לייזרים מוליכים למחצה הם מחוללים קוונטיים המבוססים על מדיום פעיל מוליכים למחצה בו נוצרת הגברה אופטית על ידי פליטה מעוררת במהלך מעבר קוונטי בין רמות אנרגיה בריכוז גבוה של נושאי מטען באזור החופשי.
לייזר מוליכים למחצה: עקרון הפעולה
במצב רגיל, רוב האלקטרונים ממוקמים ברמת הערכיות. כאשר פוטונים מספקים אנרגיה העולה על האנרגיה של אזור אי ההמשכיות, האלקטרונים של המוליך למחצה מגיעים למצב של עירור ולאחר שהתגברו על האזור האסור, עוברים לאזור החופשי, ומתרכזים בקצה התחתון שלו. במקביל, החורים הנוצרים ברמת הערכיות עולים לגבול העליון שלו. אלקטרונים באזור החופשי מתחברים עם חורים, ומקרינים אנרגיה השווה לאנרגיה של אזור אי ההמשכיות בצורה של פוטונים. ניתן לשפר את הרקומבינציה על ידי פוטונים בעלי רמות אנרגיה מספקות. התיאור המספרי מתאים לפונקציית התפלגות Fermi.
Device
מכשיר לייזר מוליכים למחצההיא דיודת לייזר הנשאבת באנרגיה של אלקטרונים וחורים באזור הצומת p-n - נקודת המגע של מוליכים למחצה בעלי מוליכות מסוג p ו-n. בנוסף, ישנם לייזרים מוליכים למחצה עם אספקת אנרגיה אופטית, בהם הקרן נוצרת על ידי קליטת פוטונים של אור, וכן לייזרים מפל קוונטיים, אשר פעולתם מבוססת על מעברים בתוך פסים.
Composition
חיבורים סטנדרטיים המשמשים הן בלייזרים מוליכים למחצה והן בהתקנים אופטואלקטרוניים אחרים הם כדלקמן:
- gallium arsenide;
- גליום פוספיד;
- גליום ניטריד;
- אינדיום פוספיד;
- אינדיום-גליום ארסניד;
- גליום אלומיניום ארסניד;
- גליום-אינדיום ארסניד ניטריד;
- גליום-אינדיום פוספיד.
אורך גל
תרכובות אלו הן מוליכים למחצה עם פערים ישירים. אור מרווח עקיף (סיליקון) אינו פולט בעוצמה וביעילות מספקת. אורך הגל של קרינת הלייזר של הדיודה תלוי במידת הקירוב של אנרגיית הפוטון לאנרגיית אזור אי ההמשכיות של תרכובת מסוימת. בתרכובות מוליכים למחצה בני 3 ו-4 רכיבים, אנרגיית אזור אי ההמשכיות יכולה להשתנות ברציפות על פני טווח רחב. עבור AlGaAs=AlxGa1-xAs, למשל, עלייה בתכולת האלומיניום (עלייה ב-x) גורמת לעלייה ב- אנרגיה של אזור אי ההמשכיות.
בעוד שהלייזרים המוליכים למחצה הנפוצים ביותר פועלים באינפרא אדום הקרוב, חלקם פולטים צבעי אדום (אינדיום גליום פוספיד), כחול או סגול (גליום ניטריד).קרינה אמצע אינפרא אדום מופקת על ידי לייזרים מוליכים למחצה (עופרת סלניד) ולייזרי מפל קוונטים.
מוליכים למחצה אורגניים
בנוסף לתרכובות האנאורגניות הנ ל, ניתן להשתמש גם בתרכובות אורגניות. הטכנולוגיה המקבילה עדיין בפיתוח, אך פיתוחה מבטיח להוזיל משמעותית את עלות הייצור של מחוללים קוונטיים. עד כה פותחו רק לייזרים אורגניים עם אספקת אנרגיה אופטית, ועדיין לא הושגה שאיבה חשמלית יעילה ביותר.
זנים
לייזרים מוליכים למחצה רבים נוצרו, שונים בפרמטרים ובערך המיושם.
דיודות לייזר קטנות מייצרות אלומת קרינת קצה איכותית, שעוצמתה נע בין כמה לחמש מאות מיליוואט. גביש דיודת הלייזר הוא צלחת מלבנית דקה המשמשת כמוביל גל, מאחר והקרינה מוגבלת לחלל קטן. הקריסטל מסומם משני הצדדים כדי ליצור צומת p-n של שטח גדול. הקצוות המלוטשים יוצרים מהוד אופטי של Fabry-Perot. פוטון שעובר דרך המהוד יגרום לרקומבינציה, הקרינה תגדל, והיצור יתחיל. משמש במצביעי לייזר, נגני CD ו-DVD, ותקשורת סיבים אופטיים.
לייזרים מונוליטיים בהספק נמוך ומחוללי קוואנטים עם מהוד חיצוני ליצירת פולסים קצרים יכולים לייצר נעילת מצב.
