Laserdiode - Laser diode

Laserdiode
Diode laser.jpg
En pakket laserdiode vist med en krone for skala
Type halvleder , lysemitterende diode
Arbeidsprinsipp halvleder , transportørgenerering og rekombinasjon
Oppfunnet Robert N. Hall , 1962; Nick Holonyak, Jr. , 1962
Pin -konfigurasjon Anode og katode
En pakket laserdiode vist med en krone for skala
Laserdiodebrikken fjernet og plassert på nåløyet for skala
En laserdiode med saken skåret bort. Laserdiodebrikken er den lille svarte brikken foran; en fotodiode på baksiden brukes til å kontrollere utgangseffekten.
SEM -bilde ( skanningelektronmikroskop ) av en kommersiell laserdiode med etuiet og vinduet skåret bort. Anodeforbindelsen til høyre har ved et uhell blitt brutt av sakskuttprosessen.

En laserdiode ( LD , også injeksjonslaserdiode eller ILD , eller diodelaser ) er en halvlederanordning som ligner en lysemitterende diode der en diode pumpet direkte med elektrisk strøm kan skape laseforhold ved diodeforbindelsen .

Drevet av spenning tillater den dopede pn-overgangen rekombinasjon av et elektron med et hull . På grunn av elektronens fall fra et høyere energinivå til et lavere, genereres stråling i form av et utsendt foton. Dette er spontan utslipp. Stimulert utslipp kan produseres når prosessen fortsettes og videre genererer lys med samme fase, koherens og bølgelengde.

Valget av halvledermaterialet bestemmer bølgelengden til den utsendte strålen, som i dagens laserdioder spenner fra infrarød til UV-spektrum. Laserdioder er den vanligste typen av lasere som produseres, med et bredt spekter av bruksområder som omfatter fiberoptiske kommunikasjoner , strekkodelesere , laserpekere , CD / DVD / Blu-ray plate lesing / opptak, laser trykking , laserskanning og lysstråle belysning . Ved bruk av en fosfor som den som finnes på hvite lysdioder , kan laserdioder brukes til generell belysning.

Teori

Halvlederlasere (660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm, 405 nm)

En laserdiode er elektrisk en PIN -diode . Den aktive regionen til laserdioden er i den indre (I) regionen, og bærerne (elektroner og hull) pumpes inn i den regionen fra henholdsvis N og P -områdene. Mens den første diodelaserforskningen ble utført på enkle PN-dioder, bruker alle moderne lasere implementeringen av dobbel-hetero-struktur, der bærerne og fotonene er begrenset for å maksimere sjansene for rekombinasjon og lysgenerering. I motsetning til en vanlig diode, er målet for en laserdiode å rekombinere alle bærere i I -regionen, og produsere lys. Dermed er laserdioder produsert ved hjelp av direkte båndgap halvledere. Laserdiodens epitaksiale struktur vokser ved hjelp av en av krystallvekstteknikkene , vanligvis med utgangspunkt i et N -dopet substrat, og voksende det I -dopede aktive laget, etterfulgt av P -dopet kledning og et kontaktlag. Det aktive laget består oftest av kvantebrønner , som gir lavere terskelstrøm og høyere effektivitet.

Elektrisk og optisk pumping

Laserdioder danner en undergruppe av den større klassifisering av halvleder- p - n menføringsdioder. Fremover elektrisk forspenning over laserdioden får de to ladingsbærerne - hull og elektroner - til å bli "injisert" fra motsatte sider av p - n -krysset inn i tømmingsområdet. Hull injiseres fra p -dopet, og elektroner fra den n -dopede halvlederen. (En tømmingsregion , uten ladningsbærere, dannes som et resultat av forskjellen i elektrisk potensial mellom n - og p -type halvledere uansett hvor de er i fysisk kontakt.) På grunn av bruk av ladningsinjeksjon for å drive de fleste diodelasere, denne klassen lasere kalles noen ganger "injeksjonslasere" eller "injeksjonslaserdiode" (ILD). Siden diodelasere er halvledere, kan de også klassifiseres som halvlederlasere. Begge betegnelsene skiller diodelasere fra solid-state lasere .

En annen metode for å drive noen diodelasere er bruk av optisk pumping . Optisk pumpede halvlederlasere (OPSL) bruker en III-V halvlederbrikke som forsterkningsmedium, og en annen laser (ofte en annen diodelaser) som pumpekilde. OPSL tilbyr flere fordeler i forhold til ILD -er, spesielt når det gjelder valg av bølgelengde og mangel på interferens fra interne elektrodestrukturer. En annen fordel med OPSL -er er variasjon av stråleparametrene - divergens, form og peking - ettersom pumpekraft (og dermed utgangseffekt) er variert, selv over et 10: 1 utgangseffektforhold.

