոտում գտնվող էլեկտրոնները վերամիավորվում են անցքերի հետ՝ ճառագայթելով էներգիա, որը հավասար է անջատման գոտու էներգիային ֆոտոնների տեսքով։ Ռեկոմբինացիան կարող է ուժեղացվել էներգիայի բավարար մակարդակ ունեցող ֆոտոնների միջոցով: Թվային նկարագրությունը համապատասխանում է Ֆերմի բաշխման ֆունկցիային։
Սարք
Կիսահաղորդչային լազերային սարքլազերային դիոդ է, որը մղվում է էլեկտրոնների և անցքերի էներգիայով p-n-միացման գոտում՝ p- և n տիպի հաղորդունակությամբ կիսահաղորդիչների շփման կետ: Բացի այդ, կան օպտիկական էներգիայի մատակարարմամբ կիսահաղորդչային լազերներ, որոնցում ճառագայթը ձևավորվում է լույսի ֆոտոնների կլանմամբ, ինչպես նաև քվանտային կասկադային լազերներ, որոնց աշխատանքը հիմնված է շերտերի միջով անցումների վրա։
Կոմպոզիցիա
Ստանդարտ միացումները, որոնք օգտագործվում են ինչպես կիսահաղորդչային լազերներում, այնպես էլ այլ օպտոէլեկտրոնային սարքերում, հետևյալն են՝
- գալիումի արսենիդ;
- գալիումի ֆոսֆիդ;
- գալիումի նիտրիդ;
- ինդիումի ֆոսֆիդ;
- ինդիում-գալիումի արսենիդ;
- գալիումի ալյումինի արսենիդ;
- գալիում-ինդիումի արսենիդ նիտրիդ;
- գալիում-ինդիումի ֆոսֆիդ.
Ալիքի երկարություն
Այս միացությունները ուղիղ բացվածքով կիսահաղորդիչներ են: Անուղղակի բացվածքով (սիլիկոն) լույս չի արձակում բավարար ուժով և արդյունավետությամբ: Դիոդային լազերային ճառագայթման ալիքի երկարությունը կախված է որոշակի միացության անջատման գոտու էներգիային ֆոտոնների էներգիայի մոտարկման աստիճանից։ 3 և 4 բաղադրիչ կիսահաղորդչային միացություններում անջատման գոտու էներգիան կարող է շարունակաբար տատանվել լայն տիրույթում: AlGaAs=AlxGa1-xԻնչպես, օրինակ, ալյումինի պարունակության աճը (x-ի աճը) հանգեցնում է Անդադար գոտու էներգիան։
Մինչ ամենատարածված կիսահաղորդչային լազերները գործում են մոտ ինֆրակարմիր ճառագայթում, որոշներն արձակում են կարմիր (ինդիումի գալիումի ֆոսֆիդ), կապույտ կամ մանուշակագույն (գալիումի նիտրիդ) գույները:Միջին ինֆրակարմիր ճառագայթումը արտադրվում է կիսահաղորդչային լազերների (կապար սելենիդ) և քվանտային կասկադային լազերների միջոցով:
Օրգանական կիսահաղորդիչներ
Բացի վերը նշված անօրգանական միացություններից, կարող են օգտագործվել նաև օրգանականները։ Համապատասխան տեխնոլոգիան դեռ մշակման փուլում է, սակայն դրա մշակումը խոստանում է զգալիորեն նվազեցնել քվանտային գեներատորների արտադրության արժեքը։ Առայժմ մշակվել են միայն օրգանական լազերներ՝ օպտիկական էներգիայի մատակարարմամբ, և բարձր արդյունավետությամբ էլեկտրական պոմպավորում դեռևս չի իրականացվել։
Տարատեսակներ
Ստեղծվել են բազմաթիվ կիսահաղորդչային լազերներ, որոնք տարբերվում են պարամետրերով և կիրառական արժեքներով:
