Как устроены и работают полупроводниковые лазерные диоды. Каковы преимущества диодных лазеров перед обычными. Где применяются лазерные диоды в современной технике. Кто изобрел эту технологию.
Содержание
Что такое полупроводниковый лазерный диод
Полупроводниковый лазерный диод — это компактный источник когерентного света, работающий на основе вынужденного излучения в полупроводниковом p-n переходе. В отличие от громоздких газовых или твердотельных лазеров, лазерные диоды имеют миниатюрные размеры, сравнимые с обычными светодиодами.
Основные характеристики полупроводниковых лазерных диодов:
Компактные размеры (порядка нескольких миллиметров)
Высокий КПД (до 70%)
Низкое энергопотребление
Возможность прямой модуляции излучения
Длительный срок службы (десятки тысяч часов)
Низкая стоимость при массовом производстве
Благодаря этим преимуществам лазерные диоды нашли широкое применение в различных областях техники — от считывания информации в оптических дисках до волоконно-оптической связи.
Принцип работы полупроводникового лазера
Работа лазерного диода основана на явлении вынужденного излучения в полупроводниковом p-n переходе. Как работает этот процесс.
При подаче прямого напряжения на p-n переход происходит инжекция носителей заряда — электронов в n-область и дырок в p-область.
В узкой области p-n перехода (активной области) происходит рекомбинация носителей с излучением фотонов.
Образовавшиеся фотоны вызывают вынужденное излучение новых фотонов при взаимодействии с другими возбужденными носителями.
Процесс лавинообразно нарастает, формируя когерентное излучение.
Оптический резонатор, образованный зеркальными гранями кристалла, обеспечивает положительную обратную связь и усиление излучения.
Таким образом, в лазерном диоде реализуется преобразование электрической энергии в энергию когерентного оптического излучения за счет вынужденных квантовых переходов в полупроводнике.
Конструкция и типы лазерных диодов
Базовая конструкция лазерного диода включает следующие основные элементы:
Полупроводниковый кристалл с p-n переходом (обычно на основе GaAs или InGaAsP)
Активная область, в которой происходит генерация излучения
Создание новых типов лазеров (каскадные, микродисковые и др.)
Развитие технологии лазерных диодов открывает новые перспективы их применения в фотонике, оптоэлектронике, квантовых вычислениях и других передовых областях науки и техники.
Как работают полупроводниковые лазерные диоды — Объясните это
Вы здесь:
Домашняя страница >
Наука >
Полупроводниковые лазеры
Дом
Индекс А-Я
Случайная статья
Хронология
Учебное пособие
О нас
Конфиденциальность и файлы cookie
Реклама
org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 7 августа 2021 г.
Лазеры — это предмет научной фантастики: большие и тяжелые коробки, которые производят ослепляющие взрывы.
света.
Если вы когда-нибудь видели обычный лазер в лаборатории, то знаете
это довольно здоровенный зверь: обычно такой же длины, как ваше предплечье,
довольно тяжелый, довольно горячий и способный производить очень интенсивный пучок света.
Но если лазеры такие большие, почему мы можем использовать их в таких мелочах, как
портативные проигрыватели компакт-дисков и портативные сканеры штрих-кодов?
Ответ заключается в том, что мы не делаем! В этих штуках используется совсем другой тип лазера.
примерно такого же размера, как (и работает аналогично) обычный светодиод
(светодиод). Известный как
полупроводниковые лазеры (также называемые диодными лазерами или инжекционными лазерами),
они были разработаны в начале 1960-е годы
Роберта Н. Холла и, во многом потому, что они такие компактные и недорогие, в настоящее время являются самыми
широко распространенные в мире лазеры.
Давайте посмотрим поближе!
Artwork: диодные лазеры крошечные, легкие и компактные — идеально подходят для создания точных световых лучей внутри небольших электронных устройств.
Содержание
Что такое полупроводниковый лазер?
Как диодные лазеры излучают свет
Многослойные лазерные диоды
Кто изобрел полупроводниковые лазерные диоды?
Для чего мы можем использовать диодные лазеры?
Узнать больше
Что такое полупроводниковый лазер?
Скорее всего, вы использовали полупроводниковый лазер в последние несколько дней, даже не подозревая об этом.
это. Если вы смотрели DVD, вы «просматривали» его; если
вы были в продуктовом магазине и получили товар со штрих-кодом
проверить, что вы купили с одним; если вы сделали междугородний телефон
звонок по оптоволоконному кабелю, по которому вы «проговорили»; и если
вы что-то напечатали на лазерном принтере, ваша распечатка прошла очень близко к единице. Полупроводниковые лазеры излучают мощные и точные лучи света (например,
обычные лазеры), но они примерно того же размера, что и простые светодиоды.
маленькие цветные лампочки, которые вы видите на электронных приборных панелях.