Generering av spontan utslipp

Når et elektron og et hull er tilstede i samme region, kan de rekombinere eller "utslette" og produsere et spontant utslipp -det vil si at elektronet kan gjenoppta energitilstanden til hullet og avgi et foton med energi lik differansen mellom elektronens opprinnelige tilstand og hullets tilstand. (I en konvensjonell halvlederforbindelsesdiode blir energien som frigjøres fra rekombinasjon av elektroner og hull, ført bort som fononer , dvs. gittervibrasjoner, i stedet for som fotoner.) Spontan emisjon under laserterskelen produserer lignende egenskaper som en LED . Spontan utslipp er nødvendig for å starte lasersvingning, men det er en av flere kilder til ineffektivitet når laseren er oscillerende.

Direkte og indirekte bandgap -halvledere

Forskjellen mellom den fotonemitterende halvlederlaseren og en konvensjonell fononemitterende (ikke lysemitterende) halvlederforbindelsesdiode ligger i typen halvleder som brukes, en hvis fysiske og atomiske struktur gir mulighet for fotonemisjon. Disse fotonemitterende halvledere er de såkalte "direkte båndgap" halvledere. Egenskapene til silisium og germanium, som er enkeltelementhalvledere, har båndgap som ikke stemmer overens på den måten som er nødvendig for å tillate fotonemisjon og ikke regnes som "direkte". Andre materialer, de såkalte sammensatte halvledere, har praktisk talt identiske krystallinske strukturer som silisium eller germanium, men bruker vekslende arrangementer av to forskjellige atomarter i et sjakkbrettlignende mønster for å bryte symmetrien. Overgangen mellom materialene i det vekslende mønsteret skaper den kritiske " direkte båndgap " -egenskapen. Galliumarsenid , indiumfosfid , galliumantimonid og galliumnitrid er alle eksempler på sammensatte halvledermaterialer som kan brukes til å lage koblingsdioder som avgir lys.

Diagram over en enkel laserdiode, som vist ovenfor; ikke skalert
En enkel og lav effekt metall lukket laserdiode

Generering av stimulert utslipp

I fravær av stimulerte utslippsforhold (f.eks. Lasing) kan elektroner og hull sameksistere i nærheten av hverandre, uten å rekombinere, for en bestemt tid, kalt "øvre tilstandstid" eller "rekombinasjonstid" (omtrent et nanosekund for typiske diodelasermaterialer), før de rekombinere. En foton i nærheten med energi lik rekombinasjonsenergien kan forårsake rekombinasjon ved stimulert utslipp . Dette genererer en annen foton med samme frekvens, polarisering og fase , som beveger seg i samme retning som den første foton. Dette betyr at stimulert utslipp vil forårsake forsterkning i en optisk bølge (med riktig bølgelengde) i injeksjonsområdet, og forsterkningen øker etter hvert som antallet elektroner og hull som injiseres over krysset øker. De spontane og stimulerte utslippsprosessene er langt mer effektive i direkte båndgap halvledere enn i indirekte båndgap halvledere; derfor er ikke silisium et vanlig materiale for laserdioder.

Optiske hulrom og lasermoduser

Som med andre lasere er forsterkningsområdet omgitt av et optisk hulrom for å danne en laser. I den enkleste formen for laserdiode lages en optisk bølgeleder på krystallens overflate, slik at lyset er begrenset til en relativt smal linje. De to endene av krystallen er spaltet for å danne perfekt glatte, parallelle kanter, og danner en Fabry – Pérot -resonator . Fotoner som sendes ut i en modus for bølgelederen vil bevege seg langs bølgelederen og reflekteres flere ganger fra hver endeflate før de går ut. Når en lysbølge passerer gjennom hulrommet, forsterkes den ved stimulert utslipp , men lys går også tapt på grunn av absorpsjon og ved ufullstendig refleksjon fra endefasettene. Til slutt, hvis det er mer forsterkning enn tap, begynner dioden å " lase ".

Noen viktige egenskaper til laserdioder bestemmes av geometrien til det optiske hulrommet. Generelt er lyset inneholdt i et veldig tynt lag, og strukturen støtter bare en enkelt optisk modus i retningen vinkelrett på lagene. I tverrretningen, hvis bølgelederen er bred i forhold til lysets bølgelengde, kan bølgelederen støtte flere tverrgående optiske moduser , og laseren er kjent som "multimodus". Disse tverrgående flermoduslaserne er tilstrekkelige i tilfeller der man trenger en veldig stor mengde strøm, men ikke en liten diffraksjonsbegrenset TEM00-stråle; for eksempel ved utskrift, aktivering av kjemikalier, mikroskopi eller pumping av andre typer lasere.

