Как работают полупроводниковые лазерные диоды

1. Что такое полупроводниковый лазер?
2. Как диодные лазеры излучают свет
3. Сложенные лазерные диоды
4. Кто изобрел полупроводниковые лазерные диоды?
5. Для чего мы можем использовать диодные лазеры?
6. Узнать больше
7. статьи

от Крис Вудфорд , Последнее обновление: 18 февраля 2019 г.

Лазеры - это материал научной фантастики: большие, тяжелые коробки, в которых горят взрывы свет , Если вы когда-нибудь видели обычный лазер в лаборатории вы узнаете, что это довольно здоровенный зверь: обычно примерно такого же размера, как ваше предплечье, довольно тяжелый, довольно горячий и способный производить очень интенсивный луч света. Но если лазеры настолько велики, почему мы можем использовать их в небольших вещах, таких как портативные CD проигрыватели и портативный сканеры штрих-кода ? Ответ в том, что мы этого не делаем! Эти вещи используют совершенно другой вид лазера, который примерно такого же размера, что и (и работает аналогично) обычному СВЕТОДИОД (светоизлучающий диод). Известные как полупроводниковые лазеры (также называемые диодными лазерами или инжекционными лазерами), они были разработаны в начале 1960-х годов Робертом Н. Холлом и, в основном потому, что они такие компактные и недорогие, в настоящее время являются самыми распространенными лазерами в мире. Давайте внимательнее посмотрим!

Работа: Диодные лазеры крошечные, легкие и компактные - идеально подходят для генерации прецизионных световых пучков внутри небольших электронных приборов.

Что такое полупроводниковый лазер?

Скорее всего, вы использовали полупроводниковый лазер в последние несколько дней, даже не подозревая об этом. Если вы смотрели DVD вы "просмотрели" одну; если вы были в продуктовый магазин и имели Barcoded продукт прошел через кассу, которую вы купили с одной; если вы сделали большое расстояние телефон позвонить по оптоволокно кабель, через который вы «говорили»; и если вы напечатали что-то с лазерный принтер Ваша распечатка прошла очень близко. Полупроводниковые лазеры производят мощные, точные лучи света (как обычные лазеры), но они примерно такого же размера, как простые светодиоды - маленькие цветные лампы, которые вы видите на электронный приборные панели.

Фото: меньший круг в левом нижнем углу этой фотографии представляет собой полупроводниковый лазерный диод в CD-плеер , Большой синий круг в правом верхнем углу объектив это читает отраженный свет, отражающийся от компакт-диска. Никогда не пытайтесь смотреть на лазерный луч в проигрывателе компакт-дисков: вы можете легко ослепить себя.

Если вы читали нашу статью на диоды , у вас уже есть идея, как работают светодиоды. По сути, светодиод представляет собой полупроводниковый сэндвич с «хлебом», сделанным из кусочков двух различных видов обработанного кремния, известного как р-тип (богатый «дырками» или, другими словами, немного лишенными электронов, крошечных отрицательно заряженных частиц внутри атомы ) и n-типа (со слишком большим количеством электронов). Соедините два среза вместе, и вы получите так называемый pn-переходный диод, который обладает всеми интересными свойствами.

В обычном диоде pn-переход работает как турникет, который позволяет электрическому току течь только в одном направлении (известном как прямое смещение). Когда электроны проходят через этот барьер, они соединяются с отверстиями на другой стороне и выделяют энергию в виде фононов ( звук вибрации), которые исчезают в кристалле кремния. В светодиоде происходит тот же процесс, но энергия выделяется не в виде фононов, а в виде фотонов - пакетов видимого света.

Как диодные лазеры излучают свет

В лазерном диоде мы продвигаемся дальше, чтобы сделать возникающий свет более чистым и мощным. Вместо использования кремния в качестве полупроводника, мы используем другой материал, особенно сплав из алюминий и арсенид галлия (еще один популярный выбор - арсенидфосфид индия-галлия). Электроны впрыскиваются в диод, они соединяются с дырками, и часть их избыточной энергии преобразуется в фотоны, которые взаимодействуют с большим количеством поступающих электронов, помогая производить больше фотонов - и так далее в виде самосохраняющегося процесса, называемого резонансом. Это повторное преобразование входящих электронов в исходящие фотоны аналогично процессу вынужденного излучения, которое происходит в обычном газовом лазере.

