لیزرهای نیمه‌هادی
تعریف: لیزرهای نیمه‌هادی لیزرهایی هستند که بر اساس محیط بهره نیمه‌هادی کار می‌کنند.
لیزرهای نیمه‌هادی لیزرهایی هستند که بر اساس محیط بهره نیمه‌هادی کار می‌کنند. در این محیط، تقویت اپتیکی بوسیله گسیل القایی توسط گذار بین باندی بوجود می‌آید.
شکل ۱ نحوه تقویت در یک محیط بهره را نشان می‌دهد (درمورد یک گذار بین‌باندی معمولی). بدون دمش، بیشتر الکترون‌ها در باند ظرفیت هستند. یک پرتو دمش با انرژی فوتونی اندکی بالاتر از انرژی گاف نوار، توانایی تحریک الکترون‌ها به باند هدایت را دارد. در همان زمان، حفره‌های بوجود آمده در باند ظرفیت، به قسمت بالایی باند ظرفیت حرکت می‌کنند. سپس، الکترون‌ها در باند ظرفیت با حفره‌ها ترکیب می‌شوند و فوتون‌هایی با انرژی نزدیک به گاف نوار ساطع می‌کنند. این فرآیند توسط فوتون‌های ورودی با انرژی مناسب، قابل تحریک است. این فرآیند را می‌توان توسط توزیع فرمی-دیراک[۱] الکترون‌ها در هر دو باند ظرفیت و هدایت بصورت کمی توصیف کرد.
اکثر لیزرهای نیمه‌هادی، لیزرهای دیودی هستند که توسط جریان الکتریکی در ناحیه تماس دو نیمه‌هادی نوع n و p پمپ می‌شوند. اما لیزرهای نیمه‌هادی که بصورت اپتیکی پمپ می‌شوند نیز وجود دارند که حامل‌های آن توسط نور جذب شده بوجود می‌آیند.
تعریف: لیزرهای نیمه‌هادی لیزرهایی هستند که بر اساس محیط بهره نیمه‌هادی کار می‌کنند.
لیزرهای نیمه‌هادی لیزرهایی هستند که بر اساس محیط بهره نیمه‌هادی کار می‌کنند. در این محیط، تقویت اپتیکی بوسیله گسیل القایی توسط گذار بین باندی بوجود می‌آید.
شکل ۱ نحوه تقویت در یک محیط بهره را نشان می‌دهد (درمورد یک گذار بین‌باندی معمولی). بدون دمش، بیشتر الکترون‌ها در باند ظرفیت هستند. یک پرتو دمش با انرژی فوتونی اندکی بالاتر از انرژی گاف نوار، توانایی تحریک الکترون‌ها به باند هدایت را دارد. در همان زمان، حفره‌های بوجود آمده در باند ظرفیت، به قسمت بالایی باند ظرفیت حرکت می‌کنند. سپس، الکترون‌ها در باند ظرفیت با حفره‌ها ترکیب می‌شوند و فوتون‌هایی با انرژی نزدیک به گاف نوار ساطع می‌کنند. این فرآیند توسط فوتون‌های ورودی با انرژی مناسب، قابل تحریک است. این فرآیند را می‌توان توسط توزیع فرمی-دیراک[۱] الکترون‌ها در هر دو باند ظرفیت و هدایت بصورت کمی توصیف کرد.
اکثر لیزرهای نیمه‌هادی، لیزرهای دیودی هستند که توسط جریان الکتریکی در ناحیه تماس دو نیمه‌هادی نوع n و p پمپ می‌شوند. اما لیزرهای نیمه‌هادی که بصورت اپتیکی پمپ می‌شوند نیز وجود دارند که حامل‌های آن توسط نور جذب شده بوجود می‌آیند.
شکل ۱: نحوه تقویت در یک لیزر نیمه‌هادی.
مواد مرسومی که برای لیزرهای نیمه‌هادی (و دیگر ادوات اپتیکی-الکتریکی) استفاده می‌شوند عبارتند از: GaAs (گالیوم آرسناید)، AlGaAs (آلومینیوم گالیوم آرسناید)، GaP (گالیوم فسفید)، InGaP (آلومینیوم گالیوم فسفاید)، GaN (گالیم نایتراید)، InGaAs (ایندیوم گالیوم نایتراید)، GaInNAs (ایندیوم گالیوم آرسناید نایتراید)، GaInP (گالیوم ایندیوم فسفاید) و InP (ایندیوم فسفاید).
همه موارد ذکر شده نیمه‌هادی‌های با گاف انرژی مستقیم هستند. نیمه‌هادی‌های با گاف غیرمستقیم مثل سیلیکان، گسیل نور قابل ملاحظه‌ای ندارند. از آنجاکه انرژی فوتون یک لیزر دیود به انرژی گاف نواری نزدیک است، ترکیبات با انرژی گاف‌های مختلف، طول موج گسیلی متفاوتی خواهند داشت. در نیمه‌هادی‌های سه جزیی یا چهار جزیی، انرژی گاف نواری بطور اساسی تغییر می‌کند. برای مثال در InGaAs=AlxGa1-xAs، افزایش مقدار آلومینیوم (افزایش x)، باعث افزایش انرژی گاف نوار می‌شود.
