لیزر نیمه هادی چیست؟

از زمان اختراع اولین لیزر نیمه هادی جهان در سال 1962، لیزر نیمه هادی دستخوش تغییرات فوق العاده ای شده است و پیشرفت بسیاری از علوم و فنون دیگر را ارتقا داده است و به عنوان یکی از بزرگترین اختراعات بشر در قرن بیستم به شمار می رود. در ده سال گذشته، لیزرهای نیمه هادی با سرعت بیشتری توسعه یافته و به سریع ترین فناوری لیزر در حال رشد در جهان تبدیل شده اند. گستره کاربرد لیزرهای نیمه هادی کل حوزه اپتوالکترونیک را پوشش می دهد و به فناوری اصلی علم اپتوالکترونیک امروزی تبدیل شده است. لیزرهای نیمه هادی به دلیل مزایای اندازه کوچک، ساختار ساده، انرژی ورودی کم، عمر طولانی، مدولاسیون آسان و قیمت پایین، به طور گسترده ای در زمینه الکترونیