Лазерный диод - Laser diode

Вверху: упакованный лазерный диод, обозначенный пенни для масштаба. Внизу: чип лазерного диода извлекается из вышеуказанной упаковки и помещается на игольное ушко для измерения масштаба.
Лазерный диод со срезанным корпусом. Микросхема лазерного диода - это маленькая черная микросхема спереди; Фотодиод на задней панели используется для управления выходной мощностью.
SEM (растровый электронный микроскоп ) изображение промышленного лазерного диода с вырезанными корпусом и окном. Анодное соединение справа было случайно сломано в процессе разрезания корпуса.

А лазерный диод, (LD), инжекционный лазерный диод (ILD), или диодный лазер это полупроводник устройство, похожее на светодиод в котором диод, накачиваемый непосредственно электрическим током, может создавать генерация условия на диоде соединение.[1]:3 Лазерные диоды могут напрямую преобразовывать электрическую энергию в свет. Легированный p-n-переход, управляемый напряжением, позволяет рекомбинация электрона с дыра. Из-за падения электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий генерируется излучение в виде испускаемого фотона. Это спонтанное излучение. Стимулированное излучение может возникать, когда процесс продолжается, и в дальнейшем генерируется свет с той же фазой, когерентностью и длиной волны.

Выбор полупроводникового материала определяет длину волны излучаемого луча, которая в современных лазерных диодах находится в диапазоне от инфракрасного до ультрафиолетового спектра. Лазерные диоды являются наиболее распространенным типом производимых лазеров с широким спектром применения, включая: волоконно-оптическая связь, считыватели штрих-кода, лазерные указки, компакт диск /DVD /Блю рей чтение / запись дисков, лазерная печать, лазерное сканирование и луч света освещение. С использованием люминофора, такого как на белом Светодиоды, Лазерные диоды можно использовать для общего освещения.

Теория работы простого диода

Полупроводниковые лазеры (660 нм, 635 нм, 532 нм, 520 нм, 445 нм, 405 нм)

Лазерный диод электрически PIN-диод. Активная область лазерного диода находится в собственной (I) области, и носители (электроны и дырки) накачиваются в эту область из областей N и P соответственно. В то время как первоначальные исследования диодных лазеров проводились на простых диодах P-N, все современные лазеры используют реализацию с двойной гетероструктурой, где носители и фотоны ограничены, чтобы максимизировать их шансы на рекомбинацию и генерацию света. В отличие от обычного диода, цель лазерного диода - рекомбинировать все носители в I-области и производить свет. Таким образом, лазерные диоды изготавливаются с использованием прямая запрещенная зона полупроводники. Лазерный диод эпитаксиальный структура выращена с использованием одного из рост кристаллов техники, обычно начиная с N допированный подложки и выращивания активного слоя, легированного I, а затем облицовка, и контактный слой. Активный слой чаще всего состоит из квантовые ямы, которые обеспечивают более низкий пороговый ток и более высокий КПД.[1][страница нужна ]

Электрическая и оптическая накачка

Лазерные диоды составляют подмножество более крупной классификации полупроводников. п-п переходные диоды. Прямое электрическое смещение лазерного диода вызывает два вида носитель заряда – дыры и электроны - «закачиваться» с противоположных сторон п-п переход в область истощения. Отверстия вводятся из п-дегированные, а электроны из п-дегированный, полупроводниковый. (А область истощения, лишенный каких-либо носителей заряда, образуется в результате разности электрических потенциалов между п- и пполупроводникового типа везде, где они находятся в физическом контакте.) Из-за использования инжекции заряда в большинстве диодных лазеров этот класс лазеров иногда называют инжекционными лазерами или инжекционными лазерными диодами (ILD). Поскольку диодные лазеры являются полупроводниковыми приборами, их также можно отнести к полупроводниковым лазерам. Любое обозначение отличает диодные лазеры от твердотельные лазеры.

Еще один метод питания некоторых диодных лазеров - это использование оптическая накачка. Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой (OPSL) используют полупроводниковый чип III-V в качестве усиливающей среды и другой лазер (часто другой диодный лазер) в качестве источника накачки. OPSL предлагает несколько преимуществ перед ILD, в частности, в выборе длины волны и отсутствии помех от внутренних электродных структур.[2][3] Еще одним преимуществом OPSL является неизменность параметров пучка - расходимости, формы и направления - при изменении мощности накачки (и, следовательно, выходной мощности), даже при соотношении выходной мощности 10: 1.[4]

Генерация спонтанного излучения

Когда электрон и дырка находятся в одной и той же области, они могут рекомбинировать или «аннигилировать», создавая спонтанное излучение - т.е. электрон может повторно занять энергетическое состояние дырки, испуская фотон с энергией, равной разнице между исходным состоянием электрона и состоянием дырки. (В обычном диоде с полупроводниковым переходом энергия, выделяемая при рекомбинации электронов и дырок, уносится как фононы, т.е. колебания решетки, а не в виде фотонов.) Спонтанное излучение ниже порог генерации производит аналогичные свойства СВЕТОДИОД. Спонтанное излучение необходимо для инициирования генерации лазера, но это один из нескольких источников неэффективности, когда лазер колеблется.