I applikasjoner der en liten fokusert stråle er nødvendig, må bølgelederen gjøres smal, i størrelsesorden for den optiske bølgelengden. På denne måten støttes bare en enkelt tverrgående modus, og en ender opp med en diffraksjonsbegrenset stråle. Slike enkeltromsmodeller brukes til optisk lagring, laserpekere og fiberoptikk. Vær oppmerksom på at disse laserne fremdeles kan støtte flere langsgående moduser, og dermed kan lase på flere bølgelengder samtidig. Bølgelengden som sendes ut er en funksjon av båndgapet til halvledermaterialet og modusene for det optiske hulrommet. Generelt vil den maksimale forsterkningen forekomme for fotoner med energi litt over båndgap-energien, og modusene nærmest toppen av forsterkningskurven vil løpe sterkest. Forsterkningskurvens bredde vil bestemme antall ekstra "sidemoduser" som også kan lase, avhengig av driftsforholdene. Enkelte romlige moduslasere som kan støtte flere langsgående moduser kalles Fabry Perot (FP) lasere. En FP -laser vil lase i flere hulromsmoduser innenfor forsterkningsbåndbredden til lasermediet. Antall lasemoduser i en FP -laser er vanligvis ustabil, og kan svinge på grunn av endringer i strøm eller temperatur.

Enkel romlig modus diodelasere kan utformes slik at de fungerer på en enkelt langsgående modus. Disse enkeltfrekvente diodelaserne viser en høy grad av stabilitet og brukes i spektroskopi og metrologi, og som frekvensreferanser. Enfrekvente diodelasere er klassifisert som enten distribuerte tilbakemeldingslasere (DFB) eller distribuerte Bragg reflektor (DBR) lasere.

Dannelse av laserstråle

På grunn av diffraksjon divergerer (ekspanderer) strålen raskt etter at den har forlatt brikken, vanligvis ved 30 grader vertikalt med 10 grader lateralt. Et objektiv må brukes for å danne en kollimert stråle som den som produseres av en laserpeker. Hvis en sirkulær stråle er nødvendig, brukes sylindriske linser og annen optikk. For lasere med enkelt romlig modus, ved bruk av symmetriske linser, ender den kollimerte strålen med elliptisk form på grunn av forskjellen i vertikale og laterale avvik. Dette er lett å observere med en rød laserpeker .

Den enkle dioden beskrevet ovenfor har blitt kraftig modifisert de siste årene for å imøtekomme moderne teknologi, noe som resulterer i en rekke typer laserdioder, som beskrevet nedenfor.

Historie

Nick Holonyak

Allerede i 1953 beskrev John von Neumann begrepet halvlederlaser i et upublisert manuskript. I 1957 innleverte den japanske ingeniøren Jun-ichi Nishizawa patent på den første halvlederlaseren . Det var en fremgang av hans tidligere oppfinnelser, PIN-dioden i 1950 og solid-state- maser i 1955.

Etter teoretiske behandlinger av MG Bernard, G. Duraffourg og William P. Dumke i de tidlige 1960-årene koherent lysemisjon fra en gallium arsenid (GaAs) halvlederdiode (en laserdiode) ble demonstrert i 1962 av to amerikanske grupper ledet av Robert N. Hall ved General Electric forskningssenter og av Marshall Nathan ved IBM TJ Watson Research Center. Det har pågått debatt om IBM eller GE oppfant den første laserdioden som i stor grad var basert på teoretisk arbeid av William P. Dumke ved IBMs Kitchawan Lab (for tiden kjent som Thomas J. Watson Research Center) i Yorktown Heights, NY. Prioriteten gis til General Electric -gruppen som har innhentet og levert resultatene sine tidligere; de gikk også videre og laget et resonanshulrom for dioden sin. Det ble opprinnelig spekulert av MITs Ben Lax blant andre ledende fysikere om at silisium eller germanium kunne brukes til å skape en lasereffekt, men teoretiske analyser overbeviste William P. Dumke om at disse materialene ikke ville fungere. I stedet foreslo han Gallium Arsenide som en god kandidat. Den første synlige bølgelengden GaAs laserdiode ble demonstrert av Nick Holonyak, Jr. senere i 1962.

Andre team ved MIT Lincoln Laboratory , Texas Instruments og RCA Laboratories var også involvert i og mottok æren for sine historiske første demonstrasjoner av effektiv lysutstråling og lasing i halvlederdioder i 1962 og deretter. GaAs -lasere ble også produsert tidlig i 1963 i Sovjetunionen av teamet ledet av Nikolay Basov .

På begynnelsen av 1960 -tallet ble flytende fase epitaxy (LPE) oppfunnet av Herbert Nelson fra RCA Laboratories. Ved å legge krystaller av høyeste kvalitet i forskjellige sammensetninger, muliggjorde det demonstrasjon av heterojunction halvlederlasermaterialer av høyeste kvalitet i mange år. LPE ble adoptert av alle de ledende laboratoriene over hele verden og brukt i mange år. Det ble til slutt erstattet på 1970 -tallet av molekylær stråleepitaksi og organisk metallisk kjemisk dampavsetning .

