Τι είναι το λέιζερ ημιαγωγών;

Από την εφεύρεση του πρώτου λέιζερ ημιαγωγών στον κόσμο το 1962, το λέιζερ ημιαγωγών έχει υποστεί τεράστιες αλλαγές, προωθώντας σε μεγάλο βαθμό την ανάπτυξη άλλων επιστημών και τεχνολογίας και θεωρείται ως μια από τις μεγαλύτερες ανθρώπινες εφευρέσεις στον εικοστό αιώνα. Τα τελευταία δέκα χρόνια, τα λέιζερ ημιαγωγών αναπτύχθηκαν ταχύτερα και έχουν γίνει η ταχύτερα αναπτυσσόμενη τεχνολογία λέιζερ στον κόσμο. Η σειρά εφαρμογών των λέιζερ ημιαγωγών καλύπτει ολόκληρο το πεδίο της οπτοηλεκτρονικής και έχει γίνει η βασική τεχνολογία της σημερινής επιστήμης της οπτοηλεκτρονικής. Λόγω των πλεονεκτημάτων του μικρού μεγέθους, της απλής δομής, της χαμηλής ενέργειας εισόδου, της μεγάλης διάρκειας ζωής, της εύκολης διαμόρφωσης και της χαμηλής τιμής, τα λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως στον τομέα της οπτοηλεκτρονικής και έχουν εκτιμηθεί ιδιαίτερα από χώρες σε όλο τον κόσμο.

λέιζερ ημιαγωγών
A λέιζερ ημιαγωγώνείναι ένα μινιατούρα λέιζερ που χρησιμοποιεί μια ένωση Pn ή μια διασταύρωση Pin που αποτελείται από ένα υλικό ημιαγωγού άμεσου κενού ζώνης ως ουσία εργασίας. Υπάρχουν δεκάδες υλικά εργασίας με λέιζερ ημιαγωγών. Τα υλικά ημιαγωγών που έχουν κατασκευαστεί σε λέιζερ περιλαμβάνουν αρσενίδιο γαλλίου, αρσενίδιο ινδίου, αντιμονίδιο ινδίου, θειούχο κάδμιο, τελλουρίδιο του καδμίου, σεληνιούχο μόλυβδο, τελλουρίδιο μολύβδου, αρσενίδιο γαλλίου αργιλίου, φώσφορο ίνδιο, αρσενικό κ.λπ. Υπάρχουν τρεις κύριες μέθοδοι διέγερσης του ημιαγωγού λέιζερ, συγκεκριμένα τύπος ηλεκτρικής έγχυσης, τύπος οπτικής αντλίας και τύπος διέγερσης δέσμης ηλεκτρονίων υψηλής ενέργειας. Η μέθοδος διέγερσης των περισσότερων λέιζερ ημιαγωγών είναι η ηλεκτρική έγχυση, δηλαδή, εφαρμόζεται μια τάση προς τα εμπρός στη διασταύρωση Pn για τη δημιουργία διεγερμένης εκπομπής στην περιοχή του επιπέδου διακλάδωσης, δηλαδή μια δίοδο με πόλωση προς τα εμπρός. Επομένως, τα λέιζερ ημιαγωγών ονομάζονται επίσης δίοδοι λέιζερ ημιαγωγών. Για τους ημιαγωγούς, δεδομένου ότι τα ηλεκτρόνια μεταβαίνουν μεταξύ ζωνών ενέργειας και όχι διακριτών ενεργειακών επιπέδων, η ενέργεια μετάβασης δεν είναι μια καθορισμένη τιμή, γεγονός που κάνει το μήκος κύματος εξόδου των λέιζερ ημιαγωγών να εξαπλώνεται σε ένα ευρύ φάσμα. στην περιοχή. Τα μήκη κύματος που εκπέμπουν είναι μεταξύ 0,3 και 34 Ι¼ m. Το εύρος μήκους κύματος καθορίζεται από το ενεργειακό διάκενο ζωνών του υλικού που χρησιμοποιείται. Το πιο συνηθισμένο είναι το λέιζερ διπλής ετεροσύνδεσης AlGaAs, το οποίο έχει μήκος κύματος εξόδου 750-890 nm.
