מהו לייזרים מוליכים למחצה? (חלק Ⅰ)

מאז המצאת הראשוןלייזרים מוליכים למחצהבעולם בשנת 1962, הלייזר המוליך למחצה עבר שינויים גדולים, המקדם מאוד את הפיתוח של מדע וטכנולוגיה אחרים, והוא נחשב לאחת ההמצאות החשובות של המאה ה-20. בעשורים האחרונים, הפיתוח של לייזר מוליכים למחצה מהיר יותר והפך לטכנולוגיית הלייזר המתפתחת ביותר בעולם. היישום של לייזרים מוליכים למחצה מכסה את כל תחום האלקטרוניקה האופטו והפך לטכנולוגיית הליבה של מדע האלקטרוניקה האופטו. בשל היתרונות של גודל קטן, מבנה פשוט, אנרגיית כניסה נמוכה, חיים ארוכים, קלות מווסת ומחיר נמוך, הלייזר המוליך למחצה נמצא בשימוש נרחב בתחום האלקטרוניקה האופטו וזוכה להערכה רבה על ידי מדינות ברחבי העולם.

1. לייזרים מוליכים למחצה

הלייזר המוליך למחצה הוא מעין לייזר ממוזער המורכב מצומת Pn או Pin של חומר מוליכים למחצה מרווח פס ישיר. ישנם עשרות סוגים של חומרים הפועלים בלייזר מוליכים למחצה. כיום, החומרים המוליכים למחצה שיוצרו ללייזרים הם גליום ארסניד, אינדיום ארסניד, אינדיום אנטימוניד, קדמיום גופרתי, קדמיום טלוריד, עופרת סלניד, טלוריד עופרת, אלומיניום גליום ארסן, ארסן אינדיום זרחן וכן הלאה. ישנם שלושה סוגים של מצבי עירור של לייזר מוליכים למחצה, כלומר הזרקה חשמלית, משאבה אופטית ועירור קרן אלקטרונים באנרגיה גבוהה. מצב העירור של רוב הלייזרים המוליכים למחצה הוא הזרקה חשמלית, כלומר, מתח קדימה מופעל על צומת Pn כדי ליצור פליטה מגורה באזור מישור הצומת, כלומר, זוהי דיודה מוטה קדימה. לכן, הלייזר המוליך למחצה נקרא גם דיודת הלייזר המוליך למחצה. עבור מוליכים למחצה, מכיוון שהאלקטרונים עוברים בין פסי אנרגיה ולא בין רמות אנרגיה נפרדות, אנרגיית המעבר אינה ערך מוגדר, מה שהופך את אורך הגל של הלייזר המוליך למחצה להתפשט על פני טווח רחב. הם פולטים אורכי גל הנעים בין 0.3 ל-34 מיקרומטר. טווח אורכי הגל תלוי בפער הרצועה של החומר המשמש. ללייזר ההטרוצומת הכפול AlGaAs הנפוץ יש אורך גל פלט של 750 ~ 890 ננומטר.

טכנולוגיית ייצור לייזרים מוליכים למחצה מנוסה משיטת הדיפוזיה לאפיטקסיית פאזה נוזלית (LPE), אפיטקסיית פאזת גז (VPE), אפיטקסיית קרן מולקולרית (MBE), שיטת MOCVD (השקעת אדי מתכת אורגנית), אפיטקסיית קרן כימית (CBE) והשונות שלהן. שילוב של מגוון תהליכים. החיסרון של הלייזר המוליך למחצה הוא שביצועי הלייזר מושפעים מהטמפרטורה, וזווית הדיברגנציה של הקרן היא גדולה (בדרך כלל בין מספר מעלות ל-20 מעלות), ולכן היא ירודה בכיווניות, בתכונה מונוכרומטית ובקוהרנטיות. אבל עם ההתפתחות המהירה של המדע והטכנולוגיה, המחקר של לייזר dpss מתקדם לכיוון העומק, והביצועים של לייזר מוליכים למחצה משתפרים ללא הרף. טכנולוגיית מוליכים אופטו-אלקטרוניקה עם לייזר מוליכים למחצה כליבה תתקדם יותר ותמלא תפקיד גדול יותר בחברת המידע של המאה ה-21.

