Лазерный диод

Ведущий раздел этой статьи может быть слишком коротким, чтобы адекватно резюмировать ее ключевые моменты . Пожалуйста, рассмотрите возможность расширения лид, чтобы обеспечить доступный обзор всех важных аспектов статьи. ( Ноябрь 2016 г. )

Лазерный диод

Упакованный лазерный диод показан с пенни на шкале
Тип	полупроводник , светодиод
Принцип работы	полупроводник , генерация и рекомбинация носителей
Изобрел	Роберт Н. Холл , 1962 Ник Холоньяк-младший , 1962
Конфигурация контактов	Анод и катод

Вверху: упакованный лазерный диод с ценой в пенни . 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.

СЭМ ( растровый электронный микроскоп ) изображение промышленного лазерного диода с вырезанными корпусом и окном. Анодное соединение справа было случайно сломано в процессе разрезания корпуса.

Лазерный диод ( LD ), инъекции лазерный диод ( МН ), или лазерный диод представляет собой полупроводниковый устройство , похожее на диод светоизлучающий , в котором диод перекачиваемой непосредственно электрический ток может создать Генерационные условия на диода перекрестке . ^{[1] : 3} Лазерные диоды могут напрямую преобразовывать электрическую энергию в свет. Легированный pn-переход, управляемый напряжением, позволяет рекомбинировать электрон с дыркой.. 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 лазеров производства, с широким диапазоном применений , которые включают волоконно - оптических линий связи , считыватели штрих - кодов , лазерные указатели , CD / DVD - / Blu-ray диска для чтения / записи, лазерную печать , лазерное сканирование и световой луч подсветки . При использовании люминофора, подобного тому, который используется в белых светодиодах , лазерные диоды могут использоваться для общего освещения.

Теория работы простого диода [ править ]

Лазерный диод электрически представляет собой 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 PN, 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 прямозонных полупроводников. Эпитаксиальная структура лазерного диода выращена с использованием одного из кристаллов роста.методы, обычно начинающиеся с подложки, легированной N , и выращивание активного слоя, легированного I, за которым следует плакировка , легированная P , и контактный слой. Активный слой чаще всего состоит из квантовых ям , которые обеспечивают более низкий пороговый ток и более высокий КПД. ^{[1] [ необходима страница ]}

Электрическая и оптическая накачка [ править ]

Лазерные диоды составляют подмножество более широкой классификации полупроводниковых диодов с p - n переходом. Прямое электрическое смещение через лазерный диод заставляет два вида носителей заряда - дырки и электроны - «инжектироваться» с противоположных сторон p - n- перехода в область обеднения. Дырки инжектируются из p- легированного полупроводника , а электроны - из n- легированного полупроводника. ( Область обеднения , лишенная каких-либо носителей заряда, образуется в результате разности электрических потенциалов между n - и pполупроводникового 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 классифицировать как полупроводниковые лазеры. Любое обозначение отличает диодные лазеры от твердотельных лазеров .

Другой метод питания некоторых диодных лазеров - это использование оптической накачки . 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 луча - расходимости, формы и направления - при изменении мощности накачки (и, следовательно, выходной мощности), даже при соотношении выходной мощности 10: 1. ^[4]

Генерация спонтанного излучения [ править ]

Когда электрон и дырка присутствуют в одной и той же области, они могут рекомбинировать или «аннигилировать», вызывая спонтанное излучение, т.е. электрон может повторно занять энергетическое состояние дырки, испуская фотон с энергией, равной разнице между исходное состояние электрона и состояние дырки. (В обычном диоде с полупроводниковым переходом энергия, высвобождаемая при рекомбинации электронов и дырок, уносится в виде фононов , то есть колебаний решетки, а не в виде фотонов.) Спонтанное излучение ниже порога генерации дает свойства, аналогичные свойствам светодиода.. Спонтанное излучение необходимо для инициирования генерации лазера, но это один из нескольких источников неэффективности, когда лазер колеблется.

Прямые и непрямые запрещенные полупроводники [ править ]

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 называемую "прямую запрещенную зону".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 критическое свойство « прямой запрещенной зоны ». Арсенид галлия , фосфид индия , антимонид галлия и нитрид галлия Все это примеры сложных полупроводниковых материалов, которые можно использовать для создания переходных диодов, излучающих свет.

Генерация стимулированного излучения [ править ]

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 вынужденного излучения . Это генерирует другой фотон той же частоты, поляризации и фазы., 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 гораздо более эффективны в полупроводниках с прямой запрещенной зоной, чем в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной ; поэтому кремний не является обычным материалом для лазерных диодов.