Փոքր լազերային դիոդներն արտադրում են ծայրամասային ճառագայթման բարձրորակ ճառագայթ, որի հզորությունը տատանվում է մի քանի հարյուր միլիվատ-ի սահմաններում: Լազերային դիոդի բյուրեղը բարակ ուղղանկյուն թիթեղ է, որը ծառայում է որպես ալիքատար, քանի որ ճառագայթումը սահմանափակվում է փոքր տարածությամբ: Բյուրեղը քսվում է երկու կողմերից՝ մեծ տարածքի p-n հանգույց ստեղծելու համար: Հղկված ծայրերը ստեղծում են օպտիկական Fabry-Pero ռեզոնատոր: Ռեզոնատորի միջով անցնող ֆոտոնը կառաջացնի ռեկոմբինացիա, ճառագայթումը կաճի, և կսկսվի գեներացումը: Օգտագործվում է լազերային ցուցիչների, CD և DVD նվագարկիչների և օպտիկամանրաթելային հաղորդակցության մեջ:
Ցածր էներգիայի մոնոլիտ լազերները և քվանտային գեներատորները արտաքին ռեզոնատորով կարճ իմպուլսներ ձևավորելու համար կարող են առաջացնել ռեժիմի կողպում:
ԼազերներԱրտաքին ռեզոնատորով կիսահաղորդիչը բաղկացած է լազերային դիոդից, որն ուժեղացնող միջավայրի դեր է խաղում ավելի մեծ լազերային ռեզոնատորի բաղադրության մեջ: Նրանք ունակ են փոխել ալիքի երկարությունը և ունեն արտանետման նեղ գոտի:
Ներարկման կիսահաղորդչային լազերներն ունեն արտանետման շրջան՝ լայն ժապավենի տեսքով, կարող են առաջացնել ցածրորակ ճառագայթ՝ մի քանի վտ հզորությամբ: Դրանք կազմված են բարակ ակտիվ շերտից, որը գտնվում է p- և n-շերտերի միջև՝ ձևավորելով կրկնակի հետերջանցում։ Լույսը կողային ուղղությամբ պահելու մեխանիզմ չկա, ինչը հանգեցնում է բարձր ճառագայթի էլիպտիկության և անթույլատրելի բարձր շեմային հոսանքների:
Հզոր դիոդային ձողերը, որոնք բաղկացած են լայնաշերտ դիոդների զանգվածից, կարող են արտադրել միջին որակի ճառագայթ՝ տասնյակ վտ հզորությամբ:
Դիոդների հզոր երկչափ զանգվածները կարող են արտադրել հարյուրավոր և հազարավոր վտ հզորություն:
Մակերևույթի արտանետվող լազերները (VCSEL) արձակում են բարձրորակ լույսի ճառագայթ՝ մի քանի միլիվատ հզորությամբ թիթեղին ուղղահայաց: Ռեզոնատոր հայելիները կիրառվում են ճառագայթման մակերեսի վրա ¼ ալիքի երկարության շերտերի տեսքով՝ տարբեր բեկման ինդեքսներով: Մեկ չիպի վրա կարելի է մի քանի հարյուր լազեր պատրաստել, ինչը բացում է զանգվածային արտադրության հնարավորությունը։
VECSEL լազերները օպտիկական սնուցման աղբյուրով և արտաքին ռեզոնատորով ի վիճակի են մի քանի վտ հզորությամբ լավ որակի ճառագայթ առաջացնել կողպման ռեժիմում:
Կիսահաղորդչային լազերային քվանտ-Կասկադի տեսակը հիմնված է գոտիների ներսում անցումների վրա (ի տարբերություն միջգոտիների): Այս սարքերը արտանետում են միջին ինֆրակարմիր շրջանում, երբեմն՝ տերահերցի տիրույթում: Դրանք օգտագործվում են, օրինակ, որպես գազի անալիզատորներ։
Կիսահաղորդչային լազերներ. կիրառություն և հիմնական ասպեկտներ