Diodelasere av den tiden drives med terskelstrømtettheter på 1000 A / m 2 ved 77 K temperaturer. Slik ytelse gjorde det mulig å demonstrere kontinuerlig lasing i de tidligste dagene. Imidlertid, ved drift ved romtemperatur, omtrent 300 K, var terskelstrømdensitetene to størrelsesordener større, eller 100 000 A/cm 2 i de beste enhetene. Den dominerende utfordringen for resten av 1960-årene var å oppnå lav terskelstrømtetthet ved 300 K og derved demonstrere kontinuerlig bølgelasering ved romtemperatur fra en diodelaser.

De første diodelaserne var homojunction diodes. Det vil si at materialet (og dermed båndgapet) til bølgelederkjernelaget og det i de omliggende kledde lagene var identisk. Det ble anerkjent at det var en mulighet, særlig ved bruk av flytende fase epitaksi ved bruk av aluminiumgalliumarsenid, for å introdusere heterojunksjoner. Heterostrukturer består av lag med halvlederkrystall med varierende båndgap og brytningsindeks. Heterojunctions (dannet av heterostrukturer) hadde blitt anerkjent av Herbert Kroemer , mens han jobbet på RCA Laboratories på midten av 1950-tallet, som å ha unike fordeler for flere typer elektroniske og optoelektroniske enheter, inkludert diodelasere. LPE ga teknologien til å lage heterojunction diode lasere. I 1963 foreslo han den doble heterostruktureringslaseren .

De første heterojunction diode lasere var single-heterojunction lasere. Disse laserne benyttet aluminium gallium arsenid p -type injeksjonsmidler som ligger over n -type gallium arsenid lag dyrket på substratet av LPE. En blanding av aluminium erstattet gallium i halvlederkrystallet og hevet båndgapet til p -type injektoren over det for n -type lagene under. Det funket; 300 K terskelstrømmene gikk ned med 10 × til 10 000 ampere per kvadratcentimeter. Dessverre var dette fremdeles ikke i det nødvendige området, og disse enkelt-heterostrukturdiodelaserne fungerte ikke ved kontinuerlig bølgedrift ved romtemperatur.

Innovasjonen som møtte romtemperaturutfordringen var den doble heterostruktureringslaseren. Trikset var å raskt flytte skiven i LPE -apparatet mellom forskjellige "smelter" av aluminiumgalliumarsenid ( p - og n -type) og en tredje smelte av galliumarsenid. Det måtte gjøres raskt siden kjerneområdet for galliumarsenid måtte være vesentlig under 1 um i tykkelse. Den første laserdioden for å oppnå kontinuerlig bølgedrift var en dobbel heterostruktur demonstrert i 1970 i hovedsak samtidig av Zhores Alferov og samarbeidspartnere (inkludert Dmitri Z. Garbuzov ) fra Sovjetunionen , og Morton Panish og Izuo Hayashi som jobbet i USA. Imidlertid er det allment akseptert at Zhores I. Alferov og team nådde milepælen først.

For deres prestasjon og for sine medarbeidere delte Alferov og Kroemer Nobelprisen i fysikk i 2000.

Typer

Den enkle laserdiodestrukturen, beskrevet ovenfor, er ineffektiv. Slike enheter krever så mye strøm at de bare kan oppnå pulserende drift uten skade. Selv om det er historisk viktig og lett å forklare, er slike enheter ikke praktiske.

Dobbel heterostrukturlasere

Diagram forfra sett av en dobbel heterostruktur laserdiode; ikke skalert

I disse enhetene er et lag med lavt båndgapemateriale klemt mellom to lag med høyt båndgap. Et vanlig par materialer er galliumarsenid (GaAs) med aluminiumgalliumarsenid (Al x Ga (1-x) As). Hvert av kryssene mellom forskjellige båndgapmaterialer kalles en heterostruktur , derav navnet "dobbel heterostrukturlaser" eller DH -laser. Den type laserdiode som er beskrevet i den første delen av artikkelen, kan refereres til som en homojunction laser, i kontrast til disse mer populære enhetene.

Fordelen med en DH -laser er at området der frie elektroner og hull eksisterer samtidig - det aktive området - er begrenset til det tynne mellomlaget. Dette betyr at mange flere av elektronhullsparene kan bidra til forsterkning-ikke så mange blir utelatt i den dårlig forsterkende periferien. I tillegg reflekteres lys i heterojunksjonen; derfor er lyset begrenset til området der forsterkningen finner sted.