לייזריםמוליך למחצה עם מהוד חיצוני מורכב מדיודת לייזר, הממלאת את התפקיד של מדיום הגברה בהרכב של מהוד לייזר גדול יותר. הם מסוגלים לשנות אורכי גל ויש להם פס פליטה צר.
ללייזרים מוליכים למחצה בהזרקה יש אזור פליטה בצורה של פס רחב, יכולים ליצור אלומה באיכות נמוכה בהספק של מספר וואטים. הם מורכבים משכבה פעילה דקה הממוקמת בין שכבת p ו-n, ויוצרת הטרוג'נקציה כפולה. אין מנגנון לשמירה על האור בכיוון הרוחבי, מה שגורם לאליפטיות של אלומה גבוהה וזרמי סף גבוהים באופן בלתי מקובל.
פסי דיודה חזקים, המורכבים ממערך של דיודות פס רחב, מסוגלים להפיק אלומה באיכות בינונית בהספק של עשרות וואט.
מערכים דו-מימדיים רבי עוצמה של דיודות יכולים לייצר כוח במאות ואלפי וואט.
לייזרים פולטי שטח (VCSELs) פולטים אלומת אור איכותית בהספק של מספר מיליוואטים בניצב ללוח. מראות תהודה מיושמות על משטח הקרינה בצורה של שכבות באורך גל של ¼ עם מדדי שבירה שונים. ניתן לייצר כמה מאות לייזרים על שבב בודד, מה שפותח את האפשרות לייצור המוני.
VECSEL לייזרים עם ספק כוח אופטי ומהוד חיצוני מסוגלים להפיק קרן באיכות טובה בהספק של מספר וואטים בנעילת מצב.
פעולתו של לייזר קוונטי מוליך למחצה-סוג מפל מבוסס על מעברים בתוך האזורים (בניגוד לבין-אזורים). מכשירים אלו פולטים באזור האינפרא אדום האמצעי, לפעמים בטווח הטרה-הרץ. הם משמשים, למשל, כמנתחי גז.
לייזרים מוליכים למחצה: יישום והיבטים עיקריים
לייזרי דיודה חזקים עם שאיבה חשמלית ביעילות גבוהה במתחים מתונים משמשים כאמצעי להנעת לייזרים במצב מוצק ביעילות גבוהה.
לייזרים מוליכים למחצה יכולים לפעול על פני טווח תדרים רחב, הכולל את החלקים הנראים, הקרובים לאינפרא אדום ואמצע האינפרא אדום של הספקטרום. נוצרו מכשירים המאפשרים גם לשנות את תדירות הפליטה.
דיודות לייזר יכולות לעבור ולוונן במהירות כוח אופטי, אשר מוצא יישום במשדרי סיבים אופטיים.
מאפיינים כאלה הפכו את לייזרים מוליכים למחצה מבחינה טכנולוגית לסוג החשוב ביותר של מחוללים קוונטיים. הם חלים:
- בחיישני טלמטריה, פירומטרים, מדי גובה אופטיים, מדדי טווח, מראות, הולוגרפיה;
- במערכות סיבים אופטיים של שידור אופטי ואחסון נתונים, מערכות תקשורת קוהרנטיות;
- במדפסות לייזר, מקרני וידאו, מצביעים, סורקי ברקוד, סורקי תמונות, נגני CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- במערכות אבטחה, הצפנה קוונטית, אוטומציה, מחוונים;
- במטרולוגיה אופטית וספקטרוסקופיה;
- בכירורגיה, רפואת שיניים, קוסמטולוגיה, טיפול;
- לטיפול במים,עיבוד חומרים, שאיבת לייזר במצב מוצק, בקרת תגובה כימית, מיון תעשייתי, הנדסת תעשייה, מערכות הצתה, מערכות הגנה אווירית.
פלט דופק
רוב הלייזרים מוליכים למחצה מייצרים קרן רציפה. בשל זמן השהייה הקצר של אלקטרונים ברמת ההולכה, הם אינם מתאימים במיוחד להפקת פולסים מתווית Q, אך אופן הפעולה המעין-רציף מאפשר הגדלה משמעותית של הספק של המחולל הקוונטי. בנוסף, ניתן להשתמש בלייזרים מוליכים למחצה ליצירת פולסים קצרים במיוחד עם נעילת מצבים או החלפת רווח. ההספק הממוצע של פולסים קצרים מוגבל בדרך כלל לכמה מיליוואטים, למעט לייזרים VECSEL שאובים אופטית, שתפוקתם נמדדת על ידי פולסים של פיקו-שניות מרובי וואט בתדר של עשרות גיגה-הרץ.
מודולציה וייצוב
היתרון בשהייה הקצרה של אלקטרון בפס ההולכה הוא היכולת של לייזרים מוליכים למחצה לאפנון בתדר גבוה, אשר עבור לייזרים VCSEL עולה על 10 גיגה-הרץ. זה מצא יישום בהעברת נתונים אופטית, ספקטרוסקופיה, ייצוב לייזר.