Работа: Базовая настройка лазерного диода. Лазерный свет генерируется, когда электроны и фотоны взаимодействуют в pn-переходе, расположенном аналогично обычному переходному диоду или светодиоду. Один конец диода отполирован, чтобы лазерный луч мог выходить из него. Другие концы оставлены шероховатыми, чтобы помочь ограничить свет.

В обычном лазере концентрированный световой пучок получается путем «накачки» света, испускаемого атомами многократно между двумя зеркала , В лазерном диоде эквивалентный процесс происходит, когда фотоны отскакивают назад и вперед в микроскопическом соединении (шириной примерно в один микрометр) между срезами полупроводника p-типа и n-типа, который технически известен как резонансная полость Фабри-Перо (типа интерферометр ). Усиленный лазерный свет в конечном итоге выходит из полированного конца зазора в пучке, параллельном соединению. Оттуда он продолжает читать музыку с вашего компакт-диска, сканировать цену на ваши кукурузные хлопья, распечатывать дипломную работу в колледже или делать тысячу других полезных вещей!

Сложенные лазерные диоды

Ранние лазерные диоды могли излучать только один относительно слабый луч, но гениальные инженеры-электронщики вскоре нашли способы сделать их значительно более мощными. С 1990-х годов одним из распространенных подходов было установить несколько лазерных диодов друг на друга (например, жилой дом), а затем сфокусировать их отдельные лучи в один выходной луч, используя коллиматор и / или объектив. Этот тип устройства по-разному называется набором полупроводниковых лазеров, пакетным лазерным диодом или просто набором диодов. Помимо производства большей мощности, чем один лазерный диод, стек открывает возможность генерировать несколько разных длин волн одновременно (поскольку каждый лазер в стеке может создавать разные). Вместо одного PN-перехода есть несколько, и лазерные лучи света выходят из активных слоев между ними; как правило, между сложенными слоями есть по крайней мере один туннельный переход. Одна пара клемм (иногда называемых омическими контактами) подает электроэнергию на весь стек.

Рисунок: Простой пакетный лазерный диод, состоящий из двух диодных лазеров один над другим и сделанный из легированных слоев арсенида алюминия-галлия. Клеммы (омические контакты) показаны серым цветом сверху и снизу, подложка (базовый материал) - зеленым цветом, слои P-типа - синим, а слои N-типа - красным. Туннельный узел обозначен J2. Произведение любезно предоставлено Управлением по патентам и товарным знакам США от Патент США № 5212706: лазерный диод в сборе с туннельными переходами и несколькими пучками Faquir C. Jain, Университет Коннектикута, 18 мая 1993 г.

Кто изобрел полупроводниковые лазерные диоды?

Работа: оригинальный патент Роберта Холла на лазерные диоды, любезно предоставленный Бюро по патентам и товарным знакам США.

Кого мы благодарим за это фантастическое изобретение? Доктор General Electric доктор Роберт Н. Холл, который подал свой патент на эту идею («Полупроводниковые приборы с вынужденным излучением») 24 октября 1962 года (он был выдан в качестве патента США № 3245002 от 5 апреля 1966 года). Вот один из чертежей этого патента, показывающий базовое расположение частей, описанных выше. Нумерация является оригинальной для Холла, но я добавил раскраски и упрощенные описания, чтобы было легче следовать:

1. Типичный PN полупроводниковый лазерный диод.
2. Регион P-типа (синий).
3. Регион N-типа (красный).
4. Область PN-соединения (резонансная полость), где свет создается за счет вынужденного излучения. Это не в масштабе! В оригинальном патенте Холла он описан толщиной 0,1 микрона (0,1 миллионной доли метра, 0,1 мкм или 1000 Ангстрем).
5. Верхний электрод.
6. Припой фиксирует верхний электрод к области р-типа.
7. Нижний электрод.
8. Припой фиксирует нижний электрод к области n-типа. (Это охватывает всю основу области n-типа, а не только серый внешний контур, показанный здесь.)
9. Разъем верхнего электрода.
10. Нижний электродный разъем.
11. Полированная передняя поверхность.
12. Сильно отполированная задняя поверхность, которая должна быть точно параллельна передней поверхности, чтобы гарантировать, что стоячие волны электромагнитного излучения (лазерного излучения) создаются и эффективно излучаются в резонансной полости между областями p-типа и n-типа. Поверхности 11 и 12 могут быть покрыты зеркалами или металлическим покрытием для улучшения резонансного эффекта.
13. Боковая поверхность вырезана под углом (или шероховатой), чтобы предотвратить образование световых волн в других направлениях.
14. Другая боковая поверхность обрезается под аналогичным углом или шероховатая аналогичным образом.

