Halbleiterlaser sind Quantengeneratoren, die auf einem halbleiteraktiven Medium basieren, in dem eine optische Verstärkung durch stimulierte Emission während eines Quantenübergangs zwischen Energieniveaus bei einer hohen Konzentration von Ladungsträgern in der freien Zone erzeugt wird.
Halbleiterlaser: Funktionsprinzip
Im Normalzustand befinden sich die meisten Elektronen auf der Valenzstufe. Wenn Photonen Energie liefern, die die Energie der Diskontinuitätszone übersteigt, geraten die Elektronen des Halbleiters in einen Anregungszustand und gelangen nach Überwindung der verbotenen Zone in die freie Zone und konzentrieren sich an deren unterem Rand. Gleichzeitig steigen die auf der Valenzebene gebildeten Löcher bis zu ihrer oberen Grenze an. Elektronen in der freien Zone rekombinieren mit Löchern und strahlen eine Energie ab, die gleich der Energie der Diskontinuitätszone in Form von Photonen ist. Die Rekombination kann durch Photonen mit ausreichenden Energieniveaus verstärkt werden. Die numerische Beschreibung entspricht der Fermi-Verteilungsfunktion.
Gerät
Halbleiterlaserist eine Laserdiode, die mit der Energie von Elektronen und Löchern in der p-n-Übergangszone gepumpt wird - dem Kontaktpunkt von Halbleitern mit p- und n-Leitfähigkeit. Daneben gibt es Halbleiterlaser mit optischer Energiezufuhr, bei denen die Strahlformung durch Absorption von Lichtphotonen erfolgt, sowie Quantenkaskadenlaser, deren Funktionsweise auf Übergängen innerhalb von Bändern basiert.
Zusammensetzung
Standardverbindungen, die sowohl in Halbleiterlasern als auch in anderen optoelektronischen Geräten verwendet werden, lauten wie folgt:
- Galliumarsenid;
- Galliumphosphid;
- Galliumnitrid;
- Indiumphosphid;
- Indium-Galliumarsenid;
- Galliumaluminiumarsenid;
- Gallium-Indiumarsenid-Nitrid;
- Gallium-Indium-Phosphid.
Wellenlänge
Diese Verbindungen sind Halbleiter mit direkter Lücke. Licht aus indirektem Sp alt (Silizium) wird nicht mit ausreichender Stärke und Effizienz emittiert. Die Wellenlänge der Diodenlaserstrahlung hängt vom Grad der Annäherung der Photonenenergie an die Energie der Unstetigkeitszone einer bestimmten Verbindung ab. Bei 3- und 4-Komponenten-Halbleiterverbindungen kann die Unstetigkeitszonenenergie über einen weiten Bereich kontinuierlich variieren. Für AlGaAs=AlxGa1-xAs führt beispielsweise eine Erhöhung des Aluminiumgeh alts (eine Erhöhung von x) zu einer Erhöhung der Energie der Unstetigkeitszone.
Während die gängigsten Halbleiterlaser im nahen Infrarot arbeiten, emittieren einige rote (Indium-Gallium-Phosphid), blaue oder violette (Gallium-Nitrid) Farben. Mittelinfrarotstrahlung wird von Halbleiterlasern (Bleiselenid) und Quantenkaskadenlasern erzeugt.
Organische Halbleiter
Neben den oben genannten anorganischen Verbindungen können auch organische verwendet werden. Die entsprechende Technologie befindet sich noch in der Entwicklung, ihre Entwicklung verspricht aber, die Produktionskosten von Quantengeneratoren deutlich zu senken. Bisher wurden nur organische Laser mit optischer Energiezufuhr entwickelt, ein hocheffizientes elektrisches Pumpen wurde noch nicht erreicht.
Sorten
Es wurden viele Halbleiterlaser entwickelt, die sich in Parametern und angewandtem Wert unterscheiden.
Kleine Laserdioden erzeugen eine hochqualitative Randstrahlung, deren Leistung zwischen einigen und fünfhundert Milliwatt liegt. Der Laserdiodenkristall ist eine dünne rechteckige Platte, die als Wellenleiter dient, da die Strahlung auf einen kleinen Raum beschränkt ist. Der Kristall ist auf beiden Seiten dotiert, um einen großflächigen p-n-Übergang zu erzeugen. Die polierten Enden erzeugen einen optischen Fabry-Perot-Resonator. Ein Photon, das den Resonator passiert, verursacht eine Rekombination, die Strahlung nimmt zu und die Erzeugung beginnt. Verwendet in Laserpointern, CD- und DVD-Playern und Glasfaserkommunikation.
Monolithische Laser mit geringer Leistung und Quantengeneratoren mit einem externen Resonator zur Bildung kurzer Impulse können eine Modenkopplung erzeugen.
LaserHalbleiter mit externem Resonator bestehen aus einer Laserdiode, die die Rolle eines verstärkenden Mediums im Aufbau eines größeren Laserresonators spielt. Sie können Wellenlängen ändern und haben eine schmale Emissionsbande.
