Хагас дамжуулагч лазерууд нь чөлөөт бүс дэх цэнэгийн тээвэрлэгчдийн өндөр концентрацитай энергийн түвшин хоорондын квант шилжилтийн үед өдөөгдсөн ялгаралтаар оптик олшруулалтыг бий болгодог хагас дамжуулагч идэвхтэй орчинд суурилсан квант генератор юм.
Хагас дамжуулагч лазер: үйл ажиллагааны зарчим
Хэвийн төлөвт ихэнх электронууд валентын түвшинд байрладаг. Фотонууд тасалдсан бүсийн энергийг давсан энергийг хангах үед хагас дамжуулагчийн электронууд өдөөх төлөвт орж, хориотой бүсийг даван гарч чөлөөт бүсэд орж, доод ирмэг дээр төвлөрдөг. Үүний зэрэгцээ валентын түвшинд үүссэн нүхнүүд түүний дээд хил хүртэл нэмэгддэг. Чөлөөт бүсийн электронууд нүхнүүдтэй дахин нэгдэж, фотон хэлбэрээр тасалдсан бүсийн энергитэй тэнцэх энерги ялгаруулдаг. Рекомбинацийг хангалттай эрчим хүчний түвшинтэй фотоноор сайжруулж болно. Тоон тайлбар нь Ферми тархалтын функцтэй тохирч байна.
Төхөөрөмж
Хагас дамжуулагч лазер төхөөрөмжp-n-холболтын бүсэд электрон ба нүхний энергийг шахдаг лазер диод - p- ба n төрлийн дамжуулалттай хагас дамжуулагчийн контактын цэг. Нэмж дурдахад гэрлийн фотоныг шингээх замаар цацраг үүсгэдэг оптик эрчим хүчний хангамжтай хагас дамжуулагч лазерууд, түүнчлэн зурвасын шилжилт дээр суурилдаг квант каскадын лазерууд байдаг.
Бүтэц
Хагас дамжуулагч лазер болон бусад оптоэлектроник төхөөрөмжүүдэд ашигладаг стандарт холболтууд дараах байдалтай байна:
- галийн арсенид;
- галийн фосфид;
- галийн нитрид;
- индиум фосфид;
- инди-галийн арсенид;
- галийн хөнгөн цагаан арсенид;
- галли-индиум арсений нитрид;
- галли-инди фосфид.
Долгионы урт
Эдгээр нэгдлүүд нь шууд зайтай хагас дамжуулагч юм. Шууд бус цоорхой (цахиур) гэрэл нь хангалттай хүч чадал, үр ашигтайгаар ялгардаггүй. Диодын лазерын цацрагийн долгионы урт нь тодорхой нэгдлийн тасалдалтай бүсийн энергитэй фотоны энергийг ойртуулах зэргээс хамаарна. 3 ба 4 бүрэлдэхүүн хэсэгтэй хагас дамжуулагч нэгдлүүдийн хувьд тасалдалын бүсийн энерги нь өргөн хүрээний хувьд тасралтгүй өөрчлөгдөж болно. AlGaAs-ийн хувьд=AlxGa1-xЖишээ нь, хөнгөн цагааны агууламж ихсэх (x-ийн өсөлт) нь тасалдлын бүсийн эрчим хүч.
Хамгийн түгээмэл хагас дамжуулагч лазерууд ойрын хэт улаан туяанд ажилладаг бол зарим нь улаан (индий галлийн фосфид), хөх эсвэл нил ягаан (галийн нитрид) өнгө ялгаруулдаг. Дунд зэргийн хэт улаан туяаны цацрагийг хагас дамжуулагч лазер (хар тугалганы селенид) болон квант каскадын лазераар үүсгэдэг.
