Lasers semicondutores são geradores quânticos baseados em um meio ativo semicondutor no qual a amplificação óptica é criada por emissão estimulada durante uma transição quântica entre níveis de energia em uma alta concentração de portadores de carga na zona livre.
Laser semicondutor: princípio de funcionamento
No estado normal, a maioria dos elétrons está localizada no nível de valência. Quando os fótons fornecem energia superior à energia da zona de descontinuidade, os elétrons do semicondutor entram em estado de excitação e, ultrapassando a zona proibida, passam para a zona livre, concentrando-se em sua borda inferior. Simultaneamente, os buracos formados no nível de valência sobem para seu limite superior. Os elétrons na zona livre se recombinam com os buracos, irradiando uma energia igual à energia da zona de descontinuidade na forma de fótons. A recombinação pode ser aumentada por fótons com níveis de energia suficientes. A descrição numérica corresponde à função de distribuição de Fermi.
Dispositivo
Dispositivo a laser semicondutoré um diodo laser bombeado com a energia de elétrons e buracos na zona de junção p-n - o ponto de contato dos semicondutores com condutividade do tipo p e n. Além disso, existem lasers semicondutores com fornecimento de energia óptica, em que o feixe é formado pela absorção de fótons de luz, bem como lasers em cascata quântica, cujo funcionamento é baseado em transições dentro de bandas.
Composição
As conexões padrão usadas em lasers semicondutores e outros dispositivos optoeletrônicos são as seguintes:
- arseneto de gálio;
- fosfeto de gálio;
- nitreto de gálio;
- fosfeto de índio;
- arseneto de índio-gálio;
- arseneto de alumínio e gálio;
- nitreto de arseneto de gálio-índio;
- fosfeto de gálio-índio.
Comprimento de onda
Esses compostos são semicondutores de gap direto. A luz indireta (silício) não emite com força e eficiência suficientes. O comprimento de onda da radiação do laser de diodo depende do grau de aproximação da energia do fóton à energia da zona de descontinuidade de um determinado composto. Em compostos semicondutores de 3 e 4 componentes, a energia da zona de descontinuidade pode variar continuamente em uma ampla faixa. Para AlGaAs=AlxGa1-xAs, por exemplo, um aumento no teor de alumínio (um aumento em x) resulta em um aumento na energia da zona de descontinuidade.
Enquanto os lasers semicondutores mais comuns operam no infravermelho próximo, alguns emitem cores vermelhas (fosfeto de índio gálio), azul ou violeta (nitreto de gálio). A radiação infravermelha média é produzida por lasers semicondutores (seleneto de chumbo) e lasers de cascata quântica.
Semicondutores orgânicos
Além dos compostos inorgânicos mencionados acima, os orgânicos também podem ser usados. A tecnologia correspondente ainda está em desenvolvimento, mas seu desenvolvimento promete reduzir significativamente o custo de produção de geradores quânticos. Até agora, apenas lasers orgânicos com fornecimento de energia óptica foram desenvolvidos e o bombeamento elétrico altamente eficiente ainda não foi alcançado.
Variedades
Muitos lasers semicondutores foram criados, diferindo em parâmetros e valor aplicado.
Os diodos laser pequenos produzem um feixe de radiação de borda de alta qualidade, cuja potência varia de vários a quinhentos miliwatts. O cristal de diodo laser é uma placa retangular fina que serve como guia de ondas, uma vez que a radiação é limitada a um pequeno espaço. O cristal é dopado em ambos os lados para criar uma junção p-n de uma grande área. As extremidades polidas criam um ressonador óptico Fabry-Perot. Um fóton passando pelo ressonador causará recombinação, a radiação aumentará e a geração começará. Usado em ponteiros laser, leitores de CD e DVD e comunicações de fibra óptica.
Lasers monolíticos de baixa potência e geradores quânticos com um ressonador externo para formar pulsos curtos podem produzir bloqueio de modo.