Injektionshalbleiterlaser haben einen Emissionsbereich in Form eines breiten Bandes und können einen Strahl mit einer Leistung von mehreren Watt von geringer Qualität erzeugen. Sie bestehen aus einer dünnen aktiven Schicht, die sich zwischen der p- und n-Schicht befindet und einen doppelten Heteroübergang bildet. Es gibt keinen Mechanismus, um das Licht in seitlicher Richtung zu h alten, was zu einer hohen Elliptizität des Strahls und unannehmbar hohen Schwellenströmen führt.
Leistungsstarke Diodenbarren, bestehend aus einer Anordnung von Breitbanddioden, können mit einer Leistung von mehreren zehn Watt einen Strahl von mittelmäßiger Qualität erzeugen.
Leistungsstarke zweidimensionale Anordnungen von Dioden können eine Leistung von Hunderten und Tausenden von Watt erzeugen.
Surface Emitting Lasers (VCSELs) senden einen hochwertigen Lichtstrahl mit einer Leistung von mehreren Milliwatt senkrecht zur Platte aus. Auf der Abstrahlfläche sind Resonatorspiegel in Form von ¼-Wellenlängenschichten mit unterschiedlichen Brechungsindizes aufgebracht. Mehrere hundert Laser können auf einem einzigen Chip hergestellt werden, was die Möglichkeit der Massenproduktion eröffnet.
VECSEL-Laser mit optischer Stromversorgung und externem Resonator sind in der Lage, mit einer Leistung von mehreren Watt im Mode-Locking einen Strahl guter Qualität zu erzeugen.
Der Betrieb eines Halbleiterlasers Quanten-Der Kaskadentyp basiert auf Übergängen innerhalb der Zonen (im Gegensatz zu Zwischenzonen). Diese Geräte emittieren im mittleren Infrarotbereich, manchmal im Terahertz-Bereich. Sie werden beispielsweise als Gasanalysatoren eingesetzt.
Halbleiterlaser: Anwendung und Hauptaspekte
Leistungsstarke Diodenlaser mit hocheffizientem elektrischem Pumpen bei moderaten Spannungen werden als Mittel zur Stromversorgung von hocheffizienten Festkörperlasern verwendet.
Halbleiterlaser können über einen breiten Frequenzbereich betrieben werden, der den sichtbaren, nahen und mittleren Infrarotbereich des Spektrums umfasst. Es wurden Geräte entwickelt, mit denen Sie auch die Frequenz der Emission ändern können.
Laserdioden können optische Leistung schnell sch alten und modulieren, was in Glasfasersendern Anwendung findet.
Solche Eigenschaften haben Halbleiterlaser technologisch zur wichtigsten Art von Quantengeneratoren gemacht. Sie gelten:
- in Telemetriesensoren, Pyrometern, optischen Höhenmessern, Entfernungsmessern, Visieren, Holographie;
- in faseroptischen Systemen zur optischen Übertragung und Datenspeicherung, kohärente Kommunikationssysteme;
- in Laserdruckern, Videoprojektoren, Zeigegeräten, Barcodescannern, Bildscannern, CD-Playern (DVD, CD, Blu-Ray);
- in Sicherheitssystemen, Quantenkryptographie, Automatisierung, Indikatoren;
- in optischer Messtechnik und Spektroskopie;
- in Chirurgie, Zahnmedizin, Kosmetik, Therapie;
- zur Wasseraufbereitung,Materialbearbeitung, Festkörperlaserpumpen, Kontrolle chemischer Reaktionen, industrielle Sortierung, Betriebstechnik, Zündsysteme, Luftverteidigungssysteme.
Impulsausgang
Die meisten Halbleiterlaser erzeugen einen kontinuierlichen Strahl. Aufgrund der kurzen Verweildauer von Elektronen auf der Leitungsebene eignen sie sich nicht sehr gut zur Erzeugung von gütegesch alteten Pulsen, die quasi-kontinuierliche Betriebsweise erlaubt aber eine deutliche Leistungssteigerung des Quantengenerators. Darüber hinaus können Halbleiterlaser verwendet werden, um ultrakurze Pulse mit Modenkopplung oder Verstärkungsumsch altung zu erzeugen. Die durchschnittliche Leistung kurzer Pulse ist normalerweise auf wenige Milliwatt begrenzt, mit Ausnahme von optisch gepumpten VECSEL-Lasern, deren Leistung durch Pikosekundenpulse mit mehreren Watt und einer Frequenz von mehreren zehn Gigahertz gemessen wird.
Modulation und Stabilisierung
Der Vorteil des kurzen Aufenth alts eines Elektrons im Leitungsband ist die Fähigkeit von Halbleiterlasern zur Hochfrequenzmodulation, die bei VCSEL-Lasern 10 GHz übersteigt. Es hat Anwendung in der optischen Datenübertragung, Spektroskopie und Laserstabilisierung gefunden.