Прямые и непрямые запрещенные полупроводники

Разница между полупроводниковым лазером, излучающим фотоны, и обычным диодом на полупроводниковом переходе, излучающим фононы (не излучающим свет), заключается в типе используемого полупроводника, физическая и атомная структура которого дает возможность излучения фотонов. Эти излучающие фотоны полупроводники представляют собой так называемые "прямая запрещенная зона" полупроводники. Свойства кремния и германия, которые являются одноэлементными полупроводниками, имеют запрещенные зоны, которые не выстраиваются таким образом, чтобы позволить излучение фотонов, и не считаются «прямыми». Другие материалы, так называемые составные полупроводники, имеют практически идентичные кристаллические структуры, как кремний или германий, но используют чередующееся расположение двух разных видов атомов в виде шахматной доски, чтобы нарушить симметрию. Переход между материалами в чередующемся узоре создает критический "прямая запрещенная зона " свойство. Арсенид галлия, фосфид индия, антимонид галлия, и нитрид галлия Все это примеры сложных полупроводниковых материалов, которые можно использовать для создания переходных диодов, излучающих свет.

Схема простого лазерного диода, такого как показано выше; не в масштабе
Простой и маломощный лазерный диод в металлическом корпусе

Генерация стимулированного излучения

В отсутствие условий вынужденного излучения (например, генерации) электроны и дырки могут сосуществовать рядом друг с другом без рекомбинации в течение определенного времени, называемого «временем жизни верхнего состояния» или «временем рекомбинации» (около наносекунды для типичные материалы для диодных лазеров) до их рекомбинации. Близлежащий фотон с энергией, равной энергии рекомбинации, может вызвать рекомбинацию за счет стимулированное излучение. Это генерирует другой фотон той же частоты, поляризация, и фаза, движущийся в том же направлении, что и первый фотон. Это означает, что стимулированное излучение вызовет усиление оптической волны (правильной длины волны) в области инжекции, и усиление возрастает по мере увеличения количества электронов и дырок, инжектированных через переход. Процессы спонтанного и вынужденного излучения намного эффективнее в прямая запрещенная зона полупроводники, чем в непрямая запрещенная зона полупроводники; следовательно кремний не является обычным материалом для лазерных диодов.

Оптический резонатор и лазерные моды

Как и в других лазерах, область усиления окружена оптический резонатор сформировать лазер. В простейшей форме лазерного диода на поверхности кристалла делается оптический волновод, так что свет ограничивается относительно узкой линией. Два конца кристалла расколоты, образуя идеально гладкие параллельные края, образующие Фабри-Перо резонатор. Фотоны, испускаемые в моде волновода, будут перемещаться по волноводу и несколько раз отражаться от каждого торца перед тем, как выйти. Когда световая волна проходит через полость, она усиливается стимулированное излучение, но свет также теряется из-за поглощения и неполного отражения от торцевых граней. Наконец, если усиление больше, чем потерь, диод начинает "лазить ".

Некоторые важные свойства лазерных диодов определяются геометрией оптического резонатора. Обычно свет содержится в очень тонком слое, и структура поддерживает только одну оптическую моду в направлении, перпендикулярном слоям. В поперечном направлении, если волновод широк по сравнению с длиной волны света, то волновод может поддерживать несколько поперечные оптические моды, а лазер известен как «многомодовый». Эти поперечно-многомодовые лазеры подходят для случаев, когда требуется очень большая мощность, но не небольшая. дифракционно ограниченный Балка ТЭМ00; например, в печати, активации химикатов, микроскопии или накачивание другие типы лазеров.

В приложениях, где требуется небольшой сфокусированный луч, волновод должен быть узким, порядка длины оптической волны. Таким образом, поддерживается только одна поперечная мода, а в итоге получается пучок с ограничением дифракции. Такие устройства с одной пространственной модой используются для оптических накопителей, лазерных указателей и волоконной оптики. Обратите внимание, что эти лазеры по-прежнему могут поддерживать несколько продольных мод и, таким образом, могут генерировать одновременно несколько длин волн. Длина излучаемой волны является функцией ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и мод оптического резонатора. В общем, максимальное усиление будет иметь место для фотонов с энергией, немного превышающей энергию запрещенной зоны, и моды, ближайшие к пику кривой усиления, будут генерировать наиболее сильную генерацию. Ширина кривой усиления будет определять количество дополнительных «побочных мод», которые также могут генерироваться, в зависимости от условий эксплуатации. Лазеры с одной пространственной модой, которые могут поддерживать несколько продольных мод, называются лазерами Фабри Перо (FP). Лазер FP будет генерировать генерацию на нескольких модах резонатора в пределах полосы усиления лазера. Количество режимов генерации в FP-лазере обычно нестабильно и может колебаться из-за изменений тока или температуры.

Одномодовые диодные лазеры с пространственной модой могут быть спроектированы так, чтобы работать на одной продольной моде. Эти одночастотные диодные лазеры обладают высокой степенью стабильности и используются в спектроскопии и метрологии, а также в качестве эталонов частоты. Одночастотные диодные лазеры классифицируются как лазеры с распределенной обратной связью (DFB) или лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR).

Формирование лазерного луча

Из-за дифракция, луч быстро расходится (расширяется) после выхода из чипа, обычно под углом 30 градусов по вертикали и 10 градусов по горизонтали. линза должен использоваться для формирования коллимированного луча, подобного лучу, создаваемому лазерной указкой. Если требуется круговой луч, используются цилиндрические линзы и другая оптика. Для одномодовых пространственных лазеров, использующих симметричные линзы, коллимированный луч оказывается эллиптическим. по форме из-за разницы в вертикальном и поперечном расхождениях. Это легко заметить по красной лазерная указка.

Описанный выше простой диод в последние годы был сильно модифицирован с учетом современных технологий, что привело к появлению множества типов лазерных диодов, как описано ниже.