Kvantbrønnlasere

Diagram forfra sett av en enkel laserdiode for kvantebrønner; ikke skalert

Hvis mellomlaget er gjort tynt nok, fungerer det som en kvantebrønn . Dette betyr at den vertikale variasjonen av elektronens bølgefunksjon , og dermed en komponent av energien, kvantiseres. Effektiviteten til en kvantebrønnlaser er større enn en bulklaser fordi tettheten av tilstanders funksjon av elektroner i kvantebrønnsystemet har en brå kant som konsentrerer elektroner i energitilstander som bidrar til laservirkning.

Lasere som inneholder mer enn ett kvantebrønnlag er kjent som flere kvantebrønnlasere . Multippelkvantebrønnelementene brønner øke overlappingen av forsterkningen regionen med den optiske bølgeleder -modus .

Ytterligere forbedringer i lasereffektiviteten er også påvist ved å redusere kvantebrønnlaget til en kvantetråd eller til et "hav" med kvantepunkter .

Quantum cascade lasere

I en kvantekaskadelaser brukes forskjellen mellom kvantebrønnenerginivåer for laserovergangen i stedet for båndgapet. Dette muliggjør laservirkning ved relativt lange bølgelengder , som enkelt kan justeres ved å endre tykkelsen på laget. De er heterojunction lasere.

Interband kaskade lasere

En Interband cascade laser (ICL) er en type laserdiode som kan produsere koherent stråling over en stor del av det midt-infrarøde området i det elektromagnetiske spekteret.

Separate innesperring heterostruktureringslasere

Diagram forfra sett av en separat innesperring heterostruktur kvantbrønn laserdiode; ikke skalert

Problemet med den enkle kvantebrønndioden beskrevet ovenfor er at det tynne laget ganske enkelt er for lite til effektivt å begrense lyset. For å kompensere blir ytterligere to lag lagt til, utenfor de tre første. Disse lagene har en lavere brytningsindeks enn senterlagene, og begrenser derfor lyset effektivt. Et slikt design kalles en egen laserdiode for innesperret heterostruktur (SCH).

Nesten alle kommersielle laserdioder siden 1990 -tallet har vært SCH -kvantebrønndioder.

Distribuerte Bragg reflektorlasere

En distribuert Bragg reflektorlaser (DBR) er en type enkeltfrekvent laserdiode. Det er preget av et optisk hulrom som består av et elektrisk eller optisk pumpet forsterkningsområde mellom to speil for å gi tilbakemelding. Ett av speilene er en bredbåndsreflektor og det andre speilet er bølgelengdeselektiv, slik at forsterkning foretrekkes på en enkelt langsgående modus, noe som resulterer i lasing ved en enkelt resonansfrekvens. Bredbåndsspeilet er vanligvis belagt med et belegg med lav reflektivitet for å tillate utslipp. Det bølgelengde selektive speilet er et periodisk strukturert diffraksjonsgitter med høy reflektivitet. Diffraksjonsgitteret er i et ikke-pumpet eller passivt område av hulrommet. En DBR -laser er en monolitisk enkeltbrikke med risten etset inn i halvlederen. DBR -lasere kan være kantemitterende lasere eller VCSEL -er . Alternative hybridarkitekturer som deler den samme topologien inkluderer utvidede hulromdiodelasere og volum -Bragg -gitterlasere, men disse kalles ikke riktig DBR -lasere.

Distribuerte tilbakemeldingslasere

En distribuert tilbakemeldingslaser (DFB) er en type enkeltfrekvent laserdiode. DFB er den vanligste sendertypen i DWDM -systemer. For å stabilisere lasebølgelengden, etses et diffraksjonsgitter nær pn -krysset til dioden. Dette gitteret fungerer som et optisk filter, og forårsaker at en enkelt bølgelengde mates tilbake til forsterkningsområdet og lase. Siden gitteret gir den tilbakemeldingen som er nødvendig for lasingen, er refleksjon fra fasettene ikke nødvendig. Således er minst én fasett av en DFB belagt med antirefleksjon . DFB -laseren har en stabil bølgelengde som settes under produksjonen etter ristens tonehøyde, og kan bare justeres litt med temperaturen. DFB -lasere er mye brukt i optiske kommunikasjonsapplikasjoner der en presis og stabil bølgelengde er kritisk.

Terskelstrømmen til denne DFB -laseren, basert på dens statiske karakteristikk, er rundt 11 mA. Den riktige forspenningsstrømmen i et lineært regime kan tas midt i den statiske karakteristikken (50 mA). Flere teknikker har blitt foreslått for å forbedre enkeltmodusoperasjonen i denne typen lasere ved å sette inn en onephase-shift (1PS ) eller flerfaseskift (MPS) i det uniforme Bragg-gitteret. Imidlertid representerer flerfaseskift-DFB-lasere den optimale løsningen fordi de har kombinasjonen av høyere sidemodus-undertrykkelsesforhold og redusert romlig hullforbrenning.