درحالیکه اکثر لیزرهای نیمه‌هادی در ناحیه طیفی نزدیک مادون قرمز کار می‌کنند، برخی دیگر نور قرمز (مانند نشانگرهای لیزری GaInP) یا آبی یا بنفش (با استفاده از GaN) تولید می‌کنند. در مورد گسیل ناحیه مادون قرمز میانی، می‌توان به لیزرهای PbSe و لیزرهای آبشار کوانتومی اشاره کرد.
در کنار نیمه‌هادی‌های غیرآلی ذکر شده، نیمه‌هادی‌های آلی نیز ممکن است در لیزرهای نیمه‌هادی بکار روند. تکنولوژی مربوطه هنوز کامل نشده است، اما توسعه آنها در حال پیگیری است تا اینکه راهی مناسب برای تولید انبوه و ارزان قیمت آنها پیدا شود. تاکنون، فقط لیزرهای نیمه‌هادی آلی که بصورت اپتیکی پمپ می‌شوند، عرضه شده است. بنابه دلایل مختلف، بدست آوردن کارایی بالا توسط پمپ الکتریکی مشکل است.
انواع لیزرهای نیمه‌هادی
لیزرهای نیمه‌هادی مختلفی وجود دارند که بر اساس پارامترهای کاری و کاربردهای مختلف تقسم‌بندی شده‌اند:
همه موارد ذکر شده نیمه‌هادی‌های با گاف انرژی مستقیم هستند. نیمه‌هادی‌های با گاف غیرمستقیم مثل سیلیکان، گسیل نور قابل ملاحظه‌ای ندارند. از آنجاکه انرژی فوتون یک لیزر دیود به انرژی گاف نواری نزدیک است، ترکیبات با انرژی گاف‌های مختلف، طول موج گسیلی متفاوتی خواهند داشت. در نیمه‌هادی‌های سه جزیی یا چهار جزیی، انرژی گاف نواری بطور اساسی تغییر می‌کند. برای مثال در InGaAs=AlxGa1-xAs، افزایش مقدار آلومینیوم (افزایش x)، باعث افزایش انرژی گاف نوار می‌شود.
درحالیکه اکثر لیزرهای نیمه‌هادی در ناحیه طیفی نزدیک مادون قرمز کار می‌کنند، برخی دیگر نور قرمز (مانند نشانگرهای لیزری GaInP) یا آبی یا بنفش (با استفاده از GaN) تولید می‌کنند. در مورد گسیل ناحیه مادون قرمز میانی، می‌توان به لیزرهای PbSe و لیزرهای آبشار کوانتومی اشاره کرد.
در کنار نیمه‌هادی‌های غیرآلی ذکر شده، نیمه‌هادی‌های آلی نیز ممکن است در لیزرهای نیمه‌هادی بکار روند. تکنولوژی مربوطه هنوز کامل نشده است، اما توسعه آنها در حال پیگیری است تا اینکه راهی مناسب برای تولید انبوه و ارزان قیمت آنها پیدا شود. تاکنون، فقط لیزرهای نیمه‌هادی آلی که بصورت اپتیکی پمپ می‌شوند، عرضه شده است. بنابه دلایل مختلف، بدست آوردن کارایی بالا توسط پمپ الکتریکی مشکل است.
انواع لیزرهای نیمه‌هادی
لیزرهای نیمه‌هادی مختلفی وجود دارند که بر اساس پارامترهای کاری و کاربردهای مختلف تقسم‌بندی شده‌اند:
- لیزرهای دیودی تابش از لبه کوچک[۲] که توان خروجی در حد چند میلی وات دارند (حداکثر تا ۵/۰ وات) و کیفیت پرتو آنها بالاست. کاربرد آنها در نشانگرهای لیزری، cd player و مخابرات فیبر نوری است.
- لیزر دیودهای با کاواک خارجی[۳] شامل یک لیزر دیود به عنوان محیط بهره هستند با طول کاواک بلندتر. طول موج آنها معمولاً کوک‌پذیر و پهنای خط گسیلی آنها کوچک است.
- لیزر دیودهای دارای کاواک خارجی و بدون کاواک خارجی می‌توانند در مد قفل‌شده[۴] باشند که برای تولید پالس‌های خیلی کوتاه استفاده می‌شوند.
- لیزر دیودهای با ناحیه تابش عریض[۵] توان خروجی در حد چند وات دارند، اما کیفیت پرتو آنها خیلی کم است.
- بارهای دیود توان بالا حاوی آرایه‌ای از گسیلنده هستند که ده‌ها وات تولید می‌کنند اما با کیفیت پرتو کم.
- استک بارهای دیود توان بالا شامل آرایه‌ای از بار دیود هستند که برای تولید صدها یا هزاران وات از آنها استفاده می‌شود.
- لیزرهای گسیل از سطح[۶] که پرتو خود را در جهت عمود بر ویفر ساطع می‌کنند و پرتویی با کیفیت بالا و در حد چند میلی وات تولید می‌کنند.