Если вы читали нашу статью о диодах, вы уже имеете представление о том, как работают светодиоды.
По сути, светодиод — это полупроводниковый бутерброд с «хлебом».
сделанный из кусочков двух разных видов обработанного кремния, известного как
p-типа (богатые «дырками» или, другими словами, немного лишенные электронов крошечные отрицательно заряженные частицы внутри атомов) и n-типа
(с немного слишком много электронов). Соедините два кусочка вместе, и вы сделаете то, что
называется диодом с p-n переходом, который имеет все виды
интересные свойства.
В обычном диоде p-n переход работает как турникет, позволяющий
электрический ток течет только в одном направлении (известном как
операция с прямым смещением). Когда электроны текут через это
барьер, они совмещаются с отверстиями на другой стороне и выдают
энергия в виде фононов (звуковых колебаний), которые
исчезают в кристалле кремния.
В светодиоде почти такой же процесс
происходит, но энергия выделяется не в виде фононов, а в виде
фотоны — пакеты видимого света.
Фото: меньший кружок в левом нижнем углу этой фотографии — полупроводниковый лазерный диод в проигрывателе компакт-дисков. Большой круг с голубым оттенком в правом верхнем углу — это линза, которая считывает отраженный свет, отражающийся от компакт-диска. Никогда не пытайтесь смотреть на лазерный луч в проигрывателе компакт-дисков: вы легко можете ослепнуть.
Как диодные лазеры излучают свет
В лазерном диоде мы делаем шаг вперед, чтобы сделать возникающий свет более чистым
и мощный. Вместо использования кремния в качестве
полупроводник, мы используем другой материал, а именно сплав
арсенид алюминия и галлия (фосфид арсенида галлия индия
еще один популярный вариант). Электроны инжектируются в диод, они
соединяются с дырками, и часть их избыточной энергии преобразуется в
фотоны, которые взаимодействуют с большим количеством входящих электронов, помогая
производить больше фотонов — и так далее в своего рода самовоспроизводящемся
процесс, называемый резонансом. Это многократное преобразование входящего
электронов в исходящие фотоны аналогичен процессу
вынужденное излучение, возникающее в обычном газовом
лазер.
Работа: Базовая установка лазерного диода. Лазерный свет создается, когда электроны и фотоны взаимодействуют в p-n переходе, устроенном аналогично обычному переходному диоду или светодиоду. Один конец диода отполирован, чтобы из него мог выходить лазерный свет. Другие концы оставляют шероховатыми, чтобы ограничить свет.
В обычном лазере концентрированный световой пучок создается путем «накачки»
свет, испускаемый атомами многократно между двумя зеркалами. В лазере
диод, эквивалентный процесс происходит, когда фотоны отскакивают назад и
вперед в микроскопическом соединении (шириной примерно один микрометр)
между пластинами полупроводника p-типа и n-типа, что технически известно
как резонатор Фабри-Перо (своего рода интерферометр). Усиленный лазерный свет в конечном итоге выходит из полированного конца зазора в луче, параллельном стыку. Оттуда он читает музыку с вашего компакт-диска, сканирует цену на ваши кукурузные хлопья, распечатывает вашу диссертацию в колледже или делает тысячу других полезных вещей!
Рекламные ссылки
Многослойные лазерные диоды
Ранние лазерные диоды могли излучать только один относительно слабый луч, но изобретательные инженеры-электронщики вскоре нашли способы сделать их значительно более мощными. С 1990-х годов одним из распространенных подходов было размещение нескольких лазерных диодов друг над другом (как в многоквартирном доме), а затем фокусировка их отдельных лучей в один выходной луч с помощью
коллиматор и/или линза. Такой вид аранжировки
по-разному называемые полупроводниковым лазерным стеком, многослойным лазерным диодом или просто диодным стеком. Помимо увеличения мощности
чем один лазерный диод, стек открывает возможность генерировать несколько разных длин волн одновременно
(потому что каждый лазер в стеке может сделать другой). Вместо одного PN-перехода их несколько, и лучи лазерного света выходят из активных слоев между ними; как правило, между сложенными слоями имеется по крайней мере одно туннельное соединение. Одна пара клемм (иногда называемых омическими контактами) подает электроэнергию на весь стек.
Произведение: простой многослойный лазерный диод, состоящий из двух диодных лазеров, расположенных один над другим,
и изготовлены из легированных слоев арсенида галлия алюминия.
клеммы (омические контакты) показаны серым цветом сверху и снизу, подложка (основной материал) — зеленым, слои P-типа показаны синим цветом, а слои N-типа — красным. Туннельный переход обозначен J2. Работа предоставлена Управлением по патентам и товарным знакам США,
из патента США № 5 212 706: Сборка лазерных диодов с туннельными переходами и созданием нескольких лучей Факира К. Джейна, Университет Коннектикута, 18, 19 мая.93.