Overflateemitterende laser i loddrett hulrom

Diagram over en enkel VCSEL -struktur; ikke skalert

Overflateemitterende lasere med vertikal kavitet (VCSEL) har den optiske hulromsaksen langs strømningsretningen i stedet for vinkelrett på strømmen som i konvensjonelle laserdioder. Den aktive områdelengden er veldig kort sammenlignet med sidedimensjonene slik at strålingen kommer ut fra overflaten av hulrommet i stedet for fra kanten som vist på figuren. Reflektorene i endene av hulrommet er dielektriske speil laget av vekslende høy og lav brytningsindeks kvartbølget tykt flerlag.

Slike dielektriske speil gir en høy grad av bølgelengdeselektiv refleksjon ved den nødvendige frie bølgelengden λ hvis tykkelsene til alternerende lag d 1 og d 2 med brytningsindekser n 1 og n 2 er slik at n 1 d 1 + n 2 d 2 = λ/2 som deretter fører til konstruktiv interferens for alle delvis reflekterte bølger ved grensesnittene. Men det er en ulempe: på grunn av de høye speilreflektivitetene har VCSEL-er lavere utgangseffekter sammenlignet med kantemitterende lasere.

Det er flere fordeler med å produsere VCSEL-er sammenlignet med produksjonsprosessen for kantemitterende lasere. Kantemittere kan ikke testes før slutten av produksjonsprosessen. Hvis kantemitteren ikke fungerer, enten på grunn av dårlige kontakter eller dårlig materialvekstkvalitet, har produksjonstiden og bearbeidingsmaterialene blitt bortkastet.

Fordi VCSELs avgir strålen vinkelrett på laserens aktive område i motsetning til parallell som med en kantemitter, kan titusenvis av VCSEL-er behandles samtidig på en tre-tommers galliumarsenidplate. Selv om VCSEL-produksjonsprosessen er mer arbeids- og materialkrevende, kan utbyttet styres til et mer forutsigbart resultat. Imidlertid viser de normalt et lavere effektnivå.

Vertikal-ekstern-hulrom overflateemitterende laser

Vertikale overflateemitterende ytre hulrom eller VECSEL- er ligner på VCSEL-er. I VCSEL vokser speilene typisk epitaksialt som en del av diodestrukturen, eller vokser separat og bindes direkte til halvlederen som inneholder det aktive området. VECSEL kjennetegnes ved en konstruksjon der det ene av de to speilene er utenfor diodestrukturen. Som et resultat inkluderer hulrommet et område med ledig plass. En typisk avstand fra dioden til det ytre speilet ville være 1 cm.

En av de mest interessante egenskapene til enhver VECSEL er den lille tykkelsen på halvlederforsterkningsområdet i forplantningsretningen, mindre enn 100 nm. I kontrast medfører en konvensjonell halvlederlaser i planet lysutbredelse over avstander fra 250 um oppover til 2 mm eller lengre. Betydningen av den korte formeringsavstanden er at den får effekten av "antiguiding" ikke -lineariteter i diodelaserforsterkningsområdet til å bli minimert. Resultatet er en enkelt-modus optisk stråle med stort tverrsnitt som ikke kan oppnås fra in-plane ("kantemitterende") diodelasere.

Flere arbeidere demonstrerte optisk pumpede VECSEL-er, og de fortsetter å bli utviklet for mange bruksområder, inkludert høye strømkilder for bruk i industriell maskinering (kutting, stansing, etc.) på grunn av deres uvanlig høye effekt og effektivitet når de pumpes av flermodus-diodelaser. . På grunn av deres mangel på pn-kryssing blir ikke optisk pumpede VECSEL-er betraktet som "diodelasere", og er klassifisert som halvlederlasere.

Elektrisk pumpede VECSEL -er har også blitt demonstrert. Søknader for elektrisk pumpede VECSEL-er inkluderer projeksjonsdisplayer, tjent med frekvensdobling av nær-IR VECSEL-sendere for å produsere blått og grønt lys.

Diodelasere for ytre hulrom

Diodelasere med ytre hulrom er avstembare lasere som hovedsakelig bruker doble heterostrukturdioder av typen Al x Ga (1-x) . De første eksterne laserdiodelaserne brukte etaloner intracavity og enkle tuning Littrow-gitter. Andre design inkluderer rister i konfigurasjon av beite-forekomst og ristkonfigurasjoner med flere prismer.

Pålitelighet

Laserdioder har samme problemer med pålitelighet og feil som lysdioder . I tillegg utsettes de for katastrofal optisk skade (COD) når de drives med høyere effekt.

Mange av fremskrittene innen pålitelighet for diodelasere de siste 20 årene er fortsatt eiendomsrett til utviklerne. Omvendt konstruksjon er ikke alltid i stand til å avsløre forskjellene mellom mer pålitelige og mindre pålitelige diodelaserprodukter.

