เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์: ชนิด, อุปกรณ์, หลักการทำงาน, แอปพลิเคชั่น

2024 ผู้เขียน: Angel Austin | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-02 17:57

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นเครื่องกำเนิดควอนตัมที่มีพื้นฐานมาจากสารกึ่งตัวนำแอคทีฟที่สร้างแอมพลิฟายเออร์ทางแสงโดยการกระตุ้นการปล่อยมลพิษระหว่างการเปลี่ยนแปลงระดับพลังงานที่ความเข้มข้นสูงของตัวพาประจุในเขตปลอดอากร

เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์: หลักการทำงาน

ในสภาวะปกติ อิเล็กตรอนส่วนใหญ่จะอยู่ที่ระดับวาเลนซี เมื่อโฟตอนส่งพลังงานเกินพลังงานของเขตความไม่ต่อเนื่อง อิเล็กตรอนของเซมิคอนดักเตอร์จะเข้าสู่สภาวะกระตุ้นและเมื่อเอาชนะเขตต้องห้ามแล้ว ให้ผ่านเข้าไปในเขตปลอดอากรโดยมุ่งไปที่ขอบด้านล่าง ในเวลาเดียวกัน หลุมที่เกิดขึ้นที่ระดับเวเลนซ์จะสูงขึ้นไปถึงขอบบน อิเล็กตรอนในเขตปลอดอากรจะรวมตัวกันเป็นรู แผ่พลังงานออกมาเท่ากับพลังงานของโซนไม่ต่อเนื่องกันในรูปของโฟตอน การรวมตัวใหม่สามารถปรับปรุงได้ด้วยโฟตอนที่มีระดับพลังงานเพียงพอ คำอธิบายตัวเลขสอดคล้องกับฟังก์ชันการแจกแจงของ Fermi

อุปกรณ์

เครื่องเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นเลเซอร์ไดโอดที่สูบด้วยพลังงานของอิเล็กตรอนและรูในโซน p-n-junction - จุดสัมผัสของเซมิคอนดักเตอร์ที่มีค่าการนำไฟฟ้าแบบ p และ n นอกจากนี้ยังมีเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีการจ่ายพลังงานแสง ซึ่งลำแสงถูกสร้างขึ้นโดยการดูดซับโฟตอนของแสง เช่นเดียวกับเลเซอร์คาสเคดควอนตัม ซึ่งการทำงานจะขึ้นอยู่กับการเปลี่ยนภาพภายในแถบความถี่

องค์ประกอบ

การเชื่อมต่อมาตรฐานที่ใช้กับเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์และอุปกรณ์ออปโตอิเล็กทรอนิกส์อื่นๆ มีดังนี้:

• แกลเลียมอาร์เซไนด์;
• แกลเลียมฟอสไฟด์;
• แกลเลียมไนไตรด์;
• อินเดียมฟอสไฟด์;
• อินเดียมแกลเลียมอาร์เซไนด์;
• แกลเลียมอะลูมิเนียม arsenide;
• แกลเลียม-อินเดียม อาร์เซไนด์ ไนไตรด์;
• แกลเลียม-อินเดียมฟอสไฟด์

ความยาวคลื่น

สารเหล่านี้เป็นสารกึ่งตัวนำช่องว่างตรง แสงช่องว่างทางอ้อม (ซิลิกอน) ไม่เปล่งออกมาเมื่อมีความแข็งแรงและประสิทธิภาพเพียงพอ ความยาวคลื่นของการแผ่รังสีเลเซอร์ไดโอดขึ้นอยู่กับระดับของการประมาณพลังงานโฟตอนต่อพลังงานของโซนความไม่ต่อเนื่องของสารประกอบเฉพาะ ในสารประกอบเซมิคอนดักเตอร์ 3 และ 4 ส่วนประกอบ พลังงานโซนไม่ต่อเนื่องสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างต่อเนื่องในช่วงกว้าง สำหรับ AlGaAs=Al_xGa_{1-xA ตัวอย่างเช่น การเพิ่มขึ้นของปริมาณอะลูมิเนียม (เพิ่มขึ้น x) ส่งผลให้การเพิ่มขึ้นใน พลังงานของโซนไม่ต่อเนื่อง}

ในขณะที่เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ทั่วไปทำงานในระยะใกล้อินฟราเรด บางชนิดก็ปล่อยสีแดง (อินเดียมแกลเลียมฟอสไฟด์) สีฟ้าหรือม่วง (แกลเลียมไนไตรด์)รังสีอินฟราเรดกลางผลิตโดยเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ (ลีดซีลีไนด์) และเลเซอร์คาสเคดควอนตัม

