Was ist ein Halbleiterlaser? (Teil Ⅰ)

Seit der Erfindung des erstenHalbleiterlaserIm Jahr 1962 erlebte der Halbleiterlaser auf der Welt große Veränderungen, die die Entwicklung anderer Wissenschaften und Technologien erheblich förderten, und gilt als eine der wichtigsten Erfindungen des 20. Jahrhunderts. In den letzten Jahrzehnten ist die Entwicklung von Halbleiterlasern immer schneller vorangekommen und hat sich zur weltweit am schnellsten entwickelten Lasertechnologie entwickelt. Die Anwendung von Halbleiterlasern deckt den gesamten Bereich der Optoelektronik ab und ist zur Kerntechnologie der optoelektronischen Wissenschaft geworden. Aufgrund der Vorteile kleiner Größe, einfacher Struktur, geringer Eingangsenergie, langer Lebensdauer, einfacher Modulation und niedrigem Preis ist der Halbleiterlaser in der Optoelektronik weit verbreitet und wird von Ländern auf der ganzen Welt hoch geschätzt.

1. Halbleiterlaser

Der Halbleiterlaser ist eine Art miniaturisierter Laser, der aus einem Pn-Übergang oder Pin aus Halbleitermaterial mit direkter Bandlücke besteht. Es gibt Dutzende Arten von Halbleiter-Laserbearbeitungsmaterialien. Derzeit sind die Halbleitermaterialien, die zu Lasern verarbeitet wurden, Galliumarsenid, Indiumarsenid, Indiumantimonid, Cadmiumsulfid, Cadmiumtellurid, Bleiselenid, Bleitellurid, Aluminiumgalliumarsen, Indiumphosphorarsen und so weiter. Es gibt drei Arten von Anregungsmodi eines Halbleiterlasers, nämlich elektrische Injektion, optische Pumpe und Anregung mit einem hochenergetischen Elektronenstrahl. Der Anregungsmodus der meisten Halbleiterlaser ist elektrische Injektion, d. h., eine Durchlassspannung wird an den Pn-Übergang angelegt, um eine stimulierte Emission im Bereich der Verbindungsebene zu erzeugen, d. h. es handelt sich um eine in Durchlassrichtung vorgespannte Diode. Daher wird der Halbleiterlaser auch Halbleiterlaserdiode genannt. Da Elektronen bei Halbleitern zwischen Energiebändern und nicht zwischen diskreten Energieniveaus wechseln, ist die Übergangsenergie kein eindeutiger Wert, wodurch die Ausgangswellenlänge des Halbleiterlasers über einen weiten Bereich verteilt ist. Sie emittieren Wellenlängen im Bereich von 0,3 bis 34 μm. Der Wellenlängenbereich hängt von der Bandlücke des verwendeten Materials ab. Der übliche AlGaAs-Doppelheterojunction-Laser hat eine Ausgangswellenlänge von 750 bis 890 nm.

Die Herstellungstechnologie für Halbleiterlaser hat sich von der Diffusionsmethode über die Flüssigphasenepitaxie (LPE), die Gasphasenepitaxie (VPE), die Molekularstrahlepitaxie (MBE), das MOCVD-Verfahren (organische Metalldampfabscheidung), die chemische Strahlepitaxie (CBE) und ihre verschiedenen Verfahren erstreckt Kombination verschiedener Prozesse. Der Nachteil des Halbleiterlasers besteht darin, dass die Laserleistung von der Temperatur beeinflusst wird und der Divergenzwinkel des Strahls groß ist (im Allgemeinen zwischen mehreren Grad und 20 Grad), sodass er eine schlechte Richtwirkung, monochromatische Eigenschaft und Kohärenz aufweist. Aber mit der rasanten Entwicklung von Wissenschaft und Technologie schreitet die Forschung zu DPSS-Lasern immer weiter voran und die Leistung von Halbleiterlasern verbessert sich ständig. Die Halbleiter-Optoelektronik-Technologie mit Halbleiterlasern als Kern wird größere Fortschritte machen und eine größere Rolle in der Informationsgesellschaft des 21. Jahrhunderts spielen.