Кто изобрел полупроводниковые лазерные диоды?
Кого мы благодарим за это фантастическое изобретение? Доктор Роберт Н. Холл из General Electric, который подал свой патент на эту идею («Полупроводниковые устройства с вынужденным излучением») 24 октября 1962 г. (он был выдан в качестве патента США № 3 245 002 5 апреля 1966 г.). Вот один из рисунков из этого патента, показывающий базовое расположение деталей, описанных выше. Нумерация оригинальная Холла, но я добавил раскраски и упрощенные описания, чтобы было легче следовать:
Изображение: оригинальный патент Роберта Холла на лазерный диод, любезно предоставленный Управлением по патентам и товарным знакам США.
Типичный полупроводниковый лазерный диод P-N.
Область P-типа (синяя).
Область N-типа (красная).
Область PN-перехода (резонансный резонатор), где свет создается вынужденным излучением. Это нарисовано не в масштабе!
В оригинальном патенте Холла его толщина описывается как 0,1 микрона (0,1 миллионной доли метра, 0,1 мкм или 1000 ангстрем).
Верхний электрод.
Припой, фиксирующий верхний электрод к области p-типа.
Нижний электрод.
Припой, фиксирующий нижний электрод к области n-типа. (Это покрывает всю основу области n-типа, а не только серый внешний контур, показанный здесь.)
Разъем верхнего электрода.
Разъем нижнего электрода.
Тщательно отполированная передняя поверхность.
Тщательно отполированная задняя поверхность, которая должна быть точно параллельна передней поверхности, чтобы обеспечить создание и эффективное излучение стоячих волн электромагнитного излучения (лазерного света) в резонаторе между областями p-типа и n-типа. Поверхности 11 и 12 могут быть покрыты зеркалами или металлическим покрытием для улучшения резонансного эффекта.
Боковая поверхность срезана под углом (или шероховатая), чтобы предотвратить образование световых волн в других направлениях.
Другая боковая поверхность, срезанная под таким же углом или имеющая шероховатость аналогичным образом.
Более подробно вы можете прочитать в патенте Роберта Холла, ссылка на который приведена ниже.
Для чего можно использовать диодные лазеры?
Фото: Предупреждение: может содержать (содержит) лазеры! Подобные этикетки на таких продуктах, как CD/CVD-плееры, лазерные принтеры, лазерные указки и т. д., говорят о том, что внутри находится диодный лазер.
Обычные лабораторные лазеры — большие звери, как мы уже видели, — они не так уж отличаются от того, который Голдфингер использовал в одноименном фильме о Джеймсе Бонде. Иными словами, все относительно компактное устройство, для питания которого требуется лазер, скорее всего, будет использовать диодный лазер, а не «лазер Голдфингера». В проигрывателях компакт-дисков, сканерах штрих-кодов, оптоволоконных телефонных линиях, стоматологических инструментах, устройствах для лазерной эпиляции, лазерных указках и лазерных принтерах используются диодные лазеры, потому что они маленькие, компактные и недорогие. Однако из этого не следует, что они маломощны и ничтожны — по трем причинам.
Диодные лазеры могут быть удивительно мощными (сотни ватт — вполне достижимая мощность).
Как мы видели выше, вы можете складывать диодные лазеры для создания устройств с гораздо большей мощностью (в киловаттах).
Вы можете комбинировать диодные лазеры с твердотельными лазерами (чтобы сделать так называемые твердотельные лазеры с диодной накачкой) или с обычными лазерами, используя их в качестве «оптических накачек» (вместо традиционных ламп-вспышек) для возбуждения таких вещей, как рубин стержни (выдающие мощность в мегаваттах).
Последние разработки
лазерные диоды глубокого ультрафиолета указывают путь к меньшим и более дешевым биосенсорам
и множество других интересных биологических применений, включая дешевую стерилизацию продуктов питания и воды.
Узнайте больше
На этом сайте
Интегральные схемы
Лазеры
Легкий
Светодиоды (LED)
На других веб-сайтах
Руководство Бритни Спирс по физике полупроводников: Привлекательный способ заинтересовать людей лазерными диодами!
Книги
Подходят для студентов бакалавриата:
Основы полупроводникового лазера Венга В. Чоу и Стефана В. Коха. Спрингер, 2013.
.
Мощные диодные лазеры: основы, технология, применение Роланда Диля. Спрингер, 2003.
.
Полупроводниковые лазеры: прошлое, настоящее и будущее Говинд П. Агравал. AIP Press/Американский институт физики, 1995.
.
Статьи
Диодные лазеры Прыжок в глубокий ультрафиолет Джефф Хект. IEEE Спектр. 9 января, 2020. Полупроводниковый диодный лазер с более ультрафиолетовым излучением прокладывает путь к новым приложениям, таким как более мелкие и дешевые биосенсоры.