Оптический резонатор и лазерные моды [ править ]

Как и в других лазерах, область усиления окружена оптическим резонатором, образующим лазер. В простейшей форме лазерного диода на поверхности этого кристалла делается оптический волновод, так что свет ограничивается относительно узкой линией. Два конца кристалла сколоты, образуя идеально гладкие параллельные края, образуя резонатор Фабри – Перо . 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 за счет вынужденного излучения , но свет также теряется из-за поглощения и неполного отражения от торцевых граней. Наконец, если усиления больше, чем потерь, диод начинает " лазать".".

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, тогда волновод может поддерживать несколько поперечных оптических режимов , и лазер известен как «многомодовый». Эти поперечно-многомодовые лазеры подходят в случаях, когда требуется очень большое количество мощности, но не небольшой пучок ТЕМ00 с дифракционным ограничением ; например, в печати, активации химикатов, микроскопии или накачке других типов 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 [ править ]

Из-за дифракции луч быстро расходится (расширяется) после выхода из чипа, обычно под углом 30 градусов по вертикали и 10 градусов по горизонтали. Необходимо использовать линзу , чтобы формировать коллимированный луч, подобный тому, который создается лазерной указкой. Если требуется круговой луч, используются цилиндрические линзы и другая оптика. Для одномодовых лазеров с одной пространственной модой, использующих симметричные линзы, коллимированный пучок имеет эллиптическую форму из-за разницы в вертикальной и поперечной расходимости. Это легко заметить с помощью красной лазерной указки .

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 [ править ]

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 [ править ]

В этих устройствах слой материала с малой шириной запрещенной зоны зажат между двумя слоями с большой шириной запрещенной зоны. Одна из часто используемых пар материалов - это арсенид галлия (GaAs) с арсенидом алюминия-галлия (Al _x Ga _(1-x) As). Каждый из переходов между различными материалами запрещенной зоны называется гетероструктурой , отсюда и название «лазер с двойной гетероструктурой» или DH- лазер. Тип лазерного диода, описанный в первой части статьи, можно назвать гомопереходным лазером в отличие от этих более популярных устройств.

Преимущество DH-лазера состоит в том, что область, в которой одновременно существуют свободные электроны и дырки, - активная область, - ограничена тонким средним слоем. Это означает, что гораздо больше электронно-дырочных пар может вносить вклад в усиление - не так много пар остается в стороне от плохо усиливающей периферии. Кроме того, свет отражается внутри гетероперехода; следовательно, свет ограничен областью, в которой происходит усиление.

Лазеры на квантовых ямах [ править ]

Если средний слой сделать достаточно тонким, он действует как квантовая яма . Это означает, что вертикальное изменение волновой функции электрона и , следовательно, составляющая его энергии квантуются. Эффективность лазера с квантовыми ямами выше, чем у объемного лазера, потому что функция плотности состояний электронов в системе с квантовыми ямами имеет резкий край, который концентрирует электроны в энергетических состояниях, которые вносят вклад в лазерное воздействие.

Лазеры, содержащие более одного слоя квантовых ям, известны как лазеры с несколькими квантовыми ямами . Множественные квантовые ямы улучшают перекрытие области усиления с модой оптического волновода .

Дальнейшее повышение эффективности лазера также было продемонстрировано за счет уменьшения слоя квантовой ямы до квантовой проволоки или до «моря» квантовых точек .

Квантовые каскадные лазеры [ править ]

В квантовом каскадном лазере разница между уровнями энергии квантовой ямы используется для лазерного перехода вместо ширины запрещенной зоны. Это дает возможность лазерного воздействия на относительно длинных длинах волн , которые можно настроить, просто изменив толщину слоя. Это лазеры на гетеропереходе.

Межзонные каскадные лазеры [ править ]

Каскад лазер Межзонного (МКО) представляет собой тип лазерного диода , который может произвести когерентное излучение на большую часть средней инфракрасной области электромагнитного спектра.

Лазеры на гетероструктурах с раздельным ограничением [ править ]

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 более низкий 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. ^{[ необходима цитата ]}

Лазеры с распределенным брэгговским отражателем [ править ]

Распределенная отражатель лазерного Брэгга ( РБО ) представляет собой тип одной частоты лазерного диода. ^[5] Он характеризуется оптическим резонатором, состоящим 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 структурированную дифракционную решетку.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 [ править ]

Распределенный обратная связь лазер (РОС) представляет собой тип одной частоты лазерного диода. ^[5] DFB являются наиболее распространенным типом передатчиков в DWDM- системах. Для стабилизации длины волны генерации вблизи pn-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 имеет просветляющее 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 уменьшенное пространственное прожигание дыр.