2. Funktionsprinzip von Halbleiterlasern

Der Halbleiterlaser ist eine kohärente Strahlungsquelle. Um einen Laser zu erzeugen, müssen drei Grundbedingungen erfüllt sein.

①Verstärkungsbedingung: Die Inversionsverteilung der Ladungsträger im Anregungsmedium (aktiver Bereich) wird hergestellt. In Halbleitern wird die Energie von Elektronen durch eine Reihe nahezu kontinuierlicher Energieniveaus dargestellt. Dies wird erreicht, indem eine Durchlassvorspannung an den Homogen- oder Heteroübergang angelegt und die notwendigen Ladungsträger in die aktive Schicht injiziert werden, um Elektronen vom unteren Valenzband in das höhere Leitungsband anzuregen. Stimulierte Emission tritt auf, wenn eine große Anzahl von Elektronen im umgekehrten Zustand der Teilchenpopulation mit Löchern rekombiniert.

②Um tatsächlich kohärente angeregte Strahlung zu erhalten, muss man dafür sorgen, dass die angeregte Strahlung im optischen Resonator mehrere Rückkopplungen erhält und Laserschwingungen bildet. Der Resonator des Lasers wird normalerweise am Ende durch die natürliche Spaltfläche des Halbleiterkristalls als Spiegel gebildet der leichten Beschichtung auf dem hochinversen dielektrischen Mehrschichtfilm und der glatten Oberflächenbeschichtung auf dem reduzierten inversen Film. Für den Fp-Hohlraum (Fabry-Perot-Hohlraum)-Halbleiterlaser kann der FP-Hohlraum bequem durch die natürliche Spaltungsebene senkrecht zur pn-Übergangsebene des Kristalls konstruiert werden.

③Um eine stabile Schwingung zu erzeugen, muss das Lasermedium in der Lage sein, eine ausreichende Verstärkung bereitzustellen, um den optischen Verlust auszugleichen, der durch den Resonanzhohlraum und die Laserleistung von der Oberfläche des Hohlraums verursacht wird, und das optische Feld im Hohlraum konstant zu erhöhen. Dies erfordert eine ausreichend starke Strominjektion, also eine ausreichende Teilchenzahlumkehr. Je höher der Grad der Partikelzahlinvertierung, desto größer ist die Verstärkung, d. h. eine bestimmte Stromschwellenbedingung muss erfüllt sein. Wenn der Laser die Schwelle erreicht, kann Licht mit einer bestimmten Wellenlänge im Hohlraum in Resonanz treten und verstärkt werden, um schließlich einen Laser zu bilden und kontinuierlich auszugeben. Es ist ersichtlich, dass der Dipolübergang von Elektron und Loch der grundlegende Prozess der Lichtemission und Lichtverstärkung in Halbleiterlasern ist. Für den neuen Halbleiterlaser ist allgemein anerkannt, dass der Quantentopf die grundlegende treibende Kraft für die Entwicklung von Lasern ist. Die Frage, ob Quantendrähte und -punkte die Quanteneffekte voll ausnutzen können, beschäftigt sich bis weit in dieses Jahrhundert hinein. Wissenschaftler haben mit selbstorganisierenden Strukturen experimentiert, um Quantenpunkte in verschiedenen Materialien herzustellen, und GaInN-Quantenpunkte wurden in Halbleiterlasern verwendet.

Transfer to partⅡ versteht seine Geschichte und Anwendung

Kontaktinformationen:

Wenn Sie Ideen haben, sprechen Sie uns gerne an. Egal wo unsere Kunden sind und welche Anforderungen wir haben, wir verfolgen unser Ziel, unseren Kunden hohe Qualität, niedrige Preise und den besten Service zu bieten.