- لیزرهای نیمه هادی گسیل از سطح با کاواک خارجی[۷] قادر به تولید چندین وات توان با کیفیت پرتو عالی هستند حتی در شرایط مد قفل شده.
- لیزرهای آبشاری کوانتومی در شرایط گذار بین‌ترازی کار می‌کنند و معمولاً در ناحیه مادون قرمز میانی تابش می‌کنند. آنها معمولاً به عنوان آشکارساز برای آنالیز گاز بکار می‌رود.
کاربردی لیزرهای نیمه‌هادی
بعضی از جنبه‌های کاربردی لیزرهای نیمه‌هادی عبارتند از:
- امکان دمش الکتریکی با ولتاژ متوسط و کارایی بالا بخصوص در لیزر دیودهای توان بالا که امکان استفاده از آنها به عنوان منبع دمش برای لیزرهای حالت جامد را فراهم می‌کند.
- در وسیله‌های مختلف امکان استفاده از طول موج‌های مختلف وجود دارد و بنابراین امکان دستیابی به طیف‌های مرئی، مادون قرمز نزدیک و مادون قرمز میانی وجود دارد. همچنین، بعضی از ادوات اپتیکی از این نوع طول موج کوک‌پذیر دارند.
- در لیزر دیودهای کوچک امکان سوئیچ سریع و مدوله کردن توان اپتیکی وجود دارد و این موضوع باعث استفاده آنها در ترانسمیترهای حلقه‌های فیبر نوری شده است.
این خصوصیت‌ها باعث شده تا لیزرهای نیمه‌هادی از نظر تکنولوژیکی یکی از مهمترین لیزرها باشد. کاربرد آنها بسیار وسیع است از جمله: به عنوان درایور در انتقال داده‌های اپتیکی، ذخیره داده‌های اپتیکی، صنایع اوزان و مقیاس، اسپکتروسکپی، فرایندهای متالورژیکی، دمش لیزر های حالت جامد و انواع مختلف درمان‌های پزشکی.
خروجی پالسی
خروجی اکثر لیزرهای نیمه‌هادی بصورت پیوسته است. بدلیل قابلیت محدود آنها در ذخیره انرژی، این لیزرها برای ایجاد پالس با Q– سوئیچ مناسب نیستند، اما معمولاً عملکرد موج شبه پیوسته، امکان دسترسی به توان بالا را فراهم می‌کند. همچنین، لیزرهای نیمه‌هادی می‌تواند برای ایجاد پالس‌های بسیار کوتاه با استفاده از مد قفل‌شده یا سوئیچینگ بهره بکار روند. توان خروجی متوسط در پالس‌های کوتاه بخصوص در لیزرهای نیمه هادی گسیل از سطح با کاواک خارجی به چند میلی‌وات محدود می‌شود. این لیزرها توانایی ایجاد توان خروجی چند میلی واتی با عرض پالس‌هایی در حد پیکو ثانیه با نرخ تکرار چند گیگاهرتز را دارند.
مدولاسیون و تثبت
یکی از مزایای طول عمر پایین حالت بالا، قابلیت مدوله‌شدن لیزرهای نیمه‌هادی با فرکانس‌های بسیار بالاست که برای لیزرهای نیمه‌هادی گسیل از سطح با کاواک خارجی، ده‌ها گیگا هرتز است. این موضوع عمدتاً در انتقال داده‌های اپتیکی و اسپکتروسکپی برای تثبیت لیزرها در کاواک‌های مرجع، مورد بررسی قرار گرفته شده است.
خروجی پالسی
خروجی اکثر لیزرهای نیمه‌هادی بصورت پیوسته است. بدلیل قابلیت محدود آنها در ذخیره انرژی، این لیزرها برای ایجاد پالس با Q– سوئیچ مناسب نیستند، اما معمولاً عملکرد موج شبه پیوسته، امکان دسترسی به توان بالا را فراهم می‌کند. همچنین، لیزرهای نیمه‌هادی می‌تواند برای ایجاد پالس‌های بسیار کوتاه با استفاده از مد قفل‌شده یا سوئیچینگ بهره بکار روند. توان خروجی متوسط در پالس‌های کوتاه بخصوص در لیزرهای نیمه هادی گسیل از سطح با کاواک خارجی به چند میلی‌وات محدود می‌شود. این لیزرها توانایی ایجاد توان خروجی چند میلی واتی با عرض پالس‌هایی در حد پیکو ثانیه با نرخ تکرار چند گیگاهرتز را دارند.
مدولاسیون و تثبت
یکی از مزایای طول عمر پایین حالت بالا، قابلیت مدوله‌شدن لیزرهای نیمه‌هادی با فرکانس‌های بسیار بالاست که برای لیزرهای نیمه‌هادی گسیل از سطح با کاواک خارجی، ده‌ها گیگا هرتز است. این موضوع عمدتاً در انتقال داده‌های اپتیکی و اسپکتروسکپی برای تثبیت لیزرها در کاواک‌های مرجع، مورد بررسی قرار گرفته شده است.