Типы

Простая структура лазерного диода, описанная выше, неэффективна. Такие устройства требуют такой большой мощности, что без повреждений могут работать только в импульсном режиме. Хотя такие устройства исторически важны и их легко объяснить, они непрактичны.

Лазеры на двойной гетероструктуре

Схема, вид спереди лазерного диода с двойной гетероструктурой; не в масштабе

В этих устройствах слой низкого запрещенная зона материал зажат между двумя слоями с высокой шириной запрещенной зоны. Одна из часто используемых пар материалов - это арсенид галлия (GaAs) с арсенид алюминия-галлия (AlИксGa(1-х)Так как). Каждое соединение между различными материалами запрещенной зоны называется гетероструктура отсюда и название «лазер с двойной гетероструктурой» или DH лазер. Тип лазерного диода, описанный в первой части статьи, можно назвать гомосоединение лазер, чтобы контрастировать с этими более популярными устройствами.

Преимущество DH-лазера заключается в том, что область, в которой одновременно существуют свободные электроны и дырки, - активная область - приурочен к тонкому среднему слою. Это означает, что гораздо больше электронно-дырочных пар может вносить вклад в усиление - не так много пар остается на периферии с плохим усилением. Кроме того, свет отражается внутри гетероперехода; следовательно, свет ограничивается областью, в которой происходит усиление.

Лазеры на квантовых ямах

Основная статья: Лазер на квантовой яме
Диаграмма вида спереди простого лазерного диода с квантовой ямой; не в масштабе

Если средний слой сделать достаточно тонким, он действует как квантовая яма. Это означает, что вертикальное изменение электронного волновая функция, и, таким образом, составляющая его энергии квантуется. Эффективность лазер с квантовой ямой больше, чем у объемного лазера, потому что плотность состояний Функция электронов в системе квантовой ямы имеет резкий край, который концентрирует электроны в энергетических состояниях, которые вносят вклад в лазерное воздействие.

Лазеры, содержащие более одного слоя квантовой ямы, известны как множественная квантовая яма лазеры. Множественные квантовые ямы улучшают перекрытие области усиления с оптическим волновод Режим.

Дальнейшее повышение эффективности лазера также было продемонстрировано за счет уменьшения слоя квантовой ямы до квантовая проволока или в «море» квантовые точки.

Квантовые каскадные лазеры

Основная статья: Квантовый каскадный лазер

В квантовый каскадный лазер, для лазерного перехода используется разность уровней энергии квантовой ямы вместо ширины запрещенной зоны. Это дает возможность лазерного воздействия на относительно длительных длины волн, который можно настроить, просто изменив толщину слоя. Это лазеры на гетеропереходе.

Межзонные каскадные лазеры

Основная статья: Межполосный каскадный лазер

An Межполосный каскадный лазер (ICL) - это тип лазерного диода, который может генерировать когерентное излучение в большей части средней инфракрасной области электромагнитного спектра.

Лазеры на гетероструктурах с раздельным ограничением

Диаграмма вида спереди лазерного диода с квантовыми ямами с раздельной гетероструктурой; не в масштабе

Проблема с описанным выше простым диодом с квантовыми ямами заключается в том, что тонкий слой слишком мал, чтобы эффективно ограничивать свет. Для компенсации добавляются еще два слоя помимо первых трех. Эти слои имеют нижнюю показатель преломления чем центральные слои, и, следовательно, эффективно ограничивают свет. Такая конструкция называется лазерным диодом на гетероструктуре с раздельным ограничением (SCH).

Почти все коммерческие лазерные диоды с 1990-х годов были диодами с квантовыми ямами SCH.[нужна цитата ]

Лазеры с распределенным брэгговским отражателем

А лазер с распределенным брэгговским отражателем (DBR) представляет собой одночастотный лазерный диод.[5] Он характеризуется оптический резонатор состоящий из области усиления с электрической или оптической накачкой между двумя зеркалами для обеспечения обратной связи. Одно из зеркал представляет собой широкополосный отражатель, а другое зеркало избирательно по длине волны, так что усиление благоприятствует одной продольной моде, что приводит к генерации на одной резонансной частоте. Широкополосное зеркало обычно покрывается покрытием с низким коэффициентом отражения для обеспечения излучения. Селективное зеркало по длине волны представляет собой периодически структурированное дифракционная решетка с высокой отражательной способностью. Дифракционная решетка находится в не накачиваемой или пассивной области полости. DBR-лазер представляет собой монолитное однокристальное устройство с решеткой, вытравленной в полупроводнике. Лазеры DBR могут быть лазерами с торцевым излучением или VCSEL. Альтернативные гибридные архитектуры, которые имеют ту же топологию, включают в себя диодные лазеры с расширенным резонатором и лазеры с объемной брэгговской решеткой, но они должным образом не называются DBR-лазерами.

Лазеры с распределенной обратной связью

Основная статья: Лазер с распределенной обратной связью

А лазер с распределенной обратной связью (DFB) - это одночастотный лазерный диод.[5] DFB - наиболее распространенный тип передатчиков в DWDM -системы. Для стабилизации длины волны генерации вблизи p-n-перехода диода травится дифракционная решетка. Эта решетка действует как оптический фильтр, заставляя одну длину волны возвращаться в область усиления и генерировать генерацию. Поскольку решетка обеспечивает обратную связь, необходимую для генерации, отражение от граней не требуется. Таким образом, по крайней мере одна грань DFB является антибликовое покрытие. DFB-лазер имеет стабильную длину волны, которая устанавливается при изготовлении шагом решетки, и ее можно лишь слегка настроить в зависимости от температуры. Лазеры DFB широко используются в приложениях оптической связи, где важна точная и стабильная длина волны.