2. עקרון עבודה של לייזרים מוליכים למחצה

הלייזר המוליך למחצה הוא מקור קרינה קוהרנטי. יש לעמוד בשלושה תנאים בסיסיים על מנת ליצור לייזר.

① מצב רווח: התפלגות היפוך של נושאי מטען במדיום העירור (אזור פעיל) נקבעת. במוליכים למחצה, האנרגיה של אלקטרונים מיוצגת על ידי סדרה של רמות אנרגיה כמעט רציפות. זה מושג על ידי הפעלת הטיה קדימה על ההומוגנית או ההטרוג'נקציה והזרקת נושאי המטען הדרושים לשכבה הפעילה כדי לעורר אלקטרונים מרצועת הערכיות התחתונה לפס ההולכה הגבוה יותר. פליטה מעוררת מתרחשת כאשר מספר רב של אלקטרונים במצב אוכלוסיית החלקיקים ההפוך מתחברים מחדש עם חורים.

②כדי להשיג למעשה קרינה נרגשת קוהרנטית, יש לבצע את הקרינה הנרגשת במהוד האופטי כדי לקבל משוב רב וליצור תנודת לייזר, המהוד של הלייזר נוצר על ידי משטח המחשוף הטבעי של גביש המוליך למחצה כמראה, בדרך כלל בסופו של הציפוי הקל על הסרט הדיאלקטרי הרב-שכבתי ההיפוך הגבוה, וציפוי המשטח החלק על הסרט ההיפוך המופחת. עבור לייזר מוליכים למחצה של חלל Fp (חלל Fabry-Perot), ניתן לבנות את חלל ה-FP בנוחות על ידי מישור המחשוף הטבעי המאונך למישור צומת pn של הגביש.

③כדי ליצור תנודה יציבה, על מדיום הלייזר להיות מסוגל לספק רווח מספיק כדי לפצות על ההפסד האופטי הנגרם על ידי חלל התהודה ופלט הלייזר מפני השטח של החלל, ולהגדיל כל הזמן את השדה האופטי בחלל. זה דורש הזרקת זרם חזקה מספיק, כלומר, היפוך מספיק של מספר חלקיקים. ככל שמידת היפוך מספר החלקיקים גבוהה יותר, הרווח גדול יותר, כלומר יש לעמוד בתנאי סף נוכחי מסוים. כאשר הלייזר מגיע לסף, אור בעל אורך גל מסוים יכול להדהד בחלל ולהתגבר, ולבסוף ליצור לייזר ולהוציא באופן רציף. ניתן לראות שמעבר הדיפול של אלקטרון וחור הוא התהליך הבסיסי של פליטת אור והגברת אור בלייזרים מוליכים למחצה. עבור הלייזר המוליך למחצה החדש, מקובל בדרך כלל שבאר קוונטית היא הכוח המניע הבסיסי לפיתוח לייזרים. השאלה האם חוטים ונקודות קוונטיים יכולים לנצל את מלוא ההשפעות הקוונטיות התארכה גם למאה זו. מדענים ערכו ניסויים עם מבנים מתארגנים בעצמם כדי ליצור נקודות קוונטיות בחומרים שונים, ונקודות קוונטיות של GaInN שימשו בלייזרים מוליכים למחצה.

העברה לחלקⅡ מבינה את ההיסטוריה והיישום שלה

פרטי התקשרות:

אם יש לך רעיונות, אתה מוזמן לדבר איתנו. לא משנה היכן נמצאים הלקוחות שלנו ומהן הדרישות שלנו, אנו נפעל לפי המטרה שלנו לספק ללקוחותינו איכות גבוהה, מחירים נמוכים, והשירות הטוב ביותר.