Laser semikonduktor adalah generator kuantum berdasarkan media aktif semikonduktor di mana amplifikasi optik dibuat oleh emisi terstimulasi selama transisi kuantum antara tingkat energi pada konsentrasi tinggi pembawa muatan di zona bebas.
Laser semikonduktor: prinsip operasi
Dalam keadaan normal, sebagian besar elektron terletak pada tingkat valensi. Ketika foton memasok energi yang melebihi energi zona diskontinuitas, elektron semikonduktor memasuki keadaan eksitasi dan, setelah mengatasi zona terlarang, masuk ke zona bebas, berkonsentrasi di tepi bawahnya. Secara bersamaan, lubang yang terbentuk pada tingkat valensi naik ke batas atasnya. Elektron di zona bebas bergabung kembali dengan lubang, memancarkan energi yang sama dengan energi zona diskontinuitas dalam bentuk foton. Rekombinasi dapat ditingkatkan oleh foton dengan tingkat energi yang cukup. Deskripsi numerik sesuai dengan fungsi distribusi Fermi.
Perangkat
Perangkat laser semikonduktoradalah dioda laser yang dipompa dengan energi elektron dan lubang di zona p-n-junction - titik kontak semikonduktor dengan konduktivitas tipe-p dan n. Selain itu, ada laser semikonduktor dengan suplai energi optik, di mana sinar dibentuk dengan menyerap foton cahaya, serta laser kaskade kuantum, yang operasinya didasarkan pada transisi dalam pita.
Komposisi
Sambungan standar yang digunakan pada laser semikonduktor dan perangkat optoelektronik lainnya adalah sebagai berikut:
- gallium arsenida;
- gallium fosfida;
- gallium nitrida;
- indium fosfida;
- indium-gallium arsenide;
- gallium aluminium arsenide;
- gallium-indium arsenide nitrida;
- gallium-indium phosphide.
Panjang gelombang
Senyawa ini adalah semikonduktor celah langsung. Cahaya tidak langsung (silikon) tidak memancarkan dengan kekuatan dan efisiensi yang cukup. Panjang gelombang radiasi laser dioda tergantung pada derajat aproksimasi energi foton dengan energi zona diskontinuitas senyawa tertentu. Dalam senyawa semikonduktor 3 dan 4 komponen, energi zona diskontinuitas dapat terus menerus bervariasi pada rentang yang luas. Untuk AlGaAs=AlxGa1-xAs, misalnya, peningkatan kandungan aluminium (peningkatan x) menghasilkan peningkatan energi dari zona diskontinuitas.
Sementara laser semikonduktor yang paling umum beroperasi dalam inframerah dekat, beberapa memancarkan warna merah (indium gallium phosphide), biru atau ungu (gallium nitrida). Radiasi inframerah-tengah dihasilkan oleh laser semikonduktor (timbal selenida) dan laser kaskade kuantum.
semikonduktor organik
Selain senyawa anorganik yang disebutkan di atas, senyawa organik juga dapat digunakan. Teknologi yang sesuai masih dalam pengembangan, tetapi pengembangannya menjanjikan untuk secara signifikan mengurangi biaya produksi generator kuantum. Sejauh ini, hanya laser organik dengan suplai energi optik yang telah dikembangkan, dan pemompaan listrik yang sangat efisien belum tercapai.
Varietas
Banyak laser semikonduktor telah dibuat, berbeda dalam parameter dan nilai yang diterapkan.
Dioda laser kecil menghasilkan sinar radiasi tepi berkualitas tinggi, yang kekuatannya berkisar dari beberapa hingga lima ratus miliwatt. Kristal dioda laser adalah pelat persegi panjang tipis yang berfungsi sebagai pemandu gelombang, karena radiasi terbatas pada ruang kecil. Kristal didoping di kedua sisi untuk membuat sambungan p-n dari area yang luas. Ujung yang dipoles membuat resonator Fabry-Perot optik. Sebuah foton melewati resonator akan menyebabkan rekombinasi, radiasi akan meningkat, dan generasi akan dimulai. Digunakan dalam laser pointer, pemutar CD dan DVD, dan komunikasi serat optik.
Laser monolitik berdaya rendah dan generator kuantum dengan resonator eksternal untuk membentuk pulsa pendek dapat menghasilkan penguncian mode.
Lasersemikonduktor dengan resonator eksternal terdiri dari dioda laser, yang berperan sebagai media penguat dalam komposisi resonator laser yang lebih besar. Mereka mampu mengubah panjang gelombang dan memiliki pita emisi yang sempit.