Пороговый ток этого DFB-лазера, исходя из его статических характеристик, составляет около 11 мА. Соответствующий ток смещения в линейном режиме можно взять в середине статической характеристики (50 мА). Было предложено несколько методов для улучшения одномодового режима в этих типах лазеров путем введения однофазного сдвига (1PS). ) или многофазный сдвиг (MPS) в однородной брэгговской решетке.[6] Однако DFB-лазеры с многократным фазовым сдвигом представляют собой оптимальное решение, поскольку в них сочетается более высокий коэффициент подавления боковых мод и пониженное пространственное прожигание дыр.

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором

Основная статья: Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором
Схема простой структуры VCSEL; не в масштабе

Лазеры поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL) имеют ось оптического резонатора вдоль направления потока тока, а не перпендикулярно току, как в обычных лазерных диодах. Длина активной области очень мала по сравнению с поперечными размерами, так что излучение выходит с поверхности полости, а не с ее края, как показано на рисунке. Отражатели на концах резонатора диэлектрические зеркала изготовлен из чередующегося четвертьволнового многослойного материала с чередованием высокого и низкого показателя преломления.

Такие диэлектрические зеркала обеспечивают высокую степень селективного по длине волны отражения при требуемой длине волны свободной поверхности λ, если толщина чередующихся слоев d1 и d2 с показателями преломления п1 и п2 такие, что п1d1 + п2d2 = λ / 2, что приводит к конструктивной интерференции всех частично отраженных волн на границах раздела. Но есть и недостаток: из-за высокой отражательной способности зеркал VCSEL имеют меньшую выходную мощность по сравнению с лазерами с торцевым излучением.

Производство лазеров VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с производством лазеров с торцевым излучением. Краевые излучатели не могут быть проверены до конца производственного процесса. Если кромочный излучатель не работает из-за плохих контактов или плохого качества роста материала, время производства и обрабатываемые материалы были потрачены впустую.

Кроме того, поскольку лазеры VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельны, как у краевого излучателя, десятки тысяч лазеров VCSEL могут обрабатываться одновременно на трехдюймовой пластине из арсенида галлия. Кроме того, даже несмотря на то, что производственный процесс VCSEL более трудоемок и трудоемок, выход можно контролировать для достижения более предсказуемого результата. Однако обычно они показывают более низкий уровень выходной мощности.

Поверхностный лазер с вертикальным внешним резонатором

Основная статья: Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором

Вертикальные лазеры с поверхностным излучением с внешним резонатором, или VECSEL, похожи на VCSEL. В VCSEL зеркала обычно выращиваются эпитаксиально как часть диодной структуры или выращены отдельно и соединены непосредственно с полупроводником, содержащим активную область. VECSEL отличаются конструкцией, в которой одно из двух зеркал находится вне диодной структуры. В результате полость включает область свободного пространства. Типичное расстояние от диода до внешнего зеркала составляет 1 см.

Одна из наиболее интересных особенностей любого VECSEL - это небольшая толщина области усиления полупроводника в направлении распространения, менее 100 нм. Напротив, обычный полупроводниковый лазер в плоскости влечет за собой распространение света на расстояния от 250 мкм вверх до 2 мм или более. Значение малого расстояния распространения заключается в том, что он сводит к минимуму эффект «антинаправляющих» нелинейностей в области усиления диодного лазера. В результате получается одномодовый оптический пучок с большим поперечным сечением, который недостижим для диодных лазеров с плоскостным (с торцевым излучением) диодных лазеров.

Несколько рабочих продемонстрировали VECSEL с оптической накачкой, и они продолжают разрабатываться для многих приложений, включая источники высокой мощности для использования в промышленной механической обработке (резка, штамповка и т. Д.) Из-за их необычайно высокой мощности и эффективности при накачке многомодовыми диодными лазерными стержнями. . Однако из-за отсутствия p-n-перехода VECSEL с оптической накачкой не считаются «диодными лазерами» и классифицируются как полупроводниковые лазеры.[нужна цитата ]

Также были продемонстрированы VECSEL с электрической накачкой. Приложения VECSEL с электрической накачкой включают проекционные дисплеи, обслуживаемые удвоение частоты излучателей ближнего ИК-диапазона VECSEL для получения синего и зеленого света.

Диодные лазеры с внешним резонатором

Диодные лазеры с внешним резонатором перестраиваемые лазеры в которых используются в основном двойные гетероструктурные диоды из AlИксGa(1-х)Как тип. Первые диодные лазеры с внешним резонатором использовали внутрирезонаторные телескопы.[7] и простая настройка решеток Литтроу.[8] Другие конструкции включают решетки в конфигурации скользящего падения и конфигурации решеток с несколькими призмами.[9]

Механизмы отказа

У лазерных диодов то же надежность и проблемы с отказами как светодиоды. Кроме того, они подлежат катастрофическое оптическое повреждение (COD) при работе на более высокой мощности.

Многие достижения в надежности диодных лазеров за последние 20 лет остаются собственностью их разработчиков. Обратный инжиниринг не всегда удается выявить различия между более надежными и менее надежными диодными лазерными изделиями.

Полупроводниковые лазеры могут быть лазерами с поверхностным излучением, такими как VCSEL, или лазерами с торцевым излучением в плоскости. Для лазеров с торцевым излучением кромочное зеркало часто образовано раскалывание полупроводниковая пластина с образованием зеркально отражающей плоскости.[1]:24 Этому подходу способствует слабость [110] кристаллографическая плоскость в полупроводниковых кристаллах III-V (например, GaAs, InP, GaSb и др.) по сравнению с другими самолетами.