Органик хагас дамжуулагч
Дээр дурдсан органик бус нэгдлүүдээс гадна органик нэгдлүүдийг ч ашиглаж болно. Холбогдох технологийг боловсруулж байгаа боловч түүний хөгжүүлэлт нь квант генераторын үйлдвэрлэлийн зардлыг мэдэгдэхүйц бууруулах амлалт өгч байна. Одоогийн байдлаар зөвхөн оптик эрчим хүчний хангамжтай органик лазерыг бүтээсэн бөгөөд өндөр үр ашигтай цахилгаан шахалт хараахан болоогүй байна.
Сортууд
Параметр болон хэрэглэгдэх утгаараа ялгаатай олон хагас дамжуулагч лазерууд бүтээгдсэн.
Жижиг лазер диодууд нь өндөр чанарын ирмэгийн цацраг үүсгэдэг бөгөөд түүний хүч нь хэдэн зуун милливаттаас таван зуун милливаттын хооронд хэлбэлздэг. Лазер диодын болор нь нимгэн тэгш өнцөгт хавтан бөгөөд долгионы чиглүүлэгчийн үүрэг гүйцэтгэдэг, учир нь цацраг нь жижиг орон зайд хязгаарлагддаг. Том талбайн p-n уулзвар үүсгэхийн тулд болорыг хоёр талдаа нэмэлтээр дүүргэдэг. Өнгөлсөн төгсгөлүүд нь оптик Fabry-Perot резонаторыг үүсгэдэг. Резонатороор дамжин өнгөрөх фотон нь рекомбинацийг үүсгэж, цацраг туяа нэмэгдэж, үүсэж эхэлнэ. Лазер заагч, CD, DVD тоглуулагч, шилэн кабелийн холболтод ашигладаг.
Богино импульс үүсгэх гадаад резонатор бүхий бага чадлын цул лазер болон квант генераторууд горим түгжих боломжтой.
ЛазерГадны резонатор бүхий хагас дамжуулагч нь лазер диодоос бүрддэг бөгөөд энэ нь илүү том лазер резонаторын найрлагад өсгөгч орчны үүрэг гүйцэтгэдэг. Тэд долгионы уртыг өөрчлөх чадвартай бөгөөд ялгаруулалтын нарийн зурвастай.
Тарилгын хагас дамжуулагч лазерууд нь өргөн зурвас хэлбэрээр ялгарах бүстэй бөгөөд хэд хэдэн ваттын чадалтай чанар муутай цацраг үүсгэж чаддаг. Эдгээр нь p ба n давхаргын хооронд байрлах нимгэн идэвхтэй давхаргаас тогтдог бөгөөд давхар гетеро холболт үүсгэдэг. Хажуугийн чиглэлд гэрлийг хадгалах механизм байхгүй бөгөөд энэ нь өндөр туяа болон хүлээн зөвшөөрөгдөөгүй өндөр босго гүйдэлд хүргэдэг.
Өргөн зурвасын диодуудаас бүрдэх хүчирхэг диодын баар нь хэдэн арван ваттын чадалтай дунд зэргийн чанартай цацраг үүсгэх чадвартай.
Хүчтэй хоёр хэмжээст диод массив нь хэдэн зуу, мянган ваттын хүчийг үүсгэж чадна.
Гадаргуу ялгаруулагч лазерууд (VCSELs) хавтанд перпендикуляр хэдэн милливаттын чадалтай өндөр чанартай гэрлийн туяа ялгаруулдаг. Резонатор толин тусгалыг цацрагийн гадаргуу дээр янз бүрийн хугарлын индекс бүхий ¼ долгионы урттай давхарга хэлбэрээр хэрэглэнэ. Нэг чип дээр хэдэн зуун лазер хийх боломжтой бөгөөд энэ нь бөөнөөр үйлдвэрлэх боломжийг нээж өгдөг.
Оптик тэжээлийн эх үүсвэр, гадаад резонатор бүхий VECSEL лазерууд нь түгжих горимд хэд хэдэн ваттын чадалтай сайн чанарын цацраг үүсгэх чадвартай.
