Полупроводниковый лазер. Принцип работы, применение и ограничения

• Что такое полупроводниковый лазер 
• Принцип работы полупроводникового лазера
• Состав
• Применение полупроводниковых лазеров 
• Промышленные и технологические применения
• Применение в медицинских и биомедицинских исследованиях
• Состав устройства
• Длина волны
• Органические полупроводниковые лазеры 
• Модуляция
• Ограничения полупроводниковых лазеров
• Перспективы полупроводниковых лазеров

Что такое полупроводниковый лазер 

Полупроводниковый лазер (диодный) - это твердотельный тип лазера, работа которого основана на полупроводниковом материале, таком как арсенид галлия и фосфид индия. В отличие от других типов устройств, эти лазеры используют электрический ток для стимулирования излучения света из полупроводникового материала.

Структура диодного полупроводникового лазера состоит из p-n-перехода, который формируется путем легирования материала примесями для создания областей с различными уровнями электропроводности. Когда через p-n-переход пропускается ток, электроны попадают в полупроводниковый материал, создавая инверсию населенности, что приводит к излучению света. Этот свет усиливается при прохождении через материал, в результате чего получается высококогерентный и направленный луч света.

Полупроводниковые лазеры широко используются в различных областях, включая: 

• телекоммуникации;
• оптические устройства хранения данных;
• лазерные принтеры;
• сканеры штрих-кодов;
• медицинское оборудование. 

Они также применяются в волоконно-оптических системах связи, где используются для передачи данных на большие расстояния.

Одним из минусов полупроводниковых лазеров является то, что на эффективность его работы сильно влияет температура, а угол расходимости луча большой (обычно от нескольких до 20 градусов), поэтому он может не справляться с требованиями по направленности, монохроматичности и когерентности.

Рис. 1. Полупроводниковый лазер 

Принцип работы полупроводникового лазера

Принцип работы полупроводникового лазера основан на свойствах p-n-перехода, который образуется при соединении двух типов полупроводниковых материалов, один из которых имеет избыток свободных электронов (n-тип), а другой - недостаток электронов (p-тип). Граница между двумя материалами называется p-n-переходом. В обычном состоянии почти все электроны находятся на уровне валентности. При подводе фотонами энергии, превышающей энергию зоны разрыва, электроны полупроводника приходят в состояние возбуждения 

Когда через p-n-переход пропускается электрический ток, электроны и дырки попадают в полупроводниковый материал, создавая инверсию населенности. Это означает, что электронов в полосе проводимости больше, чем дырок в валентной полосе. В результате, когда электрон в полосе проводимости рекомбинирует с дыркой в валентной полосе, энергия высвобождается в виде фотона.

Фотоны, полученные в результате этого процесса, могут стимулировать испускание большего количества при прохождении через материал, в результате чего получается высококогерентный и направленный луч света. Полупроводниковый материал имеет высокий коэффициент усиления, свет усиливается при прохождении через материал и получается лазерный луч высокой интенсивности.

Свойства лазерного луча, такие как длина волны и интенсивность, зависят от конструкции полупроводникового материала и тока инжекции. Длина волны лазерного луча определяется энергией зазора полупроводникового материала, а интенсивность регулируется током инжекции.

Состав

Стандартные соединения, используемые как в полупроводниковых лазерах и  других оптоэлектронных устройствах:

• арсенид галлия;
• фосфид галлия;
• нитрид галлия;
• фосфид индия;
• селенид свинца;
• теллурид свинца;
• арсенид индия-галлия;
• арсенид алюминия-галлия;
• арсенид-нитрид галлия-индия;
• фосфид галлия-индия.

Рис. 2. Принцип работы полупроводникового лазера 

Применение полупроводниковых лазеров 

Полупроводниковые лазеры, также известные как диодные, имеют широкий спектр применения в различных областях. Давайте рассмотрим их применение в промышленных и технологических условиях, а также в медицинских и биомедицинских исследованиях.

Промышленные и технологические применения

Обработка материалов и производство

Полупроводниковые лазеры широко используются для обработки материалов, включая резку, сварку, сверление и обработку поверхности. Высокая точность и скорость обработки позволяют работать в таких отраслях, как автомобилестроение, аэрокосмическая промышленность и производство электроники.

Оптическая связь

Данные устройства играют решающую роль в оптических системах связи, таких как волоконно-оптические сети. Они используются в качестве источников света для передачи данных на большие расстояния по оптическим волокнам. Их компактные размеры, эффективность и способность модулировать свет на высоких скоростях делают их идеальными для телекоммуникационных приложений.

3D-печать и аддитивное производство

Полупроводниковые лазеры используются в процессах 3D-печати и аддитивного производства. Они обеспечивают точную и контролируемую подачу энергии для плавления или затвердевания материалов, позволяя создавать сложные структуры с высоким разрешением.

