მუშაობის პრინციპი და ძირითადი ტიპებინახევარგამტარული ლაზერი
ნახევარგამტარილაზერული დიოდებიმაღალი ეფექტურობით, მინიატურიზაციითა და ტალღის სიგრძის მრავალფეროვნებით, ფართოდ გამოიყენება ოპტოელექტრონული ტექნოლოგიის ძირითად კომპონენტებად ისეთ სფეროებში, როგორიცაა კომუნიკაცია, სამედიცინო მომსახურება და სამრეწველო დამუშავება. ეს სტატია დამატებით წარმოგვიდგენს ნახევარგამტარული ლაზერების მუშაობის პრინციპს და ტიპებს, რაც მოსახერხებელია ოპტოელექტრონული მკვლევრების უმეტესობისთვის.
1. ნახევარგამტარული ლაზერების სინათლის გამოსხივების პრინციპი
ნახევარგამტარული ლაზერების ლუმინესცენციის პრინციპი ეფუძნება ნახევარგამტარული მასალების ზოლის სტრუქტურას, ელექტრონულ გადასვლებს და სტიმულირებულ ემისიას. ნახევარგამტარული მასალები არის მასალის ტიპი, რომელსაც აქვს ზოლური უფსკრული, რომელიც მოიცავს ვალენტურ და გამტარ ზოლებს. როდესაც მასალა ძირითად მდგომარეობაშია, ელექტრონები ავსებენ ვალენტურ ზოლს, მაშინ როდესაც გამტარ ზოლში ელექტრონები არ არის. როდესაც გარკვეული ელექტრული ველი გამოიყენება გარედან ან ხდება დენის ინექცია, ზოგიერთი ელექტრონი გადადის ვალენტური ზოლიდან გამტარ ზოლში, რაც ქმნის ელექტრონ-ხვრელის წყვილებს. ენერგიის გამოთავისუფლების პროცესში, როდესაც ეს ელექტრონ-ხვრელის წყვილები სტიმულირებულია გარე სამყაროდან, წარმოიქმნება ფოტონები, ანუ ლაზერები.
2. ნახევარგამტარული ლაზერების აგზნების მეთოდები
ნახევარგამტარული ლაზერებისთვის ძირითადად სამი აგზნების მეთოდი არსებობს: ელექტრული ინექციის ტიპი, ოპტიკური ტუმბოს ტიპი და მაღალი ენერგიის ელექტრონული სხივის აგზნების ტიპი.
ელექტრულად ინექცირებული ნახევარგამტარული ლაზერები: ზოგადად, ისინი წარმოადგენენ ნახევარგამტარული ზედაპირული შეერთების დიოდებს, რომლებიც დამზადებულია ისეთი მასალებისგან, როგორიცაა გალიუმის არსენიდი (GaAs), კადმიუმის სულფიდი (CdS), ინდიუმის ფოსფიდი (InP) და თუთიის სულფიდი (ZnS). ისინი აღიგზნებიან პირდაპირი გადახრის გასწვრივ დენის ინექციით, რაც წარმოქმნის სტიმულირებულ ემისიას შეერთების სიბრტყის რეგიონში.
ოპტიკურად ტუმბოს მქონე ნახევარგამტარული ლაზერები: როგორც წესი, სამუშაო ნივთიერებად გამოიყენება N ტიპის ან P ტიპის ნახევარგამტარული მონოკრისტალები (როგორიცაა GaAS, InAs, InSb და ა.შ.) დალაზერისხვა ლაზერების მიერ გამოსხივებული გამოსხივება გამოიყენება როგორც ოპტიკურად ტუმბოს აგზნება.
მაღალი ენერგიის ელექტრონული სხივით აღგზნებული ნახევარგამტარული ლაზერები: როგორც წესი, ისინი ასევე იყენებენ N-ტიპის ან P-ტიპის ნახევარგამტარულ მონოკრისტალებს (როგორიცაა PbS, CdS, ZhO და ა.შ.) სამუშაო ნივთიერებად და აღიგზნებიან გარედან მაღალი ენერგიის ელექტრონული სხივის შეყვანით. ნახევარგამტარული ლაზერული მოწყობილობებიდან, უკეთესი შესრულებისა და ფართო გამოყენების მქონეა ელექტრულად შეყვანილი GaAs დიოდური ლაზერი ორმაგი ჰეტეროსტრუქტურით.
