Laser półprzewodnikowy

Z Wikipedii, wolnej encyklopedii
Skocz do: nawigacji, wyszukiwania
Laser półprzewodnikowy w obudowie przy monecie jednocentowej

Laser półprzewodnikowy – nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.

Budowa i zasada działania[edytuj | edytuj kod]

Model 3D lasera półprzewodnikowego stosowanego w napędach dysków optycznych

Laser ten jest wielowarstwową strukturą półprzewodników typu n (nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa) i p (więcej dziur w paśmie walencyjnym). Przejście elektronu do pasma przewodzenia na skutek zasilania prądem (pompowanie) połączone jest z odwrotnym procesem spontanicznym, zwanym rekombinacją promienistą. Proces ten prowadzi do uwolnienia fotonu. Przy dostatecznie dużym prądzie może powstać inwersja obsadzeń, pozwalająca wywołać akcję laserową. Zewnętrzne ścianki falowodu tworzą rezonatory Fabry'ego-Perota.

Warstwa falowodowa ma grubość rzędu 2 μm, co ułatwia uzyskanie inwersji obsadzeń przy małym prądzie, a jej szerokość wynosi 10 μm. W związku z dyfrakcją, rezultatem takiej budowy warstwy czynnej są duże kąty rozbieżności wiązki, różne w obydwu przekrojach (rzędu 30° odpowiadający grubości 2 μm i ponad 5° dla szerokości 10 μm). W celu zmniejszenia asymetrii wiązki stosuje się dodatkowe układy optyczne (pryzmatyczne lub cylindryczne) mające różne powiększenia w tych przekrojach. Do wad tych laserów należy zaliczyć szersze widmo promieniowania w porównaniu np. z laserem He-Ne i silny wpływ zmiany temperatury na moc wiązki i długość generowanej fali. Wady te można wyeliminować (a co najmniej, istotnie ograniczyć) stosując odpowiednio rozbudowany układ zasilający z ujemnym sprzężeniem zwrotnym. Obecnie większość produkowanych diod laserowych powszechnego zastosowania [1] posiada wbudowaną fotodiodę, która pozwala na pomiar natężenia emitowanego światła. Układ zasilający ma postać sterowanego źródła prądowego, które dostarcza diodzie laserowej prąd o wielkości zależnej od prądu płynącego przez fotodiodę. Ujemne sprzężenie zwrotne sprawia, że im więcej światła emituje laser, tym słabszym prądem jest on zasilany.

W fotonice do budowy struktur informatycznych[potrzebne źródło] wykorzystuje się również macierze laserów umieszczonych na wspólnym podłożu. Średnice pojedynczych laserów mogą być rzędu kilku mikrometrów. Każdy z laserów może być niezależnie sterowany elektronicznie, stąd macierz laserów tworzy razem powierzchniową strukturę niemal punktowych źródeł promieniowania.

Zjawisko elektroluminescencji w złączu półprzewodnikowym p-n zostało po raz pierwszy zaobserwowane w roku 1952 roku przez naukowców Haynesa i Briggsa. Prace które prowadzili miały na celu zbadanie właściwości luminescencyjne złącza, przez które płynie bardzo duży prąd w kierunku przewodzenia. W roku 1958 Aigrain zauważył, że świecenie rekombinacyjne elektronów i dziur wstrzykiwanych poprzez pasmo zabronione może służyć do otrzymania inwersji obsadzeń. W latach 1960-62 rozgorzała dyskusja nad wykorzystaniem tego świecenia do budowy lasera półprzewodnikowego, która zakończyła się w niedługim czasie zbudowaniem złącza półprzewodnikowego typu p-n z arsenku galu (GaAs) o bardzo dużej wydajności elektroluminescencyjnej.

Lasery półprzewodnikowe są źródłami promieniowania spójnego, w których funkcję ośrodka czynnego pełni półprzewodnik. Można je podzielić na dwie grupy:

  1. półprzewodnikowe lasery złączowe ( diodowe)
  2. półprzewodnikowe lasery bezzłączowe- wykonane z jednorodnego materiału.

W półprzewodnikowym laserze złączowym proces emisji promieniowania jest zlokalizowany w obszarze przylegającym do złącza diody półprzewodnikowej. Aby nastąpiła akcja laserowa, podobnie jak w innych laserach muszą nastąpić odpowiednie warunki, wynikające przede wszystkim ze struktury poziomów energetycznych. W półprzewodnikach rozpatruje się stany energetyczne półprzewodnika jako całości, a nie poziomy poszczególnych atomów. Inwersja obsadzeń odbywa się nie w całej objętości ośrodka czynnego, ale w ścisłym otoczeniu złącza.