Состояния атомов в плоскости спайности изменяются по сравнению с их объемными свойствами внутри кристалла из-за прекращения идеально периодической решетки в этой плоскости. Состояния поверхности в плоскости скола имеют уровни энергии в запрещенной запрещенной зоне полупроводника.

В результате, когда свет распространяется через плоскость спайности и проходит в свободное пространство внутри полупроводникового кристалла, часть световой энергии поглощается поверхностными состояниями, где она преобразуется в тепло за счет фонон -электрон взаимодействия. Это нагревает сколотое зеркало. Кроме того, зеркало может нагреваться просто потому, что край диодного лазера, который имеет электрическую накачку, находится в неидеальном контакте с опорой, которая обеспечивает путь для отвода тепла. Нагрев зеркала приводит к сужению запрещенной зоны полупроводника в более теплых областях. Уменьшение ширины запрещенной зоны приводит к большему количеству межзонных переходов электронов в соответствии с энергией фотонов, вызывая еще большее поглощение. Это тепловой разгон, форма положительный отзыв, и результатом может быть плавление грани, известное как катастрофическое оптическое повреждение, или наложенным платежом.

В 1970-х годах была выявлена ​​эта проблема, которая особенно остро стоит для лазеров на основе GaAs с длиной волны от 0,630 мкм до 1 мкм (в меньшей степени для лазеров на основе InP, используемых для дальней связи, которые излучают от 1,3 до 2 мкм). . Майкл Эттенберг, исследователь, а затем вице-президент RCA Лаборатории ' Исследовательский центр Дэвида Сарноффа в Принстон, Нью-Джерси, разработал решение. Тонкий слой оксид алюминия был нанесен на грань. Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он функционирует как антибликовое покрытие, уменьшая отражение от поверхности. Это уменьшило нагревание и ХПК на фаске.

С тех пор были применены различные другие усовершенствования. Один из подходов состоит в создании так называемого непоглощающего зеркала (NAM), так что последние 10 мкм или около того до того, как свет испускается из сколотой грани, становились непоглощающими на интересующей длине волны.

В самом начале 1990-х SDL, Inc. начала поставлять мощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Скифрес и технический директор Дэвид Уэлч представили новые данные по надежности, например, на SPIE Фотоника Западных конференций эпохи. Методы, используемые SDL для противодействия COD, считались проприетарными и по состоянию на июнь 2006 г. все еще не разглашались.

В середине 1990-х гг. IBM Research (Ruschlikon, Швейцария ) объявил, что разработал так называемый "процесс E2", который придал необычайную стойкость к ХПК в лазерах на основе GaAs. По состоянию на июнь 2006 г. этот процесс также не разглашался.

Несмотря на эти проприетарные достижения, надежность мощных полос накачки диодных лазеров (используемых для накачки твердотельных лазеров) остается сложной проблемой для множества приложений. Действительно, физика выхода из строя диодных лазеров все еще разрабатывается, и исследования по этому вопросу остаются активными, если они являются собственностью.

Увеличение срока службы лазерных диодов имеет решающее значение для их постоянной адаптации к широкому спектру приложений.

Приложения

Лазерные диоды могут быть объединены в группу для получения очень высокой выходной мощности, непрерывной или импульсной. Такие массивы могут быть использованы для эффективной накачки твердотельных лазеров при бурении, прожиге или сжигании с большой средней мощностью. термоядерный синтез с инерционным удержанием.

Лазерные диоды численно являются наиболее распространенным типом лазеров, объем продаж в 2004 г. составил около 733 миллионов единиц.[10]по сравнению с 131 000 других типов лазеров.[11]

Телекоммуникации, сканирование и спектрометрия

Лазерные диоды находят широкое применение в телекоммуникации как легко модулируемые и легко соединяемые источники света для волоконная оптика общение. Они используются в различных измерительных приборах, таких как дальномеры. Другое распространенное использование - в считыватели штрих-кода. Видимый лазеры, обычно красный но позже также зеленый, распространены как лазерные указки. Как маломощные, так и мощные диоды широко используются в полиграфической промышленности как источники света для сканирования (ввода) изображений, так и для производства печатных форм (выходных) с очень высокой скоростью и высоким разрешением. Инфракрасный и красные лазерные диоды распространены в CD проигрыватели, CD-ROM и DVD технологии. Виолетта лазеры используются в HD DVD и Блю рей технологии. Диодные лазеры также нашли множество применений в лазерная абсорбционная спектрометрия (LAS) для быстрой и недорогой оценки или мониторинга концентрации различных веществ в газовой фазе. Мощные лазерные диоды используются в промышленных приложениях, таких как термообработка, наплавка, сварка швов, а также для накачки других лазеров, таких как твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Использование лазерных диодов можно разделить на различные категории. Большинство приложений могут обслуживаться более крупными твердотельными лазерами или оптическими параметрическими генераторами, но низкая стоимость серийных диодных лазеров делает их незаменимыми для приложений массового рынка. Диодные лазеры можно использовать во многих областях; поскольку свет имеет множество различных свойств (мощность, длина волны, спектральное качество и качество луча, поляризация и т. д.), полезно классифицировать приложения по этим основным свойствам.