Лазер поверхностного излучения с вертикальным резонатором [ править ]

Лазеры с поверхностным излучением 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 представляют собой диэлектрические зеркала, изготовленные из чередующегося многослойного четвертьволнового слоя с чередованием четвертьволновых волн с низким показателем преломления.

Такие диэлектрические зеркала обеспечивают высокую степень селективного по длине волны отражения при требуемой длине волны свободной поверхности λ, если толщины чередующихся слоев d ₁ и d ₂ с показателями преломления n ₁ и n ₂ таковы, что n ₁ d ₁ + n ₂ d ₂ = 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 параллельный, 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.

Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором [ править ]

Вертикальные лазеры с поверхностным излучением с внешним резонатором, или VECSEL , похожи на VCSEL. В VCSEL зеркала обычно выращиваются эпитаксиально как часть диодной структуры или выращиваются отдельно и соединяются 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 pn-перехода VECSEL с оптической накачкой не считаются «диодными лазерами» и классифицируются как полупроводниковые лазеры. ^{[ необходима цитата ]}

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

Диодные лазеры с внешним резонатором [ править ]

Диодные лазеры с внешним резонатором - это перестраиваемые лазеры, в которых используются в основном двойные гетероструктурные диоды типа Al _x Ga _(1-x) As. Первые диодные лазеры с внешним резонатором использовали внутрирезонаторные эталоны ^[7] и простые настраиваемые решетки Литтроу. ^[8] Другие конструкции включают решетки в конфигурации скользящего падения и конфигурации решеток с несколькими призмами. ^[9]

Механизмы отказа [ править ]

Этот раздел может быть слишком техническим для понимания большинством читателей . Пожалуйста, помогите улучшить его, чтобы он был понятен неспециалистам , не удаляя технических деталей. ( Июль 2011 г. ) ( Узнайте, как и когда удалить этот шаблон сообщения )

Лазерные диоды имеют те же проблемы с надежностью и отказом, что и светоизлучающие диоды . Кроме того, они подвержены катастрофическим оптическим повреждениям (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 позволяет 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 формируется путем скола полупроводниковой пластины с образованием зеркально отражающей плоскости. ^{[1] : 24} Этому подходу способствует слабость кристаллографической плоскости [110] в полупроводниковых кристаллах III-V (таких как GaAs , InP , GaSb и т. Д.) По сравнению с другими плоскостями.

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

В результате, когда свет проходит через плоскость спайности и переходит в свободное пространство в пределах от полупроводникового кристалла, доля световой энергии поглощаются поверхностными состояниями , где он преобразуется в тепло посредством фонона - электронных взаимодействий. 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 электронных межзонных переходов в соответствии с энергией фотонов, вызывая еще большее поглощение. Это тепловой разгон , формаположительная обратная связь , и результатом может быть плавление грани, известное как катастрофическое оптическое повреждение или ХПК.

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 мкм до 2 мкм). . Майкл Эттенберг, исследователь, а затем вице-президент исследовательского центра Дэвида Сарноффа RCA Laboratories в Принстоне, штат Нью-Джерси , разработал решение. На грань нанесен тонкий слой оксида алюминия . Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он действует как антибликовое покрытие , уменьшая отражение на 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, становятся непоглощающими на интересующей длине волны.

В самом начале 1990-х SDL, Inc. начала поставлять мощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Сцифрес и технический директор Дэвид Велч представили новые данные о надежности, например, на конференциях SPIE Photonics West того времени. Методы, используемые SDL для противодействия COD, считались проприетарными и по состоянию на июнь 2006 г. все еще не разглашались.