Halvlederlasere kan være overflateavgivende lasere som VCSEL-er eller kantemitterende lasere i planet. For kantemitterende lasere dannes kantspeilet ofte ved å spalte halvlederplaten for å danne et speilreflekterende plan. Denne tilnærmingen lettes av svakheten til det [110] krystallografiske planet i III-V halvlederkrystaller (for eksempel GaAs , InP , GaSb , etc.) sammenlignet med andre fly.

Atomtilstandene ved spaltningsplanet endres i forhold til deres bulkegenskaper i krystallet ved avslutning av det perfekt periodiske gitteret på det planet. Overflatetilstander ved det spaltede planet har energinivåer innenfor (ellers forbudte) båndgapet til halvlederen.

Som et resultat, når lyset forplanter seg gjennom spalting planet og transporter til fritt rom fra innenfor halvleder krystallen, er en brøkdel av lysenergien absorberes av overflatetilstander hvor det omdannes til varme ved fonon - elektron- vekselvirkninger. Dette varmer det spaltede speilet. I tillegg kan speilet varme ganske enkelt fordi kanten av diodelaseren-som er elektrisk pumpet-er i mindre enn perfekt kontakt med festet som gir en bane for varmefjerning. Oppvarming av speilet får halvlederens båndgap til å krympe i de varmere områdene. Båndgapskrympingen bringer flere elektroniske bånd-til-bånd-overganger i samsvar med fotonergien som forårsaker enda mer absorpsjon. Dette er termisk løp , en form for positiv tilbakemelding , og resultatet kan være smelting av fasetten, kjent som katastrofal optisk skade , eller COD.

På 1970-tallet ble dette problemet, som er spesielt brennesle for GaAs-baserte lasere som avgir mellom 0,630 um og 1 um bølgelengder (mindre for InP-baserte lasere som brukes til langdistanse telekommunikasjon som avgir mellom 1,3 um og 2 um), identifisert . Michael Ettenberg, forsker og senere visepresident ved RCA Laboratories ' David Sarnoff Research Center i Princeton, New Jersey , utviklet en løsning. Et tynt lag aluminiumoksid ble avsatt på fasetten. Hvis aluminiumoksydtykkelsen er valgt riktig, fungerer den som et antireflekterende belegg , noe som reduserer refleksjon på overflaten. Dette lindret oppvarming og COD ved fasetten.

Siden den gang har forskjellige andre forbedringer blitt brukt. En tilnærming er å lage et såkalt ikke-absorberende speil (NAM) slik at de siste 10 µm eller så før lyset slipper ut fra den spaltede fasetten blir gjort ikke-absorberende ved bølgelengden av interesse.

På begynnelsen av 1990 -tallet begynte SDL, Inc. å levere dioder med høy effekt med gode pålitelighetsegenskaper. Konsernsjef Donald Scifres og CTO David Welch presenterte nye data for pålitelighetsytelse på f.eks. SPIE Photonics West -konferanser i tiden. Metodene som ble brukt av SDL for å beseire COD ble ansett for å være svært proprietære og var fremdeles ikke offentliggjort i juni 2006.

På midten av 1990-tallet kunngjorde IBM Research (Ruschlikon, Sveits ) at den hadde utviklet sin såkalte "E2-prosess" som ga ekstraordinær motstand mot COD i GaAs-baserte lasere. Også denne prosessen ble ikke avslørt fra juni 2006.

Påliteligheten til høyeffekts diodelaserpumpestenger (brukes til å pumpe solid-state lasere) er fortsatt et vanskelig problem i en rekke applikasjoner, til tross for disse proprietære fremskrittene. Faktisk er fysikken til diodelaserfeil fortsatt under utarbeidelse, og forskning om dette emnet forblir aktiv, hvis den er proprietær.

Forlengelse av levetiden til laserdioder er avgjørende for deres fortsatte tilpasning til et bredt spekter av applikasjoner.

applikasjoner

Laserdioder kan grupperes for å produsere svært høye effektutganger, kontinuerlig bølge eller pulserende. Slike matriser kan brukes til effektivt å pumpe solid-state lasere for høy gjennomsnittlig effektboring, brenning eller for treghetsfusjon

Laserdioder er numerisk den vanligste lasertypen, med et salg på 2004 på omtrent 733 millioner enheter, sammenlignet med 131 000 andre lasertyper.

