Struktur von Dioden- / Halbleiterlasern
Nach dem Lesen dieses Artikels erfahren Sie mehr über die Struktur von Dioden- / Halbleiterlasern. Lernen Sie auch das Funktionsprinzip kennen.
Diese Laser gehören zwar zur Kategorie der Festkörperlaser, unterscheiden sich jedoch in den Details des Betriebs erheblich von anderen Festkörperlasern wie Rubin- und Nd: YAG-Lasern und werden daher als separater Typ betrachtet.
Ein Halbleiterlaser ist im Grunde eine PIN-Diode. Ein Pin-Übergang wird gebildet, indem ein p-Typ und ein n-Typ Halbleiter miteinander mit einer intrinsischen aktiven Schicht in Kontakt gebracht werden. Wenn ein elektrischer Strom durch eine solche Vorrichtung geleitet wird, tritt Laserlicht aus dem Übergangsbereich aus. Die Leistungsabgabe ist begrenzt, aber die niedrigen Kosten, die geringe Größe und der relativ hohe Wirkungsgrad machen diese Laser für eine Vielzahl von Anwendungen gut geeignet.
Diese Laser sind im Aufbau einem Transistor oder einer Halbleiterdiode ähnlich. Der herkömmliche Halbleiterlaser, der Gallium, Arsen und Aluminium verwendet, strahlt üblicherweise Infrarotimpulse mit einer Wellenlänge von 0, 8 bis 0, 9 um mit einer Leistung in der Größenordnung von Watt aus. Forschung mit neuen Materialien, zum Beispiel Indium und Phosphor, hat zu einem Laserstrahl mit längeren Wellenlängen von 1, 1 bis 1, 6 um geführt, was die Effizienz der Lichtübertragung in optischen Fasern erhöht.
Die jüngsten Forschungen auf dem Gebiet der Halbleiterlaser haben zur Entwicklung eines Laserstrahls mit kürzeren Wellenlängen wie sichtbarem, insbesondere des roten Bereichs des Spektrums, geführt. Abb. 14.43 zeigt das Grundkonzept eines Setups für einen Halbleiter- oder Diodenlaser.
Der Halbleiterlaser hat sich seit seiner Erfindung im Jahr 1962 weit entwickelt, wenn auch in einem langsamen Tempo. Dieser langsame Fortschritt auf diesem Gebiet kann der Nichtverfügbarkeit von Techniken zur Herstellung der Halbleitermaterialien mit der gewünschten Reinheit und dem Fehlen einer Festkörperelektronik zugeschrieben werden.
Das jüngste Wachstum in diesem Bereich ist jedoch vielversprechend und es wird erwartet, dass Halbleiterlaser die herkömmlichen Festkörper- und Gaslaser ersetzen werden. Dies ist darauf zurückzuführen, dass sie viele einzigartige Vorteile bieten, z. B. kompakte Abmessungen, hohe Effizienz (bis zu 20%), Wellenlängenunfähigkeit, niedriger Energieverbrauch, Möglichkeit der direkten Ausgangsmodulation und Kompatibilität mit der Massenproduktion.
Arbeitsprinzip:
Der Halbleiterlaser ist ein Zwei-Ebenen-Lasersystem. Der obere Laserzustand ist das Leitungsband und der untere Zustand ist das Valenzband. Der Laserstrahl wird aus der Bandlücke des Halbleiters emittiert. Damit die Laseraktion beginnen kann, ist es erforderlich, durch eine Populationsinversion zwischen den Wertmarken und den Leitungsmarken einen ausreichenden Gewinn zu erzielen. Eine solche Besetzungsumkehrung kann durch externes Pumpen durch Laser, Elektronenstrahlen oder Blitzlampen erzeugt werden; In den meisten kommerziell erhältlichen Halbleiterlasern wird dies jedoch durch internes Pumpen beeinflusst, dh durch elektrisches Pumpen mit einem PN-Übergang.
Es gibt viele Ausführungen von Halbleiterlasern. Einige der wichtigsten sind die folgenden:
1. Laser mit verteiltem Feedback (DFB).
2. Laser mit gekoppelten Hohlräumen.
3. Quantum-Well-Laser.
4. Oberflächenemittierende Laser.
5. Infrarot- und Laserstrahllaser.
Strukturell verschiedene Typen sind wie folgt:
(i) Breitflächenlaser,
(ii) verstärkungsgeführte Laser,
(iii) wöchentlich indexgeleitete Laser,
(a) Ridge-Wave-Laser,
(b) Rippenwellengeführte Laser,
(iv) Stark indexgeleitete Laser.
Die Ausgangsleistung von Halbleiter- / Diodenlasern variiert von 1 mW für einzelne Laser bis zu 0, 5 W für phasenverriegelte Arrays von Dioden, die in ein gemeinsames Substrat eingebaut sind. Bei Diodenlasern kann der Wirkungsgrad bis zu 20% betragen. Diese Laser können sowohl im Dauerstrich- (CW) als auch im Pulswellenmodus (PW) mit hohen Wiederholungsraten betrieben werden.
