I laser a semiconduttore sono generatori quantistici basati su un mezzo attivo semiconduttore in cui l'amplificazione ottica viene creata dall'emissione stimolata durante una transizione quantistica tra livelli di energia ad un' alta concentrazione di portatori di carica nella zona franca.
Laser a semiconduttore: principio di funzionamento
Nello stato normale, la maggior parte degli elettroni si trova a livello di valenza. Quando i fotoni forniscono energia eccedente l'energia della zona di discontinuità, gli elettroni del semiconduttore entrano in uno stato di eccitazione e, superata la zona proibita, passano nella zona libera, concentrandosi al suo bordo inferiore. Contemporaneamente, i buchi formati a livello di valenza salgono fino al suo limite superiore. Gli elettroni nella zona libera si ricombinano con le lacune, irradiando un'energia pari all'energia della zona di discontinuità sotto forma di fotoni. La ricombinazione può essere potenziata da fotoni con livelli di energia sufficienti. La descrizione numerica corrisponde alla funzione di distribuzione di Fermi.
Dispositivo
Dispositivo laser a semiconduttoreè un diodo laser pompato con l'energia di elettroni e lacune nella zona di giunzione p-n, il punto di contatto dei semiconduttori con conduttività di tipo p e n. Inoltre, esistono laser a semiconduttore con alimentazione di energia ottica, in cui il raggio è formato assorbendo fotoni di luce, nonché laser a cascata quantistica, il cui funzionamento si basa su transizioni all'interno di bande.
Composizione
Le connessioni standard utilizzate sia nei laser a semiconduttore che in altri dispositivi optoelettronici sono le seguenti:
- arseniuro di gallio;
- fosfuro di gallio;
- nitruro di gallio;
- fosfuro di indio;
- arseniuro di indio-gallio;
- arseniuro di gallio e alluminio;
- nitruro di arseniuro di gallio-indio;
- fosfuro di gallio-indio.
Lunghezza d'onda
Questi composti sono semiconduttori a gap diretto. La luce a gap indiretto (silicio) non emette con forza ed efficienza sufficienti. La lunghezza d'onda della radiazione laser a diodi dipende dal grado di approssimazione dell'energia del fotone rispetto all'energia della zona di discontinuità di un particolare composto. Nei composti semiconduttori a 3 e 4 componenti, l'energia della zona di discontinuità può variare continuamente su un ampio intervallo. Per AlGaAs=AlxGa1-xAs, ad esempio, un aumento del contenuto di alluminio (un aumento di x) comporta un aumento del energia della zona di discontinuità.
Mentre i laser a semiconduttore più comuni operano nel vicino infrarosso, alcuni emettono colori rosso (fosfuro di gallio di indio), blu o viola (nitruro di gallio). La radiazione del medio infrarosso è prodotta da laser a semiconduttore (seleniuro di piombo) e laser a cascata quantistica.
Semiconduttori organici
Oltre ai suddetti composti inorganici, possono essere utilizzati anche quelli organici. La tecnologia corrispondente è ancora in fase di sviluppo, ma il suo sviluppo promette di ridurre significativamente i costi di produzione dei generatori quantistici. Finora sono stati sviluppati solo laser organici con alimentazione di energia ottica e il pompaggio elettrico ad alta efficienza non è stato ancora raggiunto.
Varietà
Sono stati creati molti laser a semiconduttore, diversi per parametri e valore applicato.
I piccoli diodi laser producono un raggio di radiazione di bordo di alta qualità, la cui potenza varia da diversi a cinquecento milliwatt. Il cristallo del diodo laser è una sottile piastra rettangolare che funge da guida d'onda, poiché la radiazione è limitata a un piccolo spazio. Il cristallo è drogato su entrambi i lati per creare una giunzione p-n di una vasta area. Le estremità lucide creano un risonatore ottico Fabry-Perot. Un fotone che passa attraverso il risonatore causerà la ricombinazione, la radiazione aumenterà e inizierà la generazione. Utilizzato in puntatori laser, lettori CD e DVD e comunicazioni in fibra ottica.
Laser monolitici a bassa potenza e generatori quantistici con un risonatore esterno per formare impulsi brevi possono produrre il blocco della modalità.