Вы можете прочитать гораздо больше подробностей в патенте Роберта Холла, приведенном в ссылках ниже.

Для чего мы можем использовать диодные лазеры?

Фото: лазерные лучи изгибаются (преломляются) сквозь кристалл. Фото Уоррена Гретца любезно предоставлено Министерство энергетики США / Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (DOE / NREL) ,

Как мы уже видели, обычные лабораторные лазеры - это большие звери, не очень отличающиеся от того, который Голдфингер использовал в одноименном фильме о Джеймсе Бонде. Другими словами, для любого компактного устройства, которому необходим лазер для питания, скорее всего, будет использоваться диодный лазер, а не «лазер Голдфингера». CD-плееры, сканеры штрих-кода, волоконно-оптические телефонные линии, стоматологические инструменты, лазерные устройства для удаления волос, лазерные указки и лазерные принтеры - все они используют диодные лазеры, потому что они маленькие, компактные и недорогие. Однако из этого не следует, что они маломощны и невелики - по трем причинам.

1. Диодные лазеры могут быть удивительно мощными (сотни ватт - вполне достижимая мощность).
2. Как мы видели выше, вы можете использовать диодные лазеры для создания устройств с гораздо более высокой выходной мощностью (в киловаттах).
3. Вы можете объединить диодные лазеры с твердотельными лазерами (чтобы создать так называемые твердотельные лазеры с диодной накачкой) или с обычными лазерами, используя их в качестве «оптических накачек» (вместо традиционных ламп накаливания) для возбуждения таких вещей, как рубиновые стержни (дает вывод в мегаваттах).

Узнать больше

На этом сайте

На других сайтах

книги

Они подходят для уровня бакалавриата:

статьи

• Лазерная Li-Fi может взорвать 100 гигабит в секунду Нил Сэвидж. IEEE Spectrum. 8 апреля 2015 года. Сети «Wi-Fi», использующие свет вместо радиоволн, могут отправлять информацию быстрее и эффективнее.
• Лазерные фары BMW срезаются сквозь тьму Лоуренс Ульрих. IEEE Spectrum. 25 октября 2013 года. Автомобили теперь используют яркие, эффективные лазерные диоды вместо светодиодов и галогеновых ламп.
• Транзисторный лазер Ник Холоняк-младший и Милтон Фенг. IEEE Spectrum, 1 февраля 2006 г. Можем ли мы ожидать новой эры транзисторных лазеров, которые могут создавать как оптические, так и электрические выходы?

Видео

Патенты

Для более глубоких технических подробностей, попробуйте эти типичные патенты (и следуйте ссылкам предшествующего уровня техники и ссылкам внутри них, чтобы найти другие):

• Патент США № 3245002: полупроводниковые приборы с вынужденной эмиссией. Роберт Н. Холл и др., Дженерал Электрик. 5 апреля 1966 года. Ранний патент Роберта Холла на полупроводниковый лазер. Это подробное техническое описание того, как работали первые полупроводниковые лазеры, создавая свет внутри диода.
• Патент США № 3,303,432: полупроводниковые лазерные устройства большой мощности Уильям Энгелер, Гарфинкель Марвин, Дженерал Электрик. 7 февраля 1967 года. Основываясь на патенте Холла, этот документ описывает более мощные диоды с большей эффективностью.
• Патент США № 3936322: Способ изготовления диодного лазера с двойным гетеропереходом Джозеф М. Блюм и др., IBM. 3 февраля 1976 года. Описан способ изготовления лазерных диодов.
• Патент США № 5212706: лазерный диод в сборе с туннельными переходами и несколькими пучками Faquir C. Jain, Университет Коннектикута, 18 мая 1993 года. Влиятельный патент описывает основную идею диодного лазера.
• Патент США № 6236670: Лазер, содержащий пакетные лазерные диоды, полученные путем эпитаксиального роста, вставленный между двумя брэгговскими зеркалами. Жюльен Нагл и Эммануэль Розенчер, Томсон-Чсф. 22 мая 2001 года. Альтернативный подход к созданию мощного лазера из вертикальной пачки лазерных диодов.

Похожие

Комментарии