Многие применения диодных лазеров в первую очередь используют свойство «направленной энергии» оптического луча. В эту категорию можно включить лазерные принтеры, считыватели штрих-кода, сканирование изображений, осветители, указатели, оптическая запись информации, воспламенение горения, лазерная хирургия, промышленная сортировка, промышленная обработка и оружие направленной энергии. Некоторые из этих приложений хорошо зарекомендовали себя, а другие только появляются.

Медицинское использование

Лазерная медицина: медицина и особенно стоматология нашли много новых применений диодным лазерам.[12][13][14][15] Уменьшающийся размер и стоимость[16] единиц и их увеличивающееся удобство в использовании делает их очень привлекательными для клиницистов при проведении незначительных процедур на мягких тканях. Диапазон длин волн диодов от 810 до 1100 нм, плохо впитываются мягкими тканями и не используются для резки или абляция.[17][18][19][20] Мягкие ткани не разрезаются лучом лазера, а режутся при контакте с горячим обугленным наконечником стекла.[19][20] Излучение лазера сильно поглощается на дистальном конце наконечника и нагревает его до 500–900 ° C.[19] Поскольку кончик очень горячий, им можно разрезать мягкие ткани и вызвать гемостаз через прижигание и карбонизация.[19][20] Диодные лазеры при использовании на мягких тканях могут вызвать обширное сопутствующее термическое повреждение окружающей ткани.[19][20]

Поскольку лазерный луч по своей природе последовательный, в некоторых приложениях используется когерентность лазерных диодов. К ним относятся интерферометрическое измерение расстояния, голография, когерентная связь и когерентный контроль химических реакций.

Лазерные диоды используются из-за их "узкоспектральных" свойств в областях дальности, телекоммуникаций, инфракрасного противодействия, спектроскопическое зондирование, генерация радиочастотных или терагерцовых волн, подготовка состояния атомных часов, криптография с квантовым ключом, удвоение и преобразование частоты, очистка воды (в УФ) и фотодинамическая терапия (где определенная длина волны света может вызвать появление такого вещества, как порфирин стать химически активным в качестве противоракового агента только тогда, когда ткань освещается светом).

Лазерные диоды используются из-за их способности генерировать ультракороткие световые импульсы с помощью техники, известной как «синхронизация мод». Сферы использования включают распределение часов для высокопроизводительных интегральных схем, источники высокой пиковой мощности для спектроскопии лазерного пробоя, генерацию сигналов произвольной формы для радиочастотных волн, фотонную выборку для аналого-цифрового преобразования и оптический код. системы разделения-множественного доступа для безопасной связи.

Общие длины волн и использование

Видимый свет

  • 405 нм – InGaN сине-фиолетовый лазер, в Blu-ray диск и HD DVD диски
  • 445–465 нм – InGaN недавно представленный синий лазерный многомодовый диод (2010 г.) для использования в безртутных устройствах высокой яркости информационные проекторы
  • 510–525 нм – InGaN Зеленые диоды, недавно разработанные (2010 г.) Nichia и OSRAM для лазерных проекторов.[21]
  • 635 нм – АлГаИнП лучшие красные лазерные указки, такая же мощность субъективно вдвое ярче, чем 650 нм
  • 650–660 нм – GaInP /АлГаИнП компакт диск и DVD диски, дешевые красные лазерные указки
  • 670 нм – АлГаИнП считыватели штрих-кода, первые диодные лазерные указатели (теперь устаревшие, заменены на более яркие 650 нм и 671 нм DPSS)

Инфракрасный

История

Еще в 1953 году Джон фон Нейман описал концепцию полупроводникового лазера в неопубликованной рукописи. В 1957 году японский инженер Дзюн-ичи Нисидзава подала патент на первый полупроводниковый лазер.[22][23] Это было развитие его более ранних изобретений, PIN-диод в 1950 г. и твердое состояние мазер в 1955 г.[23]

Следуя теоретическим трактовкам М. Бернар, Дж. Дюраффур и Уильям П. Дамке в начале 1960-х гг. последовательный Излучение света полупроводниковым диодом на основе арсенида галлия (GaAs) (лазерный диод) было продемонстрировано в 1962 году двумя американскими группами во главе с Роберт Н. Холл на General Electric исследовательский центр[24] и Маршалл Натан из IBM T.J. Исследовательский центр Уотсона.[25] Продолжаются споры о том, изобрели ли IBM или GE первый лазерный диод, который во многом был основан на теоретической работе Уильяма П. Дамке из лаборатории IBM в Китчаване (в настоящее время известной как Исследовательский центр Томаса Дж. Ватсона) в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк. Приоритет отдается группе General Electric, ранее получившей и представившей свои результаты; они также пошли дальше и сделали резонатор для своего диода.[26] Первоначально предполагалось, что Бен Лакс из Массачусетского технологического института среди других ведущих физиков, что кремний или германий могут быть использованы для создания лазерного эффекта, но теоретический анализ убедил Уильяма П. Думке, что эти материалы не будут работать. Вместо этого он предложил арсенид галлия в качестве хорошего кандидата. Первый лазерный диод на основе GaAs видимого диапазона длин волн был продемонстрирован компанией Ник Холоняк-младший позже в 1962 г.[27]

Ник Холоняк

Другие команды на Лаборатория Линкольна Массачусетского технологического института, Инструменты Техаса, и RCA лаборатории были также вовлечены и получили признание за свои исторические первые демонстрации эффективного излучения света и генерации на полупроводниковых диодах в 1962 году и в последующие годы. Лазеры на GaAs были также произведены в начале 1963 года в Советском Союзе группой под руководством А. Николай Басов.[28]

В начале 1960-х годов Герберт Нельсон из RCA Laboratories изобрел жидкофазную эпитаксию (LPE). Благодаря наслаиванию кристаллов высочайшего качества различного состава, это позволило на протяжении многих лет демонстрировать высочайшее качество полупроводниковых лазерных материалов на гетеропереходах. LPE был принят всеми ведущими лабораториями мира и использовался в течение многих лет. Окончательно его вытеснили в 1970-х годах молекулярно-лучевой эпитаксией и металлоорганическими соединениями. химическое осаждение из паровой фазы.