Հզոր դիոդային լազերները՝ բարձր արդյունավետությամբ էլեկտրական պոմպով չափավոր լարումներով, օգտագործվում են որպես բարձր արդյունավետության պինդ վիճակի լազերների սնուցման միջոց։
Կիսահաղորդչային լազերները կարող են գործել հաճախականության լայն տիրույթում, որը ներառում է սպեկտրի տեսանելի, մոտ ինֆրակարմիր և միջին ինֆրակարմիր հատվածները: Ստեղծվել են սարքեր, որոնք թույլ են տալիս նաև փոխել արտանետումների հաճախականությունը։
Լազերային դիոդները կարող են արագ փոխարկել և մոդուլավորել օպտիկական հզորությունը, ինչը կիրառություն է գտնում օպտիկամանրաթելային հաղորդիչների մեջ:
Նման բնութագրերը կիսահաղորդչային լազերները տեխնոլոգիապես դարձրել են քվանտային գեներատորների ամենակարևոր տեսակը: Նրանք դիմում են՝
- հեռաչափության տվիչների, պիրոմետրերի, օպտիկական բարձրաչափերի, հեռաչափերի, տեսարժան վայրերի, հոլոգրաֆիայի մեջ;
- օպտիկական փոխանցման և տվյալների պահպանման օպտիկամանրաթելային համակարգերում, կապի համահունչ համակարգերում;
- լազերային տպիչներում, վիդեո պրոյեկտորներում, ցուցիչներում, շտրիխ կոդի սկաներներում, պատկերի սկաներներում, CD նվագարկիչներում (DVD, CD, Blu-Ray);
- անվտանգության համակարգերում, քվանտային ծածկագրում, ավտոմատացում, ցուցիչներ;
- օպտիկական չափագիտության և սպեկտրոսկոպիայի մեջ;
- վիրաբուժության, ատամնաբուժության, կոսմետոլոգիայի, թերապիայի մեջ;
- ջրի մաքրման համար,նյութերի վերամշակում, պինդ վիճակում լազերային պոմպում, քիմիական ռեակցիաների վերահսկում, արդյունաբերական տեսակավորում, արդյունաբերական ճարտարագիտություն, բոցավառման համակարգեր, հակաօդային պաշտպանության համակարգեր։
Զարկերակային ելք
Կիսահաղորդչային լազերների մեծ մասը առաջացնում է շարունակական ճառագայթ: Հաղորդման մակարդակում էլեկտրոնների կարճ կեցության ժամանակի պատճառով դրանք այնքան էլ հարմար չեն Q-անջատող իմպուլսներ ստեղծելու համար, սակայն աշխատանքի գրեթե շարունակական ռեժիմը թույլ է տալիս զգալիորեն մեծացնել քվանտային գեներատորի հզորությունը: Բացի այդ, կիսահաղորդչային լազերները կարող են օգտագործվել գերկարճ իմպուլսներ առաջացնելու համար՝ ռեժիմի կողպման կամ ձեռքբերման անջատման միջոցով: Կարճ իմպուլսների միջին հզորությունը սովորաբար սահմանափակվում է մի քանի միլվատտ-ով, բացառությամբ օպտիկական պոմպային VECSEL լազերների, որոնց ելքը չափվում է տասնյակ գիգահերց հաճախականությամբ բազմավատտ պիկվայրկյանական իմպուլսներով:
Մոդուլյացիա և կայունացում
Էլեկտրոնի հաղորդման գոտում կարճ մնալու առավելությունը կիսահաղորդչային լազերների բարձր հաճախականության մոդուլյացիայի կարողությունն է, որը VCSEL լազերների համար գերազանցում է 10 ԳՀց-ը: Այն գտել է կիրառություն օպտիկական տվյալների փոխանցման, սպեկտրոսկոպիայի, լազերային կայունացման մեջ։