Telekommunikasjon, skanning og spektrometri

Laserdioder finner stor bruk i telekommunikasjon som lett modulerte og lett koblede lyskilder for fiberoptisk kommunikasjon. De brukes i forskjellige måleinstrumenter, for eksempel avstandsmålere . En annen vanlig bruk er i strekkodelesere . Synlige lasere, vanligvis røde, men senere også grønne , er vanlige som laserpekere . Både lav- og høyeffektdioder brukes mye i trykkeribransjen, både som lyskilder for skanning (inndata) av bilder og til produksjon med svært høy hastighet og høy oppløsning. Infrarøde og røde laserdioder er vanlige i CD-spillere , CD-ROMer og DVD- teknologi. Fiolette lasere brukes i HD DVD- og Blu-ray- teknologi. Diodelasere har også funnet mange bruksområder innen laserabsorpsjonsspektrometri (LAS) for høyhastighets, rimelig vurdering eller overvåking av konsentrasjonen av forskjellige arter i gassfasen. Laserdioder med høy effekt brukes i industrielle applikasjoner som varmebehandling, kledning, sømsveising og for pumping av andre lasere, for eksempel diodepumpede solid-state lasere .

Bruk av laserdioder kan kategoriseres på forskjellige måter. De fleste applikasjoner kan betjenes av større solid-state lasere eller optiske parametriske oscillatorer, men de lave kostnadene ved masseproduserte diodelasere gjør dem avgjørende for massemarkedsapplikasjoner. Diodelasere kan brukes på mange felt; siden lys har mange forskjellige egenskaper (effekt, bølgelengde, spektral- og strålekvalitet, polarisering, etc.) er det nyttig å klassifisere applikasjoner etter disse grunnleggende egenskapene.

Mange anvendelser av diodelasere bruker først og fremst egenskapen "rettet energi" til en optisk stråle. I denne kategorien kan man inkludere laserskrivere , strekkodelesere, bildeskanning , belysningsapparater, designatorer, optisk dataregistrering, forbrenningstennelse , laserkirurgi , industriell sortering, industriell maskinering og styrt energivåpen. Noen av disse programmene er veletablerte mens andre dukker opp.

Medisinske bruksområder

Lasermedisin : medisin og spesielt tannbehandling har funnet mange nye bruksområder for diodelasere. Den reduserte størrelsen og kostnaden for enhetene og deres økende brukervennlighet gjør dem svært attraktive for klinikere for mindre bløtvevsprosedyrer. Diodebølgelengder varierer fra 810 til 1100 nm , absorberes dårlig av bløtvev og brukes ikke til kutting eller ablasjon . Bløtvev blir ikke kuttet av laserstrålen, men blir i stedet kuttet ved kontakt med en varmt forkullet glassspiss. Laserens bestråling absorberes sterkt i den distale enden av spissen og varmer den opp til 500 ° C til 900 ° C. Fordi spissen er så varm, kan den brukes til å kutte bløtvev og kan forårsake hemostase gjennom cauterisering og karbonisering . Diodelasere når de brukes på bløtvev, kan forårsake omfattende termisk skade på omgivende vev.

Ettersom laserstrålelyset iboende er koherent , bruker visse applikasjoner koherensen til laserdioder. Disse inkluderer interferometrisk avstandsmåling, holografi, koherent kommunikasjon og koherent kontroll av kjemiske reaksjoner.

Laserdioder brukes for sine "smale spektrale" egenskaper innen områder som finner, telekommunikasjon, infrarøde motforanstaltninger, spektroskopisk sansing , generering av radiofrekvens- eller terahertz-bølger, forberedelse av atomklokke, kvantekryptering, frekvensdoble og konvertering, vannrensing (i UV) og fotodynamisk terapi (hvor en bestemt bølgelengde av lys ville få et stoff som porfyrin til å bli kjemisk aktivt som et kreftdempende middel bare der vevet blir opplyst av lys).

Laserdioder brukes for deres evne til å generere ultrakorte lyspulser ved hjelp av teknikken kjent som "moduslås". Bruksområder inkluderer klokkefordeling for integrerte kretser med høy ytelse, kraftkilder med høy topp for laserindusert nedbrytningsspektroskopi-registrering, vilkårlig bølgeformgenerering for radiofrekvente bølger, fotonisk prøvetaking for analog til digital konvertering og optisk kode- divisjon-multiple-access systemer for sikker kommunikasjon.

Vanlige bølgelengder

Synlig lys

Infrarød

Se også

Referanser

Videre lesning

  • B. Van Zeghbroeck's Principles of Semiconductor Devices (for direkte og indirekte båndgap )
  • Saleh, Bahaa EA og Teich, Malvin Carl (1991). Grunnleggende om fotonikk . New York: John Wiley & Sons. ISBN  0-471-83965-5 . (For stimulert utslipp)
  • Koyama et al., Fumio (1988), "Romtemperatur cw -drift av GaAs vertikal hulromsoverflateemitterende laser", Trans. IEICE, E71 (11): 1089–1090 (for VCSELS)
  • Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser — Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6): 1201–1215 (for VECSELS)
  • Duarte, FJ (2016), "Bredt avstembare dispersive halvlederlasere for eksterne hulrom", i Tunable Laser Applications . New York: CRC Press. ISBN  9781482261066 . s. 203–241 (For eksterne hulromslodere).

Eksterne linker