Диодные лазеры той эпохи работали с пороговой плотностью тока 1000 А / см.2 при температуре 77 К. Такие характеристики позволили продемонстрировать непрерывную генерацию в самые первые дни. Однако при работе при комнатной температуре, около 300 К, пороговые плотности тока были на два порядка больше, или 100000 А / см.2 в лучших устройствах. Основная задача до конца 1960-х годов заключалась в том, чтобы получить низкую пороговую плотность тока при 300 К и тем самым продемонстрировать непрерывную генерацию при комнатной температуре от диодного лазера.

Первые диодные лазеры были диодами на гомопереходе. То есть материал (и, следовательно, ширина запрещенной зоны) сердцевинного слоя волновода и окружающих слоев оболочки были идентичными. Было признано, что существует возможность, особенно возможность использования жидкофазной эпитаксии с использованием арсенида алюминия-галлия, для введения гетеропереходов. Гетероструктуры состоят из слоев полупроводникового кристалла с различной шириной запрещенной зоны и показателем преломления. Гетеропереходы (образованные из гетероструктур) были признаны Герберт Кремер, во время работы в RCA Laboratories в середине 1950-х годов, имея уникальные преимущества для нескольких типов электронных и оптоэлектронных устройств, включая диодные лазеры. LPE предоставила технологию создания диодных лазеров на гетеропереходах. В 1963 году он предложил двойная гетероструктура лазер.

Первые диодные лазеры на гетеропереходе были лазерами с одинарным гетеропереходом. В этих лазерах использовался арсенид алюминия-галлия. пфорсунки, расположенные над пслои арсенида галлия, выращенные на подложке методом ЖФД. Примесь алюминия заменила галлий в кристалле полупроводника и увеличила ширину запрещенной зоны. п-типа форсунки над форсункой п-тип слоев ниже. Это сработало; пороговые токи 300 К снизились в 10 раз до 10 000 ампер на квадратный сантиметр. К сожалению, это все еще находилось за пределами необходимого диапазона, и эти диодные лазеры с одной гетероструктурой не работали в непрерывном режиме при комнатной температуре.

Инновация, которая решила проблему комнатной температуры, - это лазер с двойной гетероструктурой. Хитрость заключалась в том, чтобы быстро перемещать пластину в аппарате LPE между разными «расплавами» арсенида алюминия-галлия (п- и п-типа) и третий расплав арсенида галлия. Это нужно было сделать быстро, поскольку толщина области ядра арсенида галлия должна была быть значительно меньше 1 мкм. Первый лазерный диод, достигший непрерывная волна операция была двойная гетероструктура продемонстрировали в 1970 г. по существу одновременно Жорес Алферов и соавторы (в том числе Дмитрий З. Гарбузов ) из Советский Союз, и Мортон Пэниш и Идзуо Хаяси работаю в США. Однако общепризнано, что Жорес И. Алферов и команда первыми достигли рубежа.[29]

За свои достижения и достижения своих коллег Алферов и Кремер разделили Нобелевскую премию по физике 2000 года.