3. ნახევარგამტარული ლაზერების ძირითადი ტიპები
ნახევარგამტარული ლაზერის აქტიური რეგიონი ფოტონების გენერირებისა და გაძლიერების ძირითადი არეა და მისი სისქე მხოლოდ რამდენიმე მიკრომეტრია. შიდა ტალღგამტარი სტრუქტურები გამოიყენება ფოტონების გვერდითი დიფუზიის შესაზღუდად და ენერგიის სიმკვრივის გასაზრდელად (მაგალითად, ქედისებრი ტალღგამტარები და ჩამარხული ჰეტეროშეერთებები). ლაზერი იყენებს სითბოს ჩამძირავი დიზაინის დიზაინს და ირჩევს მაღალი თბოგამტარობის მასალებს (მაგალითად, სპილენძ-ვოლფრამის შენადნობი) სწრაფი სითბოს გაფრქვევისთვის, რამაც შეიძლება თავიდან აიცილოს გადახურებით გამოწვეული ტალღის სიგრძის დრიფტი. მათი სტრუქტურისა და გამოყენების სცენარების მიხედვით, ნახევარგამტარული ლაზერები შეიძლება კლასიფიცირდეს შემდეგ ოთხ კატეგორიად:
კიდისებრი ლაზერი (EEL)
ლაზერი გამოდის ჩიპის გვერდზე არსებული გახლეჩის ზედაპირიდან და ქმნის ელიფსურ ლაქას (დაახლოებით 30°×10° დივერგენციის კუთხით). ტიპური ტალღის სიგრძეებია 808 ნმ (ტუმბოსთვის), 980 ნმ (კომუნიკაციისთვის) და 1550 ნმ (ბოჭკოვანი კომუნიკაციისთვის). ის ფართოდ გამოიყენება მაღალი სიმძლავრის სამრეწველო ჭრაში, ბოჭკოვანი ლაზერული ტუმბოს წყაროებსა და ოპტიკური კომუნიკაციის მაგისტრალურ ქსელებში.
2. ვერტიკალური ღრუს ზედაპირული გამოსხივების ლაზერი (VCSEL)
ლაზერი გამოსხივდება ჩიპის ზედაპირის პერპენდიკულარულად, წრიული და სიმეტრიული სხივით (დივერგენციის კუთხე <15°). იგი აერთიანებს განაწილებულ ბრაგის რეფლექტორს (DBR), რაც გამორიცხავს გარე რეფლექტორის საჭიროებას. ის ფართოდ გამოიყენება 3D სენსორებში (მაგალითად, მობილური ტელეფონით სახის ამოცნობა), მოკლე დიაპაზონის ოპტიკურ კომუნიკაციაში (მონაცემთა ცენტრები) და LiDAR-ში.
3. კვანტური კასკადური ლაზერი (QCL)
კვანტურ ჭებს შორის ელექტრონების კასკადური გადასვლის საფუძველზე, ტალღის სიგრძე მოიცავს საშუალო და შორეულ ინფრაწითელ დიაპაზონს (3-30 μm), პოპულაციის ინვერსიის საჭიროების გარეშე. ფოტონები წარმოიქმნება ქვეზოლებს შორის გადასვლების გზით და ხშირად გამოიყენება ისეთ აპლიკაციებში, როგორიცაა გაზის აღქმა (მაგალითად, CO₂ აღმოჩენა), ტერაჰერცული ვიზუალიზაცია და გარემოს მონიტორინგი.
რეგულირებადი ლაზერის გარე ღრუს დიზაინს (ბადე/პრიზმა/MEMS სარკე) შეუძლია მიაღწიოს ±50 ნმ ტალღის სიგრძის რეგულირების დიაპაზონს, ვიწრო ხაზის სიგანით (<100 kHz) და მაღალი გვერდითი რეჟიმის უარყოფის კოეფიციენტით (>50 dB). ის ხშირად გამოიყენება ისეთ აპლიკაციებში, როგორიცაა მკვრივი ტალღის სიგრძის გაყოფის მულტიპლექსირება (DWDM) კომუნიკაცია, სპექტრული ანალიზი და ბიოსამედიცინო ვიზუალიზაცია. ნახევარგამტარული ლაზერები ფართოდ გამოიყენება საკომუნიკაციო ლაზერულ მოწყობილობებში, ციფრულ ლაზერულ შესანახ მოწყობილობებში, ლაზერული დამუშავების მოწყობილობებში, ლაზერული მარკირებისა და შეფუთვის მოწყობილობებში, ლაზერული შაბლონებისა და ბეჭდვის მოწყობილობებში, ლაზერულ სამედიცინო აღჭურვილობაში, ლაზერული მანძილისა და კოლიმაციის აღმოჩენის ინსტრუმენტებში, გართობისა და განათლების ლაზერულ ინსტრუმენტებსა და აღჭურვილობაში, ლაზერულ კომპონენტებსა და ნაწილებში და ა.შ. ისინი ლაზერული ინდუსტრიის ძირითად კომპონენტებს მიეკუთვნებიან. ფართო გამოყენების გამო, ლაზერების მრავალი ბრენდი და მწარმოებელი არსებობს. არჩევანის გაკეთებისას, ის უნდა ეფუძნებოდეს კონკრეტულ საჭიროებებსა და გამოყენების სფეროებს. სხვადასხვა მწარმოებელს აქვს განსხვავებული გამოყენება სხვადასხვა სფეროში და მწარმოებლებისა და ლაზერების შერჩევა უნდა მოხდეს პროექტის ფაქტობრივი გამოყენების სფეროს მიხედვით.
გამოქვეყნების დრო: 2025 წლის 5 ნოემბერი