เซมิคอนดักเตอร์อินทรีย์

นอกจากสารประกอบอนินทรีย์ที่กล่าวถึงข้างต้นแล้ว ยังสามารถใช้สารอินทรีย์ได้อีกด้วย เทคโนโลยีที่เกี่ยวข้องยังอยู่ระหว่างการพัฒนา แต่การพัฒนาดังกล่าวจะช่วยลดต้นทุนการผลิตเครื่องกำเนิดควอนตัมได้อย่างมาก จนถึงตอนนี้ มีเพียงเลเซอร์ออร์แกนิกที่มีการจ่ายพลังงานแสงเท่านั้นที่ได้รับการพัฒนา และยังไม่สามารถสูบน้ำด้วยไฟฟ้าที่มีประสิทธิภาพสูงได้

พันธุ์

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์จำนวนมากถูกสร้างขึ้น โดยมีพารามิเตอร์ต่างกันและค่าที่ใช้ต่างกัน

เลเซอร์ไดโอดขนาดเล็กผลิตลำแสงรังสีขอบคุณภาพสูง ซึ่งมีกำลังตั้งแต่หลายถึงห้าร้อยมิลลิวัตต์ คริสตัลไดโอดเลเซอร์เป็นแผ่นสี่เหลี่ยมบาง ๆ ที่ทำหน้าที่เป็นท่อนำคลื่น เนื่องจากการแผ่รังสีถูกจำกัดให้อยู่ในพื้นที่ขนาดเล็ก คริสตัลถูกเจือทั้งสองด้านเพื่อสร้างจุดเชื่อมต่อ p-n ของพื้นที่ขนาดใหญ่ ปลายขัดเงาสร้างเรโซเนเตอร์ Fabry-Perot แบบออปติคัล โฟตอนที่ผ่านตัวสะท้อนจะทำให้เกิดการรวมตัวใหม่ การแผ่รังสีจะเพิ่มขึ้น และการสร้างจะเริ่มขึ้น ใช้ในเลเซอร์พอยน์เตอร์ เครื่องเล่นซีดีและดีวีดี และการสื่อสารใยแก้วนำแสง

เลเซอร์เสาหินพลังงานต่ำและเครื่องกำเนิดควอนตัมพร้อมตัวสะท้อนภายนอกเพื่อสร้างพัลส์สั้น ๆ สามารถสร้างการล็อคโหมดได้

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่มีเรโซเนเตอร์ภายนอกประกอบด้วยเลเซอร์ไดโอด ซึ่งทำหน้าที่เป็นสื่อขยายสัญญาณในองค์ประกอบของเรโซเนเตอร์เลเซอร์ที่ใหญ่กว่า พวกมันสามารถเปลี่ยนความยาวคลื่นและมีแถบการปล่อยที่แคบได้

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบฉีดมีบริเวณที่ปล่อยออกมาในรูปแบบของแถบกว้าง สามารถสร้างลำแสงคุณภาพต่ำที่มีกำลังหลายวัตต์ ประกอบด้วยชั้นบาง ๆ ที่ใช้งานอยู่ระหว่างชั้น p และ n ทำให้เกิด heterojunction สองครั้ง ไม่มีกลไกในการรักษาแสงไปในทิศทางด้านข้าง ซึ่งส่งผลให้มีวงรีของลำแสงสูงและกระแสธรณีประตูที่สูงอย่างไม่อาจยอมรับได้

แท่งไดโอดอันทรงพลังซึ่งประกอบด้วยไดโอดบรอดแบนด์หลายตัว สามารถผลิตลำแสงที่มีคุณภาพปานกลางด้วยกำลังสิบวัตต์

อาร์เรย์สองมิติอันทรงพลังของไดโอดสามารถสร้างพลังงานได้หลายแสนวัตต์

เลเซอร์เปล่งพื้นผิว (VCSEL) ปล่อยลำแสงคุณภาพสูงด้วยกำลังหลายมิลลิวัตต์ตั้งฉากกับเพลต กระจกเรโซเนเตอร์ถูกนำไปใช้กับพื้นผิวการแผ่รังสีในรูปแบบของชั้นที่มีความยาวคลื่น ¼ โดยมีดัชนีการหักเหของแสงต่างกัน ชิปตัวเดียวสามารถสร้างเลเซอร์ได้หลายร้อยตัว ซึ่งเปิดโอกาสให้มีการผลิตจำนวนมาก

VECSEL เลเซอร์ที่มีแหล่งจ่ายไฟแบบออปติคัลและเรโซเนเตอร์ภายนอกสามารถสร้างลำแสงที่มีคุณภาพดีด้วยกำลังหลายวัตต์ในการล็อกโหมด