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ а б c Ларри А. Колдрен; Скотт В. Корзин; Милан Л. Машанович (2 марта 2012 г.). Диодные лазеры и фотонные интегральные схемы. Джон Вили и сыновья. ISBN  978-1-118-14817-4.
  2. ^ Arrigoni, M. et. al. (2009-09-28) "Полупроводниковые лазеры с оптической накачкой: зеленые OPSL готовы выйти на рынок научных лазеров накачки", Laser Focus World
  3. ^ «Полупроводниковый лазер с оптической накачкой (OPSL)», Sam's Laser FAQs.
  4. ^ Последовательный технический документ (2018-05) «Преимущества полупроводниковых лазеров с оптической накачкой - свойства инвариантного пучка»
  5. ^ а б Хехт, Джефф (1992). Лазерный путеводитель (Второе изд.). Нью-Йорк: McGraw-Hill, Inc., стр. 317. ISBN  0-07-027738-9.
  6. ^ Бушен, Мохаммед Мехди, Рашид Хамди и Цинь Цзоу. «Теоретический анализ монолитного полностьюактивного трехсекционного полупроводникового лазера». Photonics Letters of Poland 9.4 (2017): 131-133.
  7. ^ Вумар, К. (1977). "Узкополосные непрерывные GaA1As-диодные лазеры с управляемым внешним резонатором 32 МГц". Письма об оптике. 1 (2): 61–3. Bibcode:1977 ОптЛ .... 1 ... 61В. Дои:10.1364 / OL.1.000061. PMID  19680331.
  8. ^ Fleming, M. W .; Мурадян А. (1981). «Спектральные характеристики полупроводниковых лазеров с внешним резонатором». IEEE J. Quantum Electron. 17: 44–59. Bibcode:1981IJQE ... 17 ... 44F. Дои:10.1109 / JQE.1981.1070634.
  9. ^ Зорабедян П. (1995). «8». В Ф. Ж. Дуарте (ред.). Справочник по перестраиваемым лазерам. Академическая пресса. ISBN  0-12-222695-X.
  10. ^ Стил, Роберт В. (2005). «Рынок диодных лазеров растет медленнее». Laser Focus World. 41 (2). Архивировано из оригинал на 2006-04-08.
  11. ^ Кинкейд, Кэти; Андерсон, Стивен (2005). "Laser Marketplace 2005: Потребительские приложения увеличивают продажи лазеров на 10%". Laser Focus World. 41 (1). Архивировано из оригинал 28 июня 2006 г.
  12. ^ Ага, S; Джайн, К.; Андреана, S (2005). «Использование диодного лазера для обнаружения зубных имплантатов во второй стадии хирургии». Общая стоматология. 53 (6): 414–7. PMID  16366049.
  13. ^ Андреана, S (2005). «Использование диодных лазеров в пародонтологической терапии: обзор литературы и предлагаемые методики». Стоматология сегодня. 24 (11): 130, 132–5. PMID  16358809.
  14. ^ Борзабади-Фарахани А (2017). "Дополнительный диодный лазер мягких тканей в ортодонтии". Компенд Contin Educ Dent. 37 (электронная книга 5): e18 – e31. PMID  28509563.
  15. ^ Деппе, Герберт; Хорьх, Ханс-Хеннинг (2007). «Применение лазера в челюстно-лицевой хирургии и имплантологии» (PDF). Лазеры в медицине. 22 (4): 217–221. Дои:10.1007 / s10103-007-0440-3. PMID  17268764. S2CID  23606690.[постоянная мертвая ссылка ]
  16. ^ Фейерштейн, Пауль. "Режет как нож". Стоматологическая экономика. Получено 2016-04-12.
  17. ^ Райт, В. Сесил; Фишер, Джон К. (1993-01-01). Лазерная хирургия в гинекологии: клиническое руководство. Сондерс. стр.58 –81. ISBN  9780721640075.
  18. ^ Шапшай, С. М. (1987-06-16). Справочник по эндоскопической лазерной хирургии. CRC Press. С. 1–130. ISBN  9780824777111.
  19. ^ а б c d е Романос, Георгиос Э. (01.12.2013). «Диодная лазерная хирургия мягких тканей: достижения, направленные на стабильную резку, улучшение клинических результатов». Компендиум непрерывного образования в области стоматологии. 34 (10): 752–757, викторина 758. PMID  24571504.
  20. ^ а б c d Витрук, ПП (2015). «Спектры эффективности лазерной абляции и коагуляции мягких тканей полости рта». Имплантология США. 7 (6): 19–27.
  21. ^ Линжун Цзянь; и другие. (2016). «Зеленые лазерные диоды на основе GaN». Журнал полупроводников. 37 (11): 111001. Дои:10.1088/1674-4926/37/11/111001.
  22. ^ Третья промышленная революция произошла в Сендае, Международное патентное бюро Soh-VEHE, Японская ассоциация патентных поверенных
  23. ^ а б Дзюн-ичи Нисидзава: инженер, специальный профессор Софийского университета В архиве 2018-07-21 в Wayback Machine (интервью), Обзор качества Японии, 2011
  24. ^ Холл, Роберт Н.; Fenner, G.E .; Kingsley, J.D .; Soltys, T. J .; Карлсон, Р. О. (ноябрь 1962 г.). «Когерентное излучение света из переходов GaAs». Письма с физическими проверками. 9 (9): 366–368. Bibcode:1962ПхРвЛ ... 9..366Х. Дои:10.1103 / PhysRevLett.9.366.
  25. ^ Натан, Маршалл I .; Dumke, William P .; Бернс, Джеральд; Dill, Frederick H .; Лашер, Гордон (1962). «Вынужденное излучение от p-n-переходов GaAs» (PDF). Письма по прикладной физике. 1 (3): 62. Bibcode:1962АпФЛ ... 1 ... 62Н. Дои:10.1063/1.1777371. Архивировано из оригинал (PDF) на 2011-05-03.
  26. ^ Стенограмма устной истории - д-р Маршалл Натан, Американский институт физики
  27. ^ «После свечения». Журнал выпускников Иллинойса. Май – июнь 2007 г.
  28. ^ "Николай Григорьевич Басов". Nobelprize.org. Получено 2009-06-06.
  29. ^ Чатак, Аджой (2009). Оптика. Тата Макгроу-Хилл Образование. п. 1.14. ISBN  978-0-07-026215-7.

дальнейшее чтение

  • Б. Ван Зегбрука Принципы полупроводниковых приборов(для прямой и косвенной запрещенной зоны)
  • Салех, Бахаа Э. А. и Тейч, Малвин Карл (1991). Основы фотоники. Нью-Йорк: Джон Вили и сыновья. ISBN  0-471-83965-5. (Для вынужденного излучения)
  • Кояма и др., Фумио (1988), "Непрерывный режим работы GaAs-лазера с вертикальным резонатором в непрерывном режиме при комнатной температуре", Trans. IEICE, E71 (11): 1089–1090 (для VCSELS)
  • Ига, Кеничи (2000), «Лазер с поверхностным излучением - его зарождение и поколение новой области оптоэлектроники», IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6 (6): 1201–1215 (для VECSELS)
  • Дуарте, Ф. Дж. (2016), "Широко настраиваемые дисперсионные полупроводниковые лазеры с внешним резонатором", в Настраиваемые лазерные приложения. Нью-Йорк: CRC Press. ISBN  9781482261066. стр. 203–241 (Для диодных лазеров с внешним резонатором).

внешние ссылки