В середине 1990-х компания IBM Research (Ruschlikon, Швейцария ) объявила, что разработала так называемый «процесс E2», который придал необычайную стойкость к ХПК в лазерах на основе GaAs. По состоянию на июнь 2006 года 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 различных 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 [ править ]

Лазерные диоды численно являются наиболее распространенным типом лазеров: в 2004 году было продано около 733 миллионов единиц ^[10] по сравнению с 131 000 других типов лазеров. ^[11]

Телекоммуникации, сканирование и спектрометрия [ править ]

Лазерные диоды находят широкое применение в телекоммуникациях в качестве легко модулируемых и легко подключаемых источников света для волоконно-оптической связи. Они используются в различных измерительных приборах, например, в дальномерах . Другое распространенное применение - считыватели штрих-кода . Видимые лазеры, обычно красные, но позже и зеленые , часто используются в качестве лазерных указателей . 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. Инфракрасные и красные лазерные диоды распространены в проигрывателях компакт-дисков., CD-ROM и DVD техника. Фиолетовые лазеры используются в технологиях HD DVD и Blu-ray . Диодные лазеры также нашли множество применений в лазерной абсорбционной спектрометрии (LAS) для высокоскоростной и недорогой оценки или мониторинга концентрации различных частиц 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. К этой категории можно отнести лазерные принтеры , считыватели штрих-кодов, сканирование изображений , осветители, указатели, оптическую запись данных, зажигание сгорания , лазерную хирургию , промышленную сортировку, промышленную обработку и оружие направленной энергии. Некоторые из этих приложений хорошо зарекомендовали себя, а другие только появляются.

Медицинское использование [ править ]

Лазерная медицина : медицина и особенно стоматология нашли много новых применений для диодных лазеров. ^{[12] [13] [14] [15]} Уменьшение размера и стоимости ^[16] устройств, а также их растущее удобство в использовании делают их очень привлекательными для клиницистов при проведении незначительных процедур на мягких тканях. Диоды с длинами волн от 810 до 1100 нм плохо поглощаются мягкими тканями и не используются для резки или абляции . ^{[17] [18] [19] [20]} Мягкие ткани не разрезаются лучом лазера, а вместо этого разрезаются при контакте с горячим обугленным наконечником стекла. ^{[19] [20]}Излучение лазера сильно поглощается дистальным концом наконечника и нагревает его до температуры от 500 ° C до 900 ° C. ^[19] Поскольку кончик очень горячий, его можно использовать для разрезания мягких тканей и вызвать гемостаз из- за прижигания и карбонизации . ^{[19] [20]} Диодные лазеры при использовании на мягких тканях могут вызвать обширное сопутствующее термическое повреждение окружающих тканей. ^{[19] [20]}

Поскольку лазерный луч по своей природе когерентен , 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 определения дальности, телекоммуникаций, инфракрасного противодействия, спектроскопического зондирования , генерации радиочастотных или терагерцовых волн, подготовки состояния атомных часов, криптографии с квантовым ключом, удвоения частоты и конверсия, очистка воды (в УФ) и фотодинамическая терапия (где определенная длина волны света может привести к тому, что такое вещество, как порфирин, станет химически активным в качестве противоракового агента, только если ткань освещена светом).

Лазерные диоды используются из-за их способности генерировать ультракороткие световые импульсы с помощью техники, известной как «синхронизация мод». Области 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 способы их использования [ править ]

Видимый свет [ править ]

• 405 нм - InGaN сине-фиолетовый лазер, в Blu-Ray Disc и HD DVD дисков
• 445–465 нм - недавно представленный (2010 г.) синий лазерный многомодовый диод InGaN для использования в безртутных проекторах данных высокой яркости
• 510–525 нм - зеленые диоды InGaN, недавно разработанные (2010 г.) компаниями Nichia и OSRAM для лазерных проекторов. ^[21]
• 635 нм - лучше красные лазерные указки AlGaInP, такая же мощность субъективно вдвое ярче, чем 650 нм
• 650–660 нм - CD и DVD приводы GaInP / AlGaInP , дешевые красные лазерные указки
• 670 нм - считыватели штрих-кода AlGaInP , первые диодные лазерные указатели (теперь устаревшие, заменены более яркими 650 нм и 671 нм DPSS)

Инфракрасный [ править ]

• 760 нм - определение газа AlGaInP : O
  ₂
• 785 нм - GaAlAs Компактные дисковые накопители
• 808 нм - GaAlAs насосы в DPSS Nd: YAG лазеры (например, в зеленых лазерных указателей или как массивы в более мощных лазеров)
• 848 нм - лазерные мыши
• 980 нм - InGaAs накачка для оптических усилителей , для Yb: YAG DPSS-лазеров
• 1064 нм - оптоволоконная связь AlGaAs , частота накачки лазера DPSS
• 1310 нм - волоконно-оптическая связь InGaAsP , InGaAsN
• 1480 нм - накачка InGaAsP для оптических усилителей
• 1512 нм - определение газа InGaAsP : NH
  ₃
• 1550 нм - оптоволоконная связь InGaAsP , InGaAsNSb
• 1,625 нм - волоконно-оптическая связь InGaAsP , служебный канал
• 1,654 нм - измерение газа InGaAsP : CH
  ₄
• 1877 нм - датчик газа GaInAsSb : H
  ₂О
• 2004 нм - датчик газа GaInAsSb : CO
  ₂
• 2330 нм - датчик газа GaInAsSb : CO
• 2680 нм - датчик газа GaInAsSb : CO
  ₂
• 3030 нм - газоочистка GaInAsSb : C
  ₂ЧАС
  ₂
• 3330 нм - датчик газа GaInAsSb : CH
  ₄