Рис. 3. Аддитивное производство

Метрология и приборостроение

Полупроводниковые лазеры используются в метрологии и приборостроении, где требуются точные измерения и выравнивание. Они находят применение в таких сферах, как лазерная интерферометрия, лазерные дальномеры и системы выравнивания для промышленного оборудования.

Оптическое зондирование и формирование изображений

Лазеры используются в отраслях оптического зондирования и визуализации. Они могут быть в качестве источников света в спектроскопии, лидарных системах и оптической когерентной томографии (ОКТ), обеспечивая неинвазивный анализ и визуализацию в таких отраслях, как мониторинг окружающей среды, биотехнологии и контроль качества.

Применение в медицинских и биомедицинских исследованиях

Медицинская диагностика

Полупроводниковые лазеры используются в медицинских диагностических устройствах. Например, они используются в лазерно-индуцированной флуоресцентной спектроскопии для анализа образцов тканей и обнаружения раковых клеток. Полупроводниковые лазеры также используются в офтальмологии для таких процедур, как фотокоагуляция сетчатки и операции по коррекции зрения (например, LASIK).

Рис. 4. Лазерные технологии в медицине 

Фотодинамическая терапия

Полупроводниковые лазеры играют важную роль в фотодинамической терапии (ФДТ) - методе лечения некоторых видов рака и других заболеваний. Они активируют фотосенсибилизирующие агенты, которые избирательно разрушают аномальные клетки при воздействии лазерного света.

Биофотоника и биовизуализация

Полупроводниковые лазеры используются в биофотонике и биовизуализации. Они позволяют использовать такие методы, как флуоресцентная визуализация, конфокальная микроскопия и проточная цитометрия для изучения биологических образцов, клеточных структур и молекулярных взаимодействий.

Фотомедицина и фотобиомодуляция

Полупроводниковые лазеры в фотомедицине и фотобиомодуляции необходимы для доставки низкоинтенсивного света, чтобы стимулировать заживление тканей, уменьшить боль, воспаление и способствовать регенерации клеток.

Оптогенетика

Полупроводниковые лазеры играют важную роль в оптогенетике - технике, используемой для контроля и манипулирования активностью нейронов и других клеток с помощью светочувствительных белков. Полупроводниковые лазеры обеспечивают точную длину волны света, необходимую для активации или ингибирования определенных клеток, что помогает в неврологических исследованиях.

Полупроводниковые лазеры продолжают развиваться и находят новое применение в различных областях, улучшая промышленные процессы, способствуя развитию медицины и стимулируя технологические инновации.

Состав устройства

Полупроводниковые лазеры состоят из нескольких слоев различных полупроводниковых материалов. Основная структура полупроводникового лазера включает:

Активная область: Активная область является сердцем полупроводникового лазера и отвечает за генерацию света. Она состоит из материала, который легирован примесями для создания области с избыточными носителями заряда (электронами или дырками). Эта область часто изготавливается из полупроводникового материала с прямой зоной пропускания, такого как арсенид галлия (GaAs) или арсенид индия-галлия (InGaAs).

P-N-переход: Активная область находится между двумя слоями, известными как P-область (положительные носители заряда) и N-область (отрицательные носители заряда). Такая конфигурация образует P-N-переход, который действует как барьер, предотвращающий поток носителей заряда до тех пор, пока лазер не будет активирован.

Зеркала: Концы полупроводниковой лазерной структуры обычно покрыты высокоотражающими материалами, образуя зеркала. Одно зеркало является частично отражающим, чтобы позволить части света выйти наружу, создавая лазерный луч.

Электрические контакты: Металлические контакты прикреплены к P- и N-областям, чтобы обеспечить прохождение электрического тока через устройство. Эти контакты позволяют вводить ток в активную область, что стимулирует излучение света.

Есть полупроводниковые лазеры с вводом оптической энергии, в них луч формируется за счет абсорбции фотонов света, а также квантовые и каскадные лазеры, действие которых основано на переходах внутри зон.

Длина волны

Длина волны света, излучаемого полупроводниковым лазером, зависит от энергетического зазора полупроводникового материала, используемого в активной области. Материалы имеют разные энергетические зазоры, которые определяют энергетические уровни электронов в материале. Разница в энергии между этими уровнями соответствует определенным длинам волн света. Эти соединения – прямозонные полупроводники. Непрямозонные (кремний) света с достаточной силой и эффективностью не излучают.

Рис. 5. Диапазон длин волн 

Обычно используемые полупроводниковые материалы, такие как арсенид галлия (GaAs) и арсенид индия галлия (InGaAs), производят лазерное излучение в ближнем инфракрасном диапазоне. Конкретная длина волны может быть настроена в определенном диапазоне путем изменения состава и легирования полупроводникового материала. Например, полупроводниковые лазеры, работающие в телекоммуникациях, часто излучают свет с длиной волны около 1,3 или 1,5 микрометра. В 3- и 4-компонентных соединениях полупроводников энергия зоны разрыва может непрерывно меняться в широком диапазоне.