การทำงานของเลเซอร์ควอนตัมเซมิคอนดักเตอร์-ประเภทคาสเคดขึ้นอยู่กับช่วงการเปลี่ยนภาพภายในโซน (ต่างจากอินเตอร์โซน) อุปกรณ์เหล่านี้ปล่อยคลื่นความถี่กลางอินฟราเรด บางครั้งอยู่ในช่วงเทราเฮิร์ตซ์ ใช้สำหรับเครื่องวิเคราะห์ก๊าซ

เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์: การใช้งานและส่วนสำคัญ

เลเซอร์ไดโอดทรงพลังพร้อมปั๊มไฟฟ้าประสิทธิภาพสูงที่แรงดันไฟฟ้าปานกลางใช้เป็นวิธีการจ่ายไฟเลเซอร์โซลิดสเตตประสิทธิภาพสูง

เซมิคอนดักเตอร์เลเซอร์สามารถทำงานในช่วงความถี่กว้าง ซึ่งรวมถึงส่วนที่มองเห็นได้ อินฟราเรดใกล้ และอินฟราเรดกลางของสเปกตรัม มีการสร้างอุปกรณ์ที่ช่วยให้คุณสามารถเปลี่ยนความถี่ของการปล่อยมลพิษได้

เลเซอร์ไดโอดสามารถสลับและมอดูเลตพลังงานแสงได้อย่างรวดเร็ว ซึ่งพบการใช้งานในเครื่องส่งสัญญาณใยแก้วนำแสง

ลักษณะดังกล่าวทำให้เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์เป็นเทคโนโลยีที่สำคัญที่สุดของเครื่องกำเนิดควอนตัม ใช้:

• ในเซ็นเซอร์ telemetry, pyrometers, เครื่องวัดระยะสูงด้วยแสง, rangefinders, สถานที่ท่องเที่ยว, โฮโลแกรม;
• ในระบบใยแก้วนำแสงของการส่งผ่านแสงและการจัดเก็บข้อมูล ระบบการสื่อสารที่สอดคล้องกัน
• ในเครื่องพิมพ์เลเซอร์, โปรเจ็กเตอร์วิดีโอ, พอยน์เตอร์, เครื่องสแกนบาร์โค้ด, เครื่องสแกนภาพ, เครื่องเล่นซีดี (DVD, CD, Blu-Ray);
• ในระบบความปลอดภัย การเข้ารหัสควอนตัม ระบบอัตโนมัติ อินดิเคเตอร์
• ในการวัดแสงและสเปกโตรสโคปี
• ศัลยกรรม ทันตกรรม งาม บำบัด
• สำหรับบำบัดน้ำการแปรรูปวัสดุ, การปั๊มเลเซอร์แบบโซลิดสเตต, การควบคุมปฏิกิริยาเคมี, การคัดแยกทางอุตสาหกรรม, วิศวกรรมอุตสาหการ, ระบบจุดระเบิด, ระบบป้องกันภัยทางอากาศ

ชีพจรออก

เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ส่วนใหญ่สร้างลำแสงต่อเนื่อง เนื่องจากเวลาพำนักสั้นของอิเล็กตรอนที่ระดับการนำไฟฟ้า พวกมันไม่เหมาะสำหรับการสร้างพัลส์ Q-switched แต่โหมดการทำงานกึ่งต่อเนื่องช่วยให้พลังของเครื่องกำเนิดควอนตัมเพิ่มขึ้นอย่างมาก นอกจากนี้ เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ยังสามารถใช้สร้างพัลส์เกินขีดด้วยการล็อกโหมดหรือเปลี่ยนเกน กำลังเฉลี่ยของพัลส์สั้นมักจะจำกัดอยู่ที่สองสามมิลลิวัตต์ ยกเว้นเลเซอร์ VECSEL ที่ปั๊มแบบออปติคัล ซึ่งเอาต์พุตถูกวัดโดยพัลส์พิโควินาทีแบบหลายวัตต์ที่มีความถี่หลายสิบกิกะเฮิรตซ์

การปรับและเสถียรภาพ

ข้อดีของการพักระยะสั้นของอิเล็กตรอนในแถบการนำไฟฟ้าคือความสามารถของเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ในการปรับความถี่สูง ซึ่งสำหรับเลเซอร์ VCSEL จะเกิน 10 GHz พบแอปพลิเคชั่นในการส่งข้อมูลด้วยแสง, สเปกโทรสโกปี, การรักษาเสถียรภาพด้วยเลเซอร์