Was ist ein Halbleiterlaser? (Teil Ⅱ)

Halbleiterlaser gehört zu einer Art Festkörperlaser, ist ein Halbleitermaterial als Lasermedium, der Strominjektionsdiodenquellenbereich dient als Pumpmodus der Laserdiode (durch Elektronen angeregte Strahlung zur Lichterzeugung). Unter allen Arten von Lasern weist der Halbleiterlaser die beste Energieumwandlungseffizienz auf (die elektrooptische Umwandlungseffizienz direkt eingesetzter Hochleistungs-Halbleiterlaserkomponenten kann bis zu 60-70 Prozent erreichen). Es kann als Kernpumpquelle für Faserlaser, Festkörperlaser und andere Arten von optischen Pumplasern verwendet werden und fördert die schnelle Entwicklung der Faserlaser- und Festkörperlasertechnologie.(Weiter mit Teil Ⅰ)

3. Entwicklungsgeschichte des Halbleiterlasers

Der Halbleiterlaser der frühen 1960er Jahre war ein Laser mit homogenem Übergang, bei dem es sich um eine pn-Übergangsdiode handelte, die aus einem bestimmten Material hergestellt wurde. Bei der Vorwärtsstrominjektion werden kontinuierlich Elektronen in die P-Zone und Löcher kontinuierlich in die N-Zone injiziert. Dadurch wird die Ladungsträgerverteilung im ursprünglichen Verarmungsbereich des pn-Übergangs umgekehrt. Da die Elektronenwanderungsgeschwindigkeit schneller ist als die Löcherwanderungsgeschwindigkeit, kommt es im aktiven Bereich zu Strahlung und Rekombination, wodurch Fluoreszenz emittiert wird, und unter bestimmten Bedingungen tritt Laser auf. Hierbei handelt es sich um eine Art Halbleiterlaser, der nur in Form eines Impulses arbeiten kann. Die zweite Stufe in der Entwicklung des Halbleiterlasers ist der Heterostruktur-Halbleiterlaser, der aus zwei dünnen Schichten von Halbleitermaterialien mit unterschiedlichen Bandlücken wie GaAs und GaAlAs besteht. Der Einzelheterostrukturlaser erschien erstmals (1969). Um die Schwellenstromdichte des GaAsP-N-Übergangs zu verringern, ist der SHLD-Wert eine Größenordnung niedriger als der eines Lasers mit homogenem Übergang, aber der SHLD kann immer noch nicht kontinuierlich bei Raumtemperatur betrieben werden.

Seit Ende der 1970er Jahre hat sich der Halbleiterlaser in zwei Richtungen weiterentwickelt: zum einen zum Informationslaser zur Informationsübertragung und zum anderen zum Leistungslaser zur Verbesserung der optischen Leistung. Angetrieben durch die Anwendung eines gepumpten Festkörperlasers, Hochleistungs-Halbleiterlaser (Dauerausgangsleistung über 100 mW, Impulsausgangsleistung über 5 W, kann als Hochleistungs-Halbleiterlaser bezeichnet werden).

In den 1990er Jahren wurden bahnbrechende Fortschritte erzielt, die durch eine deutliche Steigerung der Ausgangsleistung von Halbleiterlasern gekennzeichnet waren. Hochleistungs-Halbleiterlaser im Kilowatt-Bereich wurden im Ausland kommerzialisiert, und die Leistung inländischer Mustergeräte hat 600 W erreicht. Wenn aus Sicht der Erweiterung des Laserbandes der erste Infrarot-Halbleiterlaser, folgte eine große Anzahl roter Halbleiterlaser mit 670 nm in die Anwendung, und dann kam eine Wellenlänge von 650 nm, 635 nm heraus, blaues Licht, das blaue Licht Halbleiterlaser wurden erfolgreich entwickelt, 10-mW-Violett- und sogar Ultraviolett-Halbleiterlaser befinden sich ebenfalls in der Entwicklung. In den späten 1990er Jahren wurden oberflächenemittierende Laser und oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator rasch entwickelt, und viele Anwendungen in der ultraparallelen Optoelektronik wurden in Betracht gezogen. In optischen Systemen wurden 980-nm-, 850-nm- und 780-nm-Geräte verwendet. Derzeit werden oberflächenemittierende Laser mit vertikalem Resonator in Gigabit-Ethernet-Hochgeschwindigkeitsnetzwerken eingesetzt.