Наиболее распространенные полупроводниковые лазеры работают в ближней ИК части спектра, некоторые излучают красный (фосфид галлий-индия), синий или фиолетовый (нитрид галлия) цвета. Среднее инфракрасное излучение создают лазеры полупроводниковые (селенид свинца) и квантовые каскадные лазеры.

В последние годы были достигнуты успехи в разработке полупроводниковых лазеров, излучающих свет в других частях электромагнитного спектра, например, в синем и зеленом диапазонах волн. Эти достижения расширили спектр применения полупроводниковых лазеров, включая технологию дисплеев и медицинское лечение.

Полупроводниковые лазеры - это универсальные устройства, которые отличаются компактными размерами, высокой эффективностью и точным управлением, что делает их незаменимыми во многих технологических и научных областях.

Органические полупроводниковые лазеры 

Органические полупроводниковые лазеры - это тип полупроводникового лазера, в котором в качестве активной среды используются органические (на основе углерода) материалы. В отличие от традиционных неорганических полупроводниковых лазеров, в которых используются неорганические материалы, такие как арсенид галлия или фосфид индия, в них применяются органические соединения или полимеры. Эти материалы обладают уникальными свойствами и преимуществами для лазерных устройств.

Импульсный выход полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры работают в импульсном режиме для генерации лазерных импульсов короткой длительности. Два широко используемых метода для достижения импульсного выхода:

Переключение усиления: Переключение усиления включает модуляцию оптического усиления полупроводникового лазера путем изменения тока инжекции или формы импульса тока. При кратковременном увеличении тока выше порогового уровня происходит накачка среды усиления для создания инверсии населенности, что приводит к импульсному выходу. Полупроводниковые лазеры с переключением усиления могут проводить импульсы длительностью от наносекунд до пикосекунд с умеренной энергией импульса.

Блокировка режима: Режим блокировки - это техника, используемая для генерации сверхкоротких лазерных импульсов. В полупроводниковых лазерах блокировка мод может быть достигнута с помощью различных методов, таких как активная блокировка мод, пассивная и гибридная блокировка мод. Эти методы включают модуляцию показателя преломления или фазы лазерного резонатора для создания серии ультракоротких импульсов с пикосекундной, фемтосекундной или даже аттосекундной длительностью.

Маломощные монолитные лазеры и квантовые генераторы с внешним резонатором для формирования коротких импульсов могут производить синхронизацию мод.

Модуляция

Модуляция полупроводниковых лазеров может быть достигнута следующими методами:

Модуляция постоянным током (AM): Модуляция тока инжекции полупроводникового лазера напрямую модулирует его выходную интенсивность. Изменяя ток на желаемой частоте модуляции, можно соответствующим образом модулировать выходную мощность лазера. Этот метод обычно используется для приложений амплитудной модуляции (AM).

Частотная модуляция (ЧМ): Частотная модуляция полупроводникового лазера включает модуляцию его оптической частоты или длины волны. Это может быть достигнуто путем модуляции тока инжекции или путем подачи внешнего модулирующего сигнала на компонент внутри лазерного резонатора, например, решетку Брэгга. Частотная модуляция необходима в таких приложениях, как частотно-сдвиговая модуляция (FSK) в оптической связи.

Внешняя модуляция: Полупроводниковые лазеры также можно модулировать с помощью внешних устройств или модуляторов, помещенных в оптический тракт после выхода лазера. Примеры включают электрооптические модуляторы, акустооптические модуляторы и интерферометры Маха-Цендера. Внешняя модуляция обеспечивает большую гибкость и контроль над характеристиками модуляции, включая высокоскоростную модуляцию и различные форматы модуляции.

Рис.  9. Структура полупроводникового лазера с гетеропереходом 

Ограничения полупроводниковых лазеров

Полупроводники в электронных устройствах уязвимы к разрядам статического электричества, поэтому лазеры могут выйти из строя, если источник питания нестабилен и колеблется. Кроме того, полупроводниковые лазеры подвержены постепенному старению, они становятся менее эффективными и потребляют больше энергии.

Линза лазера, которая используется для коррекции луча, также может усугубить его хрупкость, и любое повреждение линзы сделает лазер неработоспособным.

Перспективы полупроводниковых лазеров 

Мощные полупроводниковые лазеры своими достижениями произвели революцию в технологической отрасли. Эти лазеры заменили старые технологии и проложили путь для новых продуктов благодаря снижению стоимости и повышению эффективности.

Области применения полупроводниковых лазеров расширяются, и эта тенденция будет продолжаться в поисках экономичных, более мощных и короткоимпульсных лазеров.