Η τεχνολογία κατασκευής λέιζερ ημιαγωγών έχει εμπειρία από τη μέθοδο διάχυσης έως την επιταξία υγρής φάσης (LPE), την επιταξία φάσης ατμού (VPE), την επιταξία μοριακής δέσμης (MBE), τη μέθοδο MOCVD (εναπόθεση ατμών οργανικής ένωσης μετάλλου), την επιταξία χημικής δέσμης (CBE) ) και διάφορους συνδυασμούς τους. Το μεγαλύτερο μειονέκτημα των λέιζερ ημιαγωγών είναι ότι η απόδοση του λέιζερ επηρεάζεται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία και η γωνία απόκλισης της δέσμης είναι μεγάλη (γενικά μεταξύ λίγων μοιρών και 20 μοιρών), επομένως είναι φτωχή σε κατευθυντικότητα, μονοχρωματικότητα και συνοχή. Ωστόσο, με την ταχεία ανάπτυξη της επιστήμης και της τεχνολογίας, η έρευνα των λέιζερ ημιαγωγών προχωρά προς την κατεύθυνση του βάθους και η απόδοση των λέιζερ ημιαγωγών βελτιώνεται συνεχώς. Η οπτοηλεκτρονική τεχνολογία ημιαγωγών με πυρήνα το λέιζερ ημιαγωγών θα σημειώσει μεγαλύτερη πρόοδο και θα παίξει μεγαλύτερο ρόλο στην κοινωνία της πληροφορίας του 21ου αιώνα.

Πώς λειτουργούν τα λέιζερ ημιαγωγών;
A λέιζερ ημιαγωγώνείναι μια συνεκτική πηγή ακτινοβολίας. Για να παράγει φως λέιζερ, πρέπει να πληρούνται τρεις βασικές προϋποθέσεις:
1. Συνθήκη κέρδους: Καθιερώνεται η κατανομή αναστροφής των φορέων στο μέσο λέιζερ (ενεργή περιοχή). Στον ημιαγωγό, η ενεργειακή ζώνη που αντιπροσωπεύει την ενέργεια των ηλεκτρονίων αποτελείται από μια σειρά ενεργειακών επιπέδων που είναι κοντά στο συνεχές. Επομένως, στον ημιαγωγό Για να επιτευχθεί αντιστροφή πληθυσμού, ο αριθμός των ηλεκτρονίων στο κάτω μέρος της ζώνης αγωγιμότητας της κατάστασης υψηλής ενέργειας πρέπει να είναι πολύ μεγαλύτερος από τον αριθμό των οπών στην κορυφή της ζώνης σθένους της χαμηλής ενέργειας κατάσταση μεταξύ των δύο περιοχών της ενεργειακής ζώνης. Η ετεροσύνδεση ωθεί προς τα εμπρός για να εγχύσει τους απαραίτητους φορείς στο ενεργό στρώμα για να διεγείρει ηλεκτρόνια από τη ζώνη σθένους με χαμηλότερη ενέργεια στη ζώνη αγωγιμότητας με υψηλότερη ενέργεια. Η διεγερμένη εκπομπή συμβαίνει όταν ένας μεγάλος αριθμός ηλεκτρονίων σε κατάσταση αναστροφής πληθυσμού ανασυνδυάζεται με οπές.
2. Για να ληφθεί πραγματικά συνεκτική διεγερμένη ακτινοβολία, η διεγερμένη ακτινοβολία πρέπει να ανατροφοδοτηθεί πολλές φορές στον οπτικό συντονιστή για να σχηματιστεί ταλάντωση λέιζερ. Το αντηχείο λέιζερ σχηματίζεται από τη φυσική επιφάνεια διάσπασης του κρυστάλλου ημιαγωγού ως καθρέφτη, συνήθως στο άκρο που δεν εκπέμπει φως επικαλύπτεται με ένα διηλεκτρικό φιλμ υψηλής ανάκλασης πολλαπλών στρώσεων και η επιφάνεια εκπομπής φωτός επικαλύπτεται με αντι- ταινία αντανάκλασης. Για το λέιζερ ημιαγωγών κοιλότητας F-p (κοιλότητα Fabry-Perot), η κοιλότητα F-p μπορεί να σχηματιστεί εύκολα χρησιμοποιώντας το φυσικό επίπεδο διάσπασης του κρυστάλλου που είναι κάθετο στο επίπεδο σύνδεσης p-n.