4. Die Anwendung von Halbleiterlasern

Der Halbleiterlaser ist aufgrund seines großen Wellenlängenbereichs, seiner einfachen Herstellung, seiner geringen Kosten, seiner einfachen Massenproduktion sowie seiner geringen Größe, seines geringen Gewichts und seiner langen Lebensdauer früher ausgereift und weist schnellere Fortschritte als eine Klasse von Lasern auf , ein breites Anwendungsspektrum, hat mehr als 300 Arten.

1) Anwendung in Industrie und Technik

① Glasfaserkommunikation. Der Halbleiterlaser ist die praktische Lichtquelle eines Glasfaserkommunikationssystems. Die Glasfaserkommunikation ist zum Mainstream der modernen Kommunikationstechnologie geworden.

②Zugriff auf optische Datenträger. Halbleiterlaser werden bereits in optischen Plattenspeichern verwendet, die den Vorteil haben, dass sie eine große Menge an Informationen über Ton, Text und Bilder speichern können. Der Einsatz blauer und grüner Laser kann die Speicherdichte von CDs deutlich verbessern.

③Spektralanalyse. Abstimmbare Ferninfrarot-Halbleiterlaser werden bei der Analyse von Umweltgasen, der Überwachung von Luftverschmutzung, Autoabgasen usw. eingesetzt. Es kann in der Industrie zur Überwachung des Prozesses der Gasabscheidung eingesetzt werden.

④Optische Informationsverarbeitung. Halbleiterlaser werden in optischen Informationssystemen eingesetzt. Das zweidimensionale Array von Oberflächenemissions-Halbleiterlasern ist eine ideale Lichtquelle für optische Parallelverarbeitungssysteme, die in Computern und optischen neuronalen Netzen eingesetzt werden.

⑤Laser-Mikrofabrikation. Mit Hilfe des hochenergetischen Ultra-Shire-Lasers, der vom Q-Switch-Halbleiterlaser erzeugt wird, kann der integrierte Schaltkreis geschnitten, gestanzt usw. werden.

⑥ Laseralarm. Halbleiterlaseralarm ist weit verbreitet, einschließlich Einbruchalarm, Wasserstandsalarm, Autoabstandsalarm usw.

⑦Laserdrucker. Hochleistungs-Halbleiterlaser werden bereits in Laserdruckern eingesetzt. Der Einsatz blauer und grüner Laser kann die Druckgeschwindigkeit und Auflösung erheblich verbessern.

⑧ Laser-Barcodescanner. Halbleiter-Laser-Barcodescanner werden häufig im Warenverkauf sowie in der Bücher- und Archivverwaltung eingesetzt.

⑨Pumpen Sie den Festkörperlaser. Dies ist eine wichtige Anwendung von Hochleistungs-Halbleiterlasern, mit denen die ursprüngliche Atmosphärenlampe ersetzt und ein Festkörperlasersystem gebildet werden kann.

⑩ Hochauflösendes Laserfernsehen. In naher Zukunft könnten Halbleiterlaser-Fernsehgeräte ohne Kathodenstrahlröhre auf den Markt kommen, die rote, blaue und grüne Laser verwenden und schätzungsweise 20 Prozent weniger Strom verbrauchen als bestehende Geräte.

2) Anwendungen in der medizinischen und biowissenschaftlichen Forschung

① Laserchirurgie. Halbleiterlaser werden zur Weichteilentfernung, Gewebebindung, Koagulation und Verdampfung eingesetzt. Allgemeine Chirurgie, plastische Chirurgie, Dermatologie, Urologie, Geburtshilfe, Gynäkologie usw. werden in dieser Technologie häufig eingesetzt.

②Laserdynamische Therapie. Die lichtempfindlichen Substanzen, die eine Affinität zum Tumor haben, werden selektiv im Krebsgewebe gesammelt und das Krebsgewebe wird vom Halbleiterlaser bestrahlt, um reaktive Sauerstoffspezies zu erzeugen, mit dem Ziel, es nekrotisch zu machen, ohne das gesunde Gewebe zu schädigen.

③ Life-Science-Forschung. „Optische Pinzetten“, die Halbleiterlaser verwenden, um lebende Zellen oder Chromosomen zu schnappen und sie dorthin zu bewegen, wo sie wollen, wurden zur Verbesserung der Zellsynthese, der Zellinteraktionen und der forensischen Diagnostik eingesetzt

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