Laserssemicondutor com ressonador externo consiste em um diodo laser, que desempenha o papel de meio amplificador na composição de um ressonador laser maior. Eles são capazes de mudar os comprimentos de onda e têm uma banda de emissão estreita.
Os lasers semicondutores de injeção possuem uma região de emissão em forma de banda larga, podendo gerar um feixe de baixa qualidade com potência de vários watts. Eles consistem em uma fina camada ativa localizada entre as camadas p e n, formando uma dupla heterojunção. Não há mecanismo para manter a luz na direção lateral, o que resulta em alta elipticidade do feixe e correntes de limiar inaceitavelmente altas.
Poderosas barras de diodos, compostas por uma matriz de diodos de banda larga, são capazes de produzir um feixe de qualidade medíocre com uma potência de dezenas de watts.
Poderosos arranjos bidimensionais de diodos podem gerar energia em centenas e milhares de watts.
Surface emitting lasers (VCSELs) emitem um feixe de luz de alta qualidade com uma potência de vários miliwatts perpendicular à placa. Espelhos ressonadores são aplicados na superfície de radiação na forma de camadas de ¼ de comprimento de onda com diferentes índices de refração. Várias centenas de lasers podem ser feitos em um único chip, o que abre a possibilidade de produção em massa.
Os lasers VECSEL com fonte de alimentação óptica e um ressonador externo são capazes de gerar um feixe de boa qualidade com potência de vários watts no modo de bloqueio.
A operação de um laser semicondutor quânticotipo cascata é baseado em transições dentro das zonas (em oposição às interzonas). Esses dispositivos emitem na região do infravermelho médio, às vezes na faixa de terahertz. Eles são usados, por exemplo, como analisadores de gás.
Lasers semicondutores: aplicação e principais aspectos
Poderosos lasers de diodo com bombeamento elétrico de alta eficiência em tensões moderadas são usados como meio de alimentar lasers de estado sólido de alta eficiência.
Lasers semicondutores podem operar em uma ampla faixa de frequência, que inclui as porções do espectro visível, infravermelho próximo e infravermelho médio. Foram criados dispositivos que também permitem alterar a frequência da emissão.
Os diodos de laser podem alternar e modular rapidamente a potência óptica, o que encontra aplicação em transmissores de fibra óptica.
Tais características tornaram os lasers semicondutores tecnologicamente o tipo mais importante de geradores quânticos. Aplicam-se:
- em sensores de telemetria, pirômetros, altímetros ópticos, telêmetros, miras, holografia;
- em sistemas de fibra óptica de transmissão óptica e armazenamento de dados, sistemas de comunicação coerente;
- em impressoras a laser, projetores de vídeo, ponteiros, scanners de código de barras, scanners de imagem, CD players (DVD, CD, Blu-Ray);
- em sistemas de segurança, criptografia quântica, automação, indicadores;
- em metrologia óptica e espectroscopia;
- em cirurgia, odontologia, cosmetologia, terapia;
- para tratamento de água,processamento de materiais, bombeamento a laser de estado sólido, controle de reação química, classificação industrial, engenharia industrial, sistemas de ignição, sistemas de defesa aérea.
Saída de pulso
A maioria dos lasers semicondutores gera um feixe contínuo. Devido ao curto tempo de residência dos elétrons no nível de condução, eles não são muito adequados para gerar pulsos Q-switched, mas o modo de operação quase contínuo permite um aumento significativo na potência do gerador quântico. Além disso, lasers semicondutores podem ser usados para gerar pulsos ultracurtos com bloqueio de modo ou comutação de ganho. A potência média de pulsos curtos é geralmente limitada a alguns miliwatts, com exceção dos lasers VECSEL bombeados opticamente, cuja saída é medida por pulsos de picossegundos de vários watts com uma frequência de dezenas de gigahertz.
Modulação e estabilização
A vantagem da curta permanência de um elétron na banda de condução é a capacidade dos lasers semicondutores de modulação de alta frequência, que para lasers VCSEL excede 10 GHz. Ele encontrou aplicação na transmissão de dados ópticos, espectroscopia, estabilização a laser.