3. Για να σχηματιστεί μια σταθερή ταλάντωση, το μέσο λέιζερ πρέπει να μπορεί να παρέχει ένα αρκετά μεγάλο κέρδος για να αντισταθμίσει την οπτική απώλεια που προκαλείται από τον συντονιστή και την απώλεια που προκαλείται από την έξοδο λέιζερ από την επιφάνεια της κοιλότητας κ.λπ., και συνεχώς αύξηση του οπτικού πεδίου στην κοιλότητα. Αυτό απαιτεί μια αρκετά ισχυρή έγχυση ρεύματος, δηλαδή, υπάρχει αρκετή αναστροφή πληθυσμού, όσο υψηλότερος είναι ο βαθμός αντιστροφής του πληθυσμού, τόσο μεγαλύτερο είναι το κέρδος που προκύπτει, δηλαδή, πρέπει να πληρούται μια συγκεκριμένη συνθήκη κατωφλίου ρεύματος. Όταν το λέιζερ φτάσει στο κατώφλι, το φως με ένα συγκεκριμένο μήκος κύματος μπορεί να αντηχεί στην κοιλότητα και να ενισχυθεί και τελικά να σχηματίσει ένα λέιζερ και να εξέρχεται συνεχώς. Μπορεί να φανεί ότι στα λέιζερ ημιαγωγών, η διπολική μετάπτωση ηλεκτρονίων και οπών είναι η βασική διαδικασία εκπομπής φωτός και ενίσχυσης φωτός. Για τα νέα λέιζερ ημιαγωγών, επί του παρόντος αναγνωρίζεται ότι τα κβαντικά φρεάτια είναι η θεμελιώδης κινητήρια δύναμη για την ανάπτυξη των λέιζερ ημιαγωγών. Το αν τα κβαντικά καλώδια και οι κβαντικές κουκκίδες μπορούν να εκμεταλλευτούν πλήρως τα κβαντικά εφέ έχει επεκταθεί σε αυτόν τον αιώνα. Οι επιστήμονες προσπάθησαν να χρησιμοποιήσουν αυτό-οργανωμένες δομές για να φτιάξουν κβαντικές κουκκίδες σε διάφορα υλικά και οι κβαντικές κουκκίδες GaInN έχουν χρησιμοποιηθεί σε λέιζερ ημιαγωγών.

Ιστορία ανάπτυξης λέιζερ ημιαγωγών
ολέιζερ ημιαγωγώντων αρχών της δεκαετίας του 1960 ήταν λέιζερ ομοσύνδεσης, τα οποία ήταν δίοδοι διασταύρωσης pn κατασκευασμένες σε ένα υλικό. Κάτω από την έγχυση μεγάλου ρεύματος προς τα εμπρός, τα ηλεκτρόνια εγχέονται συνεχώς στην περιοχή p και οι οπές εγχέονται συνεχώς στην περιοχή n. Επομένως, η αντιστροφή της κατανομής φορέα πραγματοποιείται στην αρχική περιοχή εξάντλησης της σύνδεσης pn. Δεδομένου ότι η ταχύτητα μετανάστευσης των ηλεκτρονίων είναι μεγαλύτερη από αυτή των οπών, η ακτινοβολία και ο ανασυνδυασμός συμβαίνουν στην ενεργό περιοχή και εκπέμπεται φθορισμός. lasing, ένα λέιζερ ημιαγωγών που μπορεί να λειτουργήσει μόνο σε παλμούς. Το δεύτερο στάδιο της ανάπτυξης των λέιζερ ημιαγωγών είναι το λέιζερ ημιαγωγών ετεροδομής, το οποίο αποτελείται από δύο λεπτά στρώματα ημιαγωγών υλικών με διαφορετικά κενά ζώνης, όπως GaAs και GaAlAs, και το λέιζερ απλής ετεροδομής εμφανίστηκε για πρώτη φορά (1969). Το λέιζερ έγχυσης απλής ετεροσύνδεσης (SHLD) βρίσκεται εντός της περιοχής p της διασταύρωσης GaAsP-N για να μειώσει την πυκνότητα ρεύματος κατωφλίου, η οποία είναι μια τάξη μεγέθους μικρότερη από αυτή του λέιζερ ομοσύνδεσης, αλλά το λέιζερ μονής ετεροσύνδεσης εξακολουθεί να μην μπορεί Συνεχής εργασία σε θερμοκρασία δωματίου.