Laseril semiconduttore con un risonatore esterno è costituito da un diodo laser, che svolge il ruolo di mezzo di amplificazione nella composizione di un risonatore laser più grande. Sono in grado di cambiare lunghezza d'onda e hanno una banda di emissione stretta.
I laser a semiconduttore a iniezione hanno una regione di emissione a forma di banda larga, possono generare un raggio di bassa qualità con una potenza di diversi watt. Sono costituiti da un sottile strato attivo situato tra lo strato p e n, che forma una doppia eterogiunzione. Non esiste alcun meccanismo per mantenere la luce nella direzione laterale, il che si traduce in un'ellitticità del fascio abbagliante e correnti di soglia inaccettabilmente elevate.
Potenti barre di diodi, costituite da una serie di diodi a banda larga, sono in grado di produrre un raggio di qualità mediocre con una potenza di decine di watt.
Potenti array bidimensionali di diodi possono generare energia nell'ordine delle centinaia e migliaia di watt.
I laser a emissione di superficie (VCSEL) emettono un raggio di luce di alta qualità con una potenza di diversi milliwatt perpendicolarmente alla lastra. Gli specchi risonatori vengono applicati sulla superficie della radiazione sotto forma di strati di ¼ di lunghezza d'onda con diversi indici di rifrazione. Diverse centinaia di laser possono essere realizzati su un singolo chip, il che apre la possibilità di una produzione in serie.
I laser VECSEL con alimentazione ottica e risonatore esterno sono in grado di generare un raggio di buona qualità con una potenza di diversi watt in modalità lock.
Il funzionamento di un laser a semiconduttore quantistico-il tipo a cascata si basa sulle transizioni all'interno delle zone (al contrario delle interzone). Questi dispositivi emettono nella regione del medio infrarosso, a volte nella gamma dei terahertz. Vengono utilizzati, ad esempio, come analizzatori di gas.
Laser a semiconduttore: applicazione e aspetti principali
Potenti laser a diodi con pompaggio elettrico ad alta efficienza a tensioni moderate vengono utilizzati come mezzo per alimentare laser a stato solido ad alta efficienza.
I laser a semiconduttore possono operare su un'ampia gamma di frequenze, che include le porzioni dello spettro visibile, vicino infrarosso e medio infrarosso. Sono stati realizzati dispositivi che consentono anche di modificare la frequenza di emissione.
I diodi laser possono commutare e modulare rapidamente la potenza ottica, che trova applicazione nei trasmettitori in fibra ottica.
Tali caratteristiche hanno reso i laser a semiconduttore tecnologicamente il tipo più importante di generatori quantistici. Si applicano:
- in sensori di telemetria, pirometri, altimetri ottici, telemetri, mirini, olografia;
- in sistemi in fibra ottica di trasmissione ottica e archiviazione dati, sistemi di comunicazione coerenti;
- in stampanti laser, videoproiettori, puntatori, lettori di codici a barre, scanner di immagini, lettori CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- in sistemi di sicurezza, crittografia quantistica, automazione, indicatori;
- in metrologia ottica e spettroscopia;
- in chirurgia, odontoiatria, cosmetologia, terapia;
- per il trattamento dell'acqua,lavorazione dei materiali, pompaggio laser a stato solido, controllo della reazione chimica, selezione industriale, ingegneria industriale, sistemi di accensione, sistemi di difesa aerea.
Uscita impulsiva
La maggior parte dei laser a semiconduttore genera un raggio continuo. A causa del breve tempo di residenza degli elettroni a livello di conduzione, non sono molto adatti per generare impulsi Q-switch, ma la modalità di funzionamento quasi continua consente un aumento significativo della potenza del generatore quantistico. Inoltre, i laser a semiconduttore possono essere utilizzati per generare impulsi ultracorti con blocco della modalità o commutazione del guadagno. La potenza media degli impulsi brevi è solitamente limitata a pochi milliwatt, ad eccezione dei laser VECSEL pompati otticamente, la cui uscita è misurata da impulsi di picosecondi multi-watt con una frequenza di decine di gigahertz.
Modulazione e stabilizzazione
Il vantaggio della breve permanenza di un elettrone nella banda di conduzione è la capacità dei laser a semiconduttore di modulare ad alta frequenza, che per i laser VCSEL supera i 10 GHz. Ha trovato applicazione nella trasmissione di dati ottici, nella spettroscopia, nella stabilizzazione laser.