История [ править ]

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

После теоретических исследований М.Г. Бернара, Дж. Дураффура и Уильяма П. Думке в начале 1960-х годов когерентное излучение света полупроводниковым диодом на основе арсенида галлия (GaAs) (лазерный диод) было продемонстрировано в 1962 году двумя американскими группами под руководством Роберта Н. Холла. в исследовательском центре General Electric ^[24] и Маршаллом Натаном в исследовательском центре IBM TJ Watson. ^[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, Бен Лаксом из Массачусетского технологического института среди других ведущих физиков, что кремний или германий могут быть использованы для создания эффекта генерации, 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 Ником Холоняком-младшим.позже в 1962 году. ^[27]

Другие группы из Лаборатории Линкольна Массачусетского технологического института , Texas Instruments и RCA Laboratories также принимали участие и получили признание за свои исторические первые демонстрации эффективного излучения света и генерации на полупроводниковых диодах в 1962 году и позже. Лазеры на GaAs также были произведены в начале 1963 года в Советском Союзе коллективом под руководством Николая Басова . ^[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. Его окончательно вытеснили в 1970-х годах молекулярно-лучевая эпитаксия и металлоорганическое химическое осаждение из газовой 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 (сформированные из гетероструктур) были признаны Гербертом Кремером во время работы в RCA Laboratories в середине 1950-х годов как имеющие уникальные преимущества для нескольких типов электронных и оптоэлектронных устройств, включая диодные лазеры. LPE предоставила технологию создания диодных лазеров на гетеропереходах. В 1963 году он предложиллазер с двойной гетероструктурой .

Первые диодные лазеры на гетеропереходе были лазерами с одинарным гетеропереходом. В этих лазерах использовались инжекторы арсенида алюминия-галлия p- типа, расположенные над слоями арсенида галлия n- типа, выращенными на подложке методом LPE. Примесь алюминия заменила галлий в кристалле полупроводника и увеличила запрещенную зону инжектора p- типа по сравнению с нижележащими слоями n- типа. 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 на двойной гетероструктуре. Хитрость заключалась в том, чтобы быстро перемещать пластину в аппарате LPE между разными «расплавами» арсенида алюминия-галлия ( p- и n -типа) и третьим расплавом арсенида галлия. Это нужно было сделать быстро, поскольку толщина области ядра арсенида галлия должна была быть значительно меньше 1 мкм. Первым лазерным диодом, работающим в непрерывном режиме, была двойная гетероструктура, продемонстрированная в 1970 году по существу одновременно Жоресом Алферовым и его сотрудниками (включая Дмитрия З. Гарбузова ) из Советского Союза , а также Мортоном Панишем иИдзуо Хаяси работает 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.

См. Также [ править ]

• Коллимирующая линза
• Лазерная безопасность - объясняет старую систему классификации лазеров с использованием римских цифр (I II III IV) и новую систему, указанную в стандарте IEC 60825-1.
• Список лазерных статей
• Суперлюминесцентный диод

Ссылки [ править ]

Дальнейшее чтение [ править ]

• Принципы полупроводниковых приборов Б. Ван Зегбрука (для прямой и непрямой 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 Tunable Laser Applications . Нью-Йорк: CRC Press. ISBN 9781482261066 . С. 203–241 (Для диодных лазеров с внешним резонатором). 

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме диодных лазеров .

• Введение в лазерные диоды
• Обзор доступных одномодовых диодных лазеров
• Видео, показывающее процесс сборки лазерного стержня
• Samuel M. Goldwasser: часто задаваемые вопросы о лазере Сэма
• Управляющие диодные лазеры (EuroPhotonics - 08/2004)
• Бритни Спирс: Руководство по лазерам с торцевым излучением для физики полупроводников
• Примечания по применению и технические характеристики, объясняющие контроль тока и температуры лазерных диодов
• Приложение, объясняющее, как разработать и протестировать лазерный драйвер [1]