Από τα τέλη της δεκαετίας του 1970, τα λέιζερ ημιαγωγών αναπτύχθηκαν προφανώς προς δύο κατευθύνσεις, η μία είναι ένα λέιζερ που βασίζεται σε πληροφορίες για το σκοπό της μετάδοσης πληροφοριών και η άλλη είναι ένα λέιζερ με βάση την εξουσία με σκοπό την αύξηση της οπτικής ισχύος. Καθοδηγείται από εφαρμογές όπως αντλούμενα λέιζερ στερεάς κατάστασης, λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ισχύος (η συνεχής ισχύς εξόδου άνω των 100 mw και η ισχύς εξόδου παλμού άνω των 5 W μπορούν να ονομαστούν λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ισχύος).
Στη δεκαετία του 1990, έγινε μια σημαντική ανακάλυψη, η οποία χαρακτηρίστηκε από μια σημαντική αύξηση της ισχύος εξόδου των λέιζερ ημιαγωγών, την εμπορευματοποίηση λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ισχύος σε επίπεδο κιλοβάτ στο εξωτερικό και την ισχύ εγχώριων δειγμάτων συσκευών που έφτασαν τα 600 W. Από την προοπτική της επέκτασης της ζώνης λέιζερ, χρησιμοποιήθηκαν ευρέως πρώτα λέιζερ υπέρυθρων ημιαγωγών, ακολουθούμενα από κόκκινα λέιζερ ημιαγωγών 670 nm. Στη συνέχεια, με την εμφάνιση των μηκών κύματος των 650 nm και 635 nm, τα λέιζερ ημιαγωγών μπλε-πράσινου και μπλε φωτός αναπτύχθηκαν επίσης με επιτυχία το ένα μετά το άλλο. Επίσης αναπτύσσονται ιώδη, ακόμη και υπεριώδη λέιζερ ημιαγωγών της τάξης των 10 mW. Τα λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια και τα λέιζερ που εκπέμπουν επιφάνεια κάθετης κοιλότητας αναπτύχθηκαν γρήγορα στα τέλη της δεκαετίας του 1990 και έχουν εξεταστεί μια ποικιλία εφαρμογών στην υπερπαράλληλη οπτοηλεκτρονική. Οι συσκευές 980nm, 850nm και 780nm είναι ήδη πρακτικές στα οπτικά συστήματα. Προς το παρόν, λέιζερ εκπομπής κάθετης επιφάνειας κοιλότητας έχουν χρησιμοποιηθεί σε δίκτυα υψηλής ταχύτητας Gigabit Ethernet.

Εφαρμογές λέιζερ ημιαγωγών
Τα λέιζερ ημιαγωγών είναι μια κατηγορία λέιζερ που ωριμάζουν νωρίτερα και προχωρούν πιο γρήγορα. Λόγω του μεγάλου εύρους μήκους κύματος, της απλής παραγωγής, του χαμηλού κόστους και της εύκολης μαζικής παραγωγής τους, καθώς και λόγω του μικρού μεγέθους, του μικρού βάρους και της μεγάλης διάρκειας ζωής τους, έχουν ταχεία ανάπτυξη σε ποικιλίες και εφαρμογές. Ένα ευρύ φάσμα, επί του παρόντος περισσότερα από 300 είδη.

1. Εφαρμογή στη βιομηχανία και την τεχνολογία
1) Επικοινωνία οπτικών ινών.Λέιζερ ημιαγωγώνείναι η μόνη πρακτική πηγή φωτός για το σύστημα επικοινωνίας οπτικών ινών και η επικοινωνία με οπτικές ίνες έχει γίνει το κύριο ρεύμα της σύγχρονης τεχνολογίας επικοινωνίας.
2) Πρόσβαση σε δίσκο. Τα λέιζερ ημιαγωγών έχουν χρησιμοποιηθεί στη μνήμη οπτικού δίσκου και το μεγαλύτερο πλεονέκτημά τους είναι ότι αποθηκεύει μεγάλη ποσότητα πληροφοριών ήχου, κειμένου και εικόνας. Η χρήση μπλε και πράσινου λέιζερ μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την πυκνότητα αποθήκευσης των οπτικών δίσκων.
3) Φασματική ανάλυση. Συντονίσιμα λέιζερ ημιαγωγών υπέρυθρης ακτινοβολίας έχουν χρησιμοποιηθεί στην ανάλυση αερίων περιβάλλοντος, στην παρακολούθηση της ατμοσφαιρικής ρύπανσης, στα καυσαέρια αυτοκινήτων κ.λπ. Μπορεί να χρησιμοποιηθεί στη βιομηχανία για την παρακολούθηση της διαδικασίας εναπόθεσης ατμών.