Хагас дамжуулагч лазерын квант-каскадын төрөл нь бүсийн доторх шилжилт дээр суурилдаг (зөв хоорондын бүсээс ялгаатай). Эдгээр төхөөрөмжүүд нь дунд хэт улаан туяаны бүсэд, заримдаа терагерцийн мужид ялгардаг. Тэдгээрийг жишээлбэл, хийн анализатор болгон ашигладаг.
Хагас дамжуулагч лазер: хэрэглээ ба үндсэн талууд
Дунд хүчдэлд өндөр үр ашигтай цахилгаан шахах чадвартай хүчирхэг диод лазерыг өндөр үр ашигтай хатуу төлөвт лазерыг тэжээх хэрэгсэл болгон ашигладаг.
Хагас дамжуулагч лазер нь спектрийн харагдахуйц, ойрын хэт улаан туяаны болон дунд хэт улаан туяаны хэсгүүдийг багтаасан өргөн давтамжийн мужид ажиллах боломжтой. Танд ялгаралтын давтамжийг өөрчлөх боломжтой төхөөрөмжүүдийг бүтээсэн.
Лазер диодууд нь оптик хүчийг хурдан сольж, хувиргах чадвартай бөгөөд энэ нь шилэн кабелийн дамжуулагчийн хэрэглээг олдог.
Ийм шинж чанарууд нь хагас дамжуулагч лазерыг технологийн хувьд квант генераторын хамгийн чухал төрөл болгосон. Тэд дараахыг хэрэглэнэ:
- телеметрийн мэдрэгч, пирометр, оптик өндөр хэмжигч, зай хэмжигч, хараа, голографт;
- оптик дамжуулах болон өгөгдөл хадгалах шилэн кабелийн системд, уялдаа холбоо бүхий системд;
- лазер принтер, видео проектор, заагч, бар код сканнер, зураг сканнер, CD тоглуулагч (DVD, CD, Blu-Ray);
- аюулгүй байдлын систем, квант криптограф, автоматжуулалт, үзүүлэлтүүд;
- оптик хэмжил зүй ба спектроскопод;
- мэс засал, шүд, гоо сайхан, эмчилгээнд;
- ус цэвэршүүлэх,материал боловсруулах, хатуу төлөвт лазер шахах, химийн урвалын хяналт, үйлдвэрлэлийн ангилах, үйлдвэрлэлийн инженерчлэл, гал асаах систем, агаарын довтолгооноос хамгаалах систем.
Импульсийн гаралт
Ихэнх хагас дамжуулагч лазерууд тасралтгүй туяа үүсгэдэг. Дамжуулалтын түвшинд электронуудын оршин суух хугацаа богино тул Q-шилжсэн импульс үүсгэхэд тийм ч тохиромжтой биш боловч бараг тасралтгүй ажиллах горим нь квант генераторын хүчийг мэдэгдэхүйц нэмэгдүүлэх боломжийг олгодог. Нэмж дурдахад хагас дамжуулагч лазерыг горимыг түгжих эсвэл олз солих замаар хэт богино импульс үүсгэхэд ашиглаж болно. Богино импульсийн дундаж хүч нь ихэвчлэн хэдэн милливаттаар хязгаарлагддаг. Оптик шахдаг VECSEL лазерыг эс тооцвол гаралт нь хэдэн арван гигагерц давтамжтай олон ваттын пикосекундын импульсээр хэмжигддэг.
Модуляци ба тогтворжуулалт
Дамжуулах зурваст электрон богино байхын давуу тал нь хагас дамжуулагч лазерууд VCSEL лазерын хувьд 10 ГГц-ээс хэтэрсэн өндөр давтамжийн модуляц хийх чадвартай байдаг. Энэ нь оптик өгөгдөл дамжуулах, спектроскопи, лазер тогтворжуулалтад хэрэглэгдэхүүнийг олсон.