Laser Li-Fi может развивать скорость до 100 гигабит в секунду, автор Нил Сэвидж. IEEE Спектр. 8 апреля 2015 г. Сети «Wi-Fi», использующие свет вместо радиоволн, могут передавать информацию быстрее и эффективнее.
Лазерные фары BMW рассекают тьму, Лоуренс Ульрих. IEEE Спектр. 25 октября 2013 г. В автомобилях теперь используются яркие и эффективные лазерные диоды вместо светодиодов и галогенных ламп.
Транзисторный лазер Ника Холоньяка-младшего и Милтона Фэна. IEEE Spectrum, 1 февраля 2006 г. Можем ли мы рассчитывать на новую эру транзисторных лазеров, которые могут создавать как оптические, так и электрические выходы?
Видео
50-летие лазера: Роберт Н. Холл вспоминает диодный лазер: Изобретатель лазерного диода вспоминает, как это произошло.
Патенты
Для получения более подробной технической информации попробуйте эти репрезентативные патенты (и перейдите по ссылкам на предшествующий уровень техники и цитатам внутри них, чтобы найти другие):
Патент США № 3,245,002: Полупроводниковые устройства с вынужденным излучением Роберт Н. Холл и др., General Electric. 5 апреля 1966 г. Первый патент Роберта Холла на полупроводниковый лазер. Это подробное техническое описание того, как работали первые полупроводниковые лазеры, создавая свет внутри диода.
Патент США № 3,303,432: Мощные полупроводниковые лазерные устройства, авторы William E Engeler, Garfinkel Marvin, General Electric. 7 февраля 1967 г. Основываясь на патенте Холла, в нем описываются более мощные диоды с большей эффективностью.
Патент США № 3,936,322: Джозеф М. Блюм и др., IBM, способ изготовления диодного лазера с двойным гетеропереходом. 3 февраля 1976 г. Описывает способ изготовления лазерных диодов.
Патент США № 5 212 706: Сборка лазерных диодов с туннельными переходами и созданием нескольких лучей Факир К. Джейн, Университет Коннектикута, 18 мая 1993 г. В влиятельном патенте описана основная идея многодиодного лазера.
Патент США № 6,236,670: Лазер, состоящий из многослойных лазерных диодов, полученных путем эпитаксиального выращивания, вставленных между двумя брэгговскими зеркалами Жюльеном Нэглом и Эммануэлем Розенчером, Thomson-Csf. 22 мая 2001. Альтернативный подход к созданию мощного лазера из вертикальной стопки лазерных диодов.
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты.
Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.
5MW TO46
62000 
6V ~ 5V
7mm )
31000 
2V
0016 $18.14000 
63.63.63.63.63.635.635.635.635 -635 -AREL -635.635.635 -635 -AREL -635 -ARELI -635 -635 -635.635.635 -635 -635 -635 -635 -635 -635 -635 -635 -Arod -635 -635 -ADER. 7 мм DIA
0005
4MW PANEL ST
50000 
48000 
704.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004 9004.70047.7004.7004.7004.7004 9004.7004 9004.7004. -18)
3V
org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 7 августа 2021 г.
Полупроводниковые лазеры излучают мощные и точные лучи света (например,
обычные лазеры), но они примерно того же размера, что и простые светодиоды.
маленькие цветные лампочки, которые вы видите на электронных приборных панелях.
Это многократное преобразование входящего
электронов в исходящие фотоны аналогичен процессу
вынужденное излучение, возникающее в обычном газовом
лазер.
Оттуда он читает музыку с вашего компакт-диска, сканирует цену на ваши кукурузные хлопья, распечатывает вашу диссертацию в колледже или делает тысячу других полезных вещей!
Вместо одного PN-перехода их несколько, и лучи лазерного света выходят из активных слоев между ними; как правило, между сложенными слоями имеется по крайней мере одно туннельное соединение. Одна пара клемм (иногда называемых омическими контактами) подает электроэнергию на весь стек.
Холл из General Electric, который подал свой патент на эту идею («Полупроводниковые устройства с вынужденным излучением») 24 октября 1962 г. (он был выдан в качестве патента США № 3 245 002 5 апреля 1966 г.). Вот один из рисунков из этого патента, показывающий базовое расположение деталей, описанных выше. Нумерация оригинальная Холла, но я добавил раскраски и упрощенные описания, чтобы было легче следовать:
Чоу и Стефана В. Коха. Спрингер, 2013.
IEEE Spectrum, 1 февраля 2006 г. Можем ли мы рассчитывать на новую эру транзисторных лазеров, которые могут создавать как оптические, так и электрические выходы?
7 февраля 1967 г. Основываясь на патенте Холла, в нем описываются более мощные диоды с большей эффективностью.
Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.