Dioda elektroluminescencyjna daje szerokie widmo emisji, głównie zależne od intensywności z jaką są wstrzykiwane nośniki, czyli inaczej mówiąc od natężenia prądu jaki przez nią płynie. Rekombinacji elektronów i dziur towarzyszy emisja fotonów, jak już wcześniej było powiedziane, ale ta emisja jest emisją spontaniczną, wielokierunkową, przez co większość fotonów szybko opuszcza obszar czynny, lecz niektóre z nich zderzają się ze wzbudzonymi elektronami powodując przejście emisyjne wymuszone. W pewnych warunkach może nastąpić sytuacja kiedy wytwarzane fotony wymuszą emisję fotonów liczniejszych niż te które będą pochłaniane, w takiej sytuacji nastąpi wzmocnienie promieniowania. Aby akcja laserowa nastąpiła musi występować jeszcze urządzenie, które będzie wypromieniowane fotony scalało w jedną spójną wiązkę zwaną promieniem laserowym, to urządzenie nosi nazwę rezonatora optycznego. W celu stworzenia rezonatora optycznego należy ukształtować złącze diody możliwie płaskie, a z obu jego przeciwległych stron umieścić prostopadłe do płaszczyzny złącza i równoległe do siebie powierzchnie odbijające. Jedno ze zwierciadeł musi być częściowo przepuszczalne, zwierciadło takie nazywane jest promiennikiem[potrzebne źródło] światła laserowego. Aby zapobiec możliwości wzbudzenia się akcji laserowej w kierunku poprzecznym, boczne powierzchnie rezonatora powinny być matowe i nieznacznie odchylone od wzajemnej równoległości. W celu osiągnięcia akcji laserowej przez diodę luminescencyjną musi płynąć odpowiednio duży prąd, prąd progowy. Jeśli natężenie prądu jest mniejsze, rekombinacja elektronów i dziur nie powoduje akcji laserowej, a dioda emituje światło niespójne.

Obszary czynne laserów półprzewodnikowych[edytuj | edytuj kod]

Lasery złączowe:

Lasery bezzłączowe:

Rodzaje laserów półprzewodnikowych[edytuj | edytuj kod]

Historia[edytuj | edytuj kod]

Pierwsze lasery półprzewodnikowe powstały niemal równocześnie w 1962 w czterech laboratoriach amerykańskich [2] [3] [4] [5] i jednym radzieckim[6]. W większości z tych laserów złącze wykonane było z arsenku galu. W jednym przypadku był to fosforo-arsenek galu. Pierwszy laser półprzewodnikowy w Polsce został wykonany w 1966 przez Bohdana Mroziewicza w Instytucie Podstawowych Problemów Techniki PAN. [7] Pierwsze lasery półprzewodnikowe oparte były na strukturze homozłączowej i pracowały wyłącznie w niskich temperaturach.

W 1963 Herbert Kroemer[8] i Żores Ałfiorow[9] niezależnie zaproponowali zastosowanie struktury heterozłączowej w celu polepszenia sprawności emisji wymuszonej.

Zastosowania[edytuj | edytuj kod]

Ze względu na niewielkie rozmiary, niskie koszty produkcji, oraz wysoką wydajność, lasery półprzewodnikowe są dzisiaj najczęściej wykorzystywanym rodzajem laserów, znajdują zastosowanie między innymi w napędach CD, DVD, Blu-ray , XDCAM, wskaźnikach laserowych, łączności światłowodowej, w zastosowaniach militarnych jako wskaźniki celu lub do pomiaru odległości (dalmierze). Diody laserowe są również wykorzystywane do zasilania (pompowania) laserów na ciele stałym

Bibliografia[edytuj | edytuj kod]

  • Bohdan Mroziewicz, Maciej Bugajski, Włodzimierz Nakwaski: Lasery półprzewodnikowe. Warszawa: Państwowe Wydawnictwo Naukowe, 1985. ISBN 83-01-04758-5.

Przypisy

  1. przegląd dostępnych długości fal
  2. Marshall I. Nathan, William P. Dumke, Gerald Burns, Frederick, Jr. H. Dill i inni. Stimulated Emission of Radiation from GaAs p-n Junctions. „Applied Physics Letters”. 1 listopada 1962 Vol. 1. 3. s. 62-64. 
  3. R. N. Hall, J. D. Kingsley, T. J. Soltys i inni. Coherent Light Emission From GaAs Junctions. „Physical Review Letters”. Listopad 1962, vol. 9. 9. s. 366-368. 
  4. Nick, Jr. Holonyak, S. F. Bevacqua. Coherent (visible) light emission from Ga (As1-xPx) Junctions. „Applied Physics Letters”. 1 grudnia 1962, Vol. 1. 4. s. 82-83. 
  5. T. M. Quist, R. H. Rediker, R. J. Keyes, W. E. Krag i inni. Semiconductor maser of GaAs. „Applied Physics Letters”. 1 grudnia 1962, Vol. 1. 4. s. 91-92. 
  6. D.N. Nasledov, A.A. Rogachev, S.M. Ryvkin, B.V. Tsarenkov. Recombination radiation of galium arsenic. „Fizika Tverdovo Tela”. 1962, 4, 4. s. 1062. 
  7. B. Darek, B. Mroziewicz, J. Świderski. Polish-made laser using a gallium arsenide junction (Gallium arsenide laser design using p-n junction obtained by diffusion of zinc in tellurium doped n-GaAs single crystal). „Archiwum elektrotechniki”. 1966, Vol. 15. 1. s. 163-167. 
  8. Herbert Kroemer. A proposed class of hetero-junction injection lasers. „Proceedings of the IEEE”. 51. 12. s. 1782- 1783. 
  9. Ałfiorow, Ż. i Kazarinow, R., Laser półprzewodnikowy z pompowaniem elektrycznym, patent ZSRR 181737 (1963)