Halbleiterlaser

Ein Halbleiterlaser ist ein miniaturisierter Laser, der einen Pn-Übergang oder Pin-Übergang verwendet, der aus einem Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke als Arbeitssubstanz besteht. Es gibt Dutzende von Halbleiterlaser-Arbeitsmaterialien. Zu den Halbleitermaterialien, die zu Lasern verarbeitet wurden, gehören Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumantimonid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Bleiselenid, Bleitellurid, Aluminiumgalliumarsenid, Indiumphosphor, Arsen usw. Es gibt drei Hauptanregungsmethoden für Halbleiter Laser, nämlich vom elektrischen Injektionstyp, vom optischen Pumptyp und vom Hochenergie-Elektronenstrahl-Anregungstyp. Das Anregungsverfahren der meisten Halbleiterlaser ist die elektrische Injektion, d. h. es wird eine Durchlassspannung an den Pn-Übergang angelegt, um eine stimulierte Emission im Bereich der Übergangsebene zu erzeugen, d. h. eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode. Daher werden Halbleiterlaser auch als Halbleiterlaserdioden bezeichnet. Da bei Halbleitern Elektronen eher zwischen Energiebändern als diskreten Energieniveaus wechseln, ist die Übergangsenergie kein definitiver Wert, wodurch die Ausgangswellenlänge von Halbleiterlasern über einen weiten Bereich gestreut wird. auf der Strecke. Die emittierten Wellenlängen liegen zwischen 0,3 und 34 µm. Der Wellenlängenbereich wird durch die Energiebandlücke des verwendeten Materials bestimmt. Am gebräuchlichsten ist der AlGaAs-Doppelheteroübergangslaser, der eine Ausgangswellenlänge von 750–890 nm hat.

Die Halbleiterlaser-Fertigungstechnologie hat Erfahrung vom Diffusionsverfahren bis zur Flüssigphasenepitaxie (LPE), Dampfphasenepitaxie (VPE), Molekularstrahlepitaxie (MBE), MOCVD-Verfahren (Aufdampfen von metallorganischen Verbindungen), chemische Strahlepitaxie (CBE)) und verschiedene Kombinationen davon. Der größte Nachteil von Halbleiterlasern besteht darin, dass die Laserleistung stark von der Temperatur beeinflusst wird und der Divergenzwinkel des Strahls groß ist (im Allgemeinen zwischen einigen Grad und 20 Grad), sodass er eine schlechte Richtwirkung, Monochromatizität und Kohärenz aufweist. Mit der schnellen Entwicklung von Wissenschaft und Technologie schreitet die Forschung von Halbleiterlasern jedoch in Richtung Tiefe voran, und die Leistung von Halbleiterlasern verbessert sich ständig. Die optoelektronische Halbleitertechnologie mit dem Halbleiterlaser als Kernstück wird sich weiter entwickeln und in der Informationsgesellschaft des 21. Jahrhunderts eine größere Rolle spielen.

Wie funktionieren Halbleiterlaser?

Ein Halbleiterlaser ist eine kohärente Strahlungsquelle. Damit es Laserlicht erzeugt, müssen drei Grundbedingungen erfüllt sein:

1. Verstärkungsbedingung: Die Inversionsverteilung von Trägern im Lasermedium (aktiver Bereich) wird hergestellt. Im Halbleiter besteht das Energieband, das die Elektronenenergie darstellt, aus einer Reihe von nahezu kontinuierlichen Energieniveaus. Daher muss im Halbleiter, um eine Besetzungsinversion zu erreichen, die Anzahl der Elektronen am unteren Ende des Leitungsbandes des hochenergetischen Zustands viel größer sein als die Anzahl der Löcher am oberen Ende des Valenzbands des niederenergetischen Zustands Zustand zwischen den beiden Energiebandregionen. Der Heteroübergang ist in Vorwärtsrichtung vorgespannt, um notwendige Träger in die aktive Schicht zu injizieren, um Elektronen aus dem Valenzband mit niedrigerer Energie in das Leitungsband mit höherer Energie anzuregen. Stimulierte Emission tritt auf, wenn eine große Anzahl von Elektronen in einem Zustand der Besetzungsinversion mit Löchern rekombinieren.

2. Um tatsächlich kohärente angeregte Strahlung zu erhalten, muss die angeregte Strahlung im optischen Resonator mehrfach zur Laserschwingung zurückgekoppelt werden. Der Laserresonator wird durch die natürliche Spaltfläche des Halbleiterkristalls als Spiegel gebildet, normalerweise in Das Ende, das kein Licht emittiert, ist mit einem hochreflektierenden dielektrischen Mehrschichtfilm beschichtet, und die lichtemittierende Oberfläche ist mit einem Anti- Reflexionsfolie. Für den Halbleiterlaser mit F-p-Hohlraum (Fabry-Perot-Hohlraum) kann der F-p-Hohlraum leicht gebildet werden, indem die natürliche Spaltungsebene des Kristalls senkrecht zur Ebene des p-n-Übergangs verwendet wird.

3. Um eine stabile Oszillation zu bilden, muss das Lasermedium in der Lage sein, eine ausreichend große Verstärkung bereitzustellen, um den durch den Resonator verursachten optischen Verlust und den durch die Laserausgabe von der Resonatoroberfläche usw. verursachten Verlust kontinuierlich zu kompensieren Erhöhen Sie das optische Feld in der Kavität. Dies erfordert eine ausreichend starke Strominjektion, d. h. es gibt genügend Besetzungsinversion, je höher der Grad der Besetzungsinversion, desto größer die erhaltene Verstärkung, d. h. es muss eine bestimmte Stromschwellenbedingung erfüllt sein. Wenn der Laser die Schwelle erreicht, kann das Licht mit einer bestimmten Wellenlänge in der Kavität mitschwingen und verstärkt werden und schließlich einen Laser bilden und kontinuierlich ausgeben. Es ist ersichtlich, dass in Halbleiterlasern der Dipolübergang von Elektronen und Löchern der grundlegende Prozess der Lichtemission und Lichtverstärkung ist. Für neue Halbleiterlaser wird derzeit anerkannt, dass Quantentöpfe die Grundlage bilden