4) Οπτική επεξεργασία πληροφοριών. Τα λέιζερ ημιαγωγών έχουν χρησιμοποιηθεί σε συστήματα οπτικών πληροφοριών. Οι δισδιάστατες συστοιχίες λέιζερ ημιαγωγών που εκπέμπουν επιφάνεια είναι ιδανικές πηγές φωτός για συστήματα οπτικής παράλληλης επεξεργασίας, τα οποία θα χρησιμοποιηθούν σε υπολογιστές και οπτικά νευρωνικά δίκτυα.
5) Μικροκατασκευή λέιζερ. Με τη βοήθεια παλμών υπερμικρού φωτός υψηλής ενέργειας που παράγονται από λέιζερ ημιαγωγών με μεταγωγή Q, τα ολοκληρωμένα κυκλώματα μπορούν να κοπούν, να τρυπηθούν κ.λπ.
6) Συναγερμός λέιζερ. Οι συναγερμοί λέιζερ ημιαγωγών χρησιμοποιούνται ευρέως, συμπεριλαμβανομένων συναγερμών για διαρρήξεις, συναγερμούς στάθμης νερού, συναγερμούς απόστασης οχημάτων κ.λπ.
7) Εκτυπωτές λέιζερ. Τα λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ισχύος έχουν χρησιμοποιηθεί σε εκτυπωτές λέιζερ. Η χρήση μπλε και πράσινου λέιζερ μπορεί να βελτιώσει σημαντικά την ταχύτητα και την ανάλυση εκτύπωσης.
8) Laser barcode scanner. Οι σαρωτές γραμμωτού κώδικα λέιζερ ημιαγωγών έχουν χρησιμοποιηθεί ευρέως στις πωλήσεις αγαθών και στη διαχείριση βιβλίων και αρχείων.
9) Αντλήστε λέιζερ στερεάς κατάστασης. Αυτή είναι μια σημαντική εφαρμογή των λέιζερ ημιαγωγών υψηλής ισχύος. Η χρήση του για την αντικατάσταση της αρχικής λάμπας ατμόσφαιρας μπορεί να σχηματίσει ένα σύστημα λέιζερ εντελώς στερεάς κατάστασης.
10) Τηλεόραση λέιζερ υψηλής ευκρίνειας. Στο εγγύς μέλλον, οι τηλεοράσεις λέιζερ ημιαγωγών χωρίς λυχνίες καθοδικών ακτίνων, οι οποίες χρησιμοποιούν κόκκινο, μπλε και πράσινο λέιζερ, εκτιμάται ότι καταναλώνουν 20 τοις εκατό λιγότερη ενέργεια από τις υπάρχουσες τηλεοράσεις.

2. Εφαρμογές στην έρευνα της ιατρικής και της βιοεπιστήμης
1) Χειρουργική με λέιζερ.Λέιζερ ημιαγωγώνέχουν χρησιμοποιηθεί για αφαίρεση μαλακών ιστών, σύνδεση ιστού, πήξη και εξάτμιση. Η τεχνική αυτή χρησιμοποιείται ευρέως στη γενική χειρουργική, την πλαστική χειρουργική, τη δερματολογία, την ουρολογία, τη μαιευτική και γυναικολογία κ.λπ.
2) Δυναμική θεραπεία με λέιζερ. Οι φωτοευαίσθητες ουσίες που έχουν συγγένεια με τον όγκο συσσωρεύονται επιλεκτικά στον καρκινικό ιστό και ο καρκινικός ιστός ακτινοβολείται με λέιζερ ημιαγωγών για να δημιουργήσει αντιδραστικά είδη οξυγόνου, με στόχο να τον κάνει νεκρωτικό χωρίς να βλάψει τον υγιή ιστό.
3) Έρευνα βιοεπιστημών. Χρησιμοποιώντας το «οπτικό τσιμπιδάκι» τουλέιζερ ημιαγωγών, είναι δυνατή η σύλληψη ζωντανών κυττάρων ή χρωμοσωμάτων και η μετακίνησή τους σε οποιαδήποτε θέση. Έχει χρησιμοποιηθεί για την προώθηση της σύνθεσης κυττάρων και των μελετών κυτταρικής αλληλεπίδρασης και μπορεί επίσης να χρησιμοποιηθεί ως διαγνωστική τεχνολογία για τη συλλογή ιατροδικαστικών στοιχείων.