Laser semikonduktor injeksi memiliki daerah pancaran berupa pita lebar, dapat menghasilkan sinar berkualitas rendah dengan daya beberapa watt. Mereka terdiri dari lapisan aktif tipis yang terletak di antara lapisan p dan n, membentuk heterojungsi ganda. Tidak ada mekanisme untuk menjaga cahaya dalam arah lateral, yang menghasilkan eliptisitas berkas tinggi dan arus ambang batas yang sangat tinggi.
Batang dioda yang kuat, terdiri dari susunan dioda pita lebar, mampu menghasilkan pancaran dengan kualitas biasa-biasa saja dengan daya puluhan watt.
Array dua dimensi yang kuat dari dioda dapat menghasilkan daya dalam ratusan dan ribuan watt.
Laser pemancar permukaan (VCSEL) memancarkan sinar cahaya berkualitas tinggi dengan kekuatan beberapa miliwatt tegak lurus terhadap pelat. Cermin resonator diaplikasikan pada permukaan radiasi berupa lapisan-lapisan dengan panjang gelombang dengan indeks bias yang berbeda. Beberapa ratus laser dapat dibuat dalam satu chip, yang membuka kemungkinan produksi massal.
VECSEL laser dengan catu daya optik dan resonator eksternal mampu menghasilkan sinar berkualitas baik dengan daya beberapa watt dalam mode penguncian.
Pengoperasian kuantum laser semikonduktor-jenis kaskade didasarkan pada transisi dalam zona (sebagai lawan dari interzona). Perangkat ini memancarkan di wilayah mid-inframerah, terkadang dalam kisaran terahertz. Mereka digunakan, misalnya, sebagai penganalisis gas.
Laser semikonduktor: aplikasi dan aspek utama
Laser dioda yang kuat dengan pemompaan listrik efisiensi tinggi pada tegangan sedang digunakan sebagai sarana untuk menyalakan laser solid-state efisiensi tinggi.
Laser semikonduktor dapat beroperasi pada rentang frekuensi yang luas, yang mencakup bagian spektrum yang terlihat, inframerah-dekat, dan inframerah-tengah. Perangkat telah dibuat yang juga memungkinkan Anda untuk mengubah frekuensi emisi.
Dioda laser dapat dengan cepat beralih dan memodulasi daya optik, yang dapat diterapkan pada pemancar serat optik.
Karakteristik seperti itu telah membuat laser semikonduktor secara teknologi menjadi jenis generator kuantum yang paling penting. Mereka berlaku:
- dalam sensor telemetri, pirometer, altimeter optik, pengukur jarak, pemandangan, holografi;
- dalam sistem serat optik transmisi optik dan penyimpanan data, sistem komunikasi yang koheren;
- di printer laser, proyektor video, pointer, pemindai kode batang, pemindai gambar, pemutar CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- dalam sistem keamanan, kriptografi kuantum, otomatisasi, indikator;
- dalam metrologi optik dan spektroskopi;
- dalam bedah, kedokteran gigi, tata rias, terapi;
- untuk pengolahan air,pemrosesan bahan, pemompaan laser solid-state, kontrol reaksi kimia, penyortiran industri, teknik industri, sistem pengapian, sistem pertahanan udara.
Keluaran pulsa
Sebagian besar laser semikonduktor menghasilkan sinar kontinu. Karena waktu tinggal elektron yang singkat pada tingkat konduksi, mereka sangat tidak cocok untuk menghasilkan pulsa Q-switched, tetapi mode operasi kuasi-kontinyu memungkinkan peningkatan yang signifikan dalam kekuatan generator kuantum. Selain itu, laser semikonduktor dapat digunakan untuk menghasilkan pulsa ultrashort dengan penguncian mode atau gain switching. Daya rata-rata pulsa pendek biasanya terbatas pada beberapa miliwatt, dengan pengecualian laser VECSEL yang dipompa secara optik, yang outputnya diukur dengan pulsa picosecond multi-watt dengan frekuensi puluhan gigahertz.
Modulasi dan stabilisasi
Keuntungan dari tinggal pendek elektron di pita konduksi adalah kemampuan laser semikonduktor untuk modulasi frekuensi tinggi, yang untuk laser VCSEL melebihi 10 GHz. Ini telah menemukan aplikasi dalam transmisi data optik, spektroskopi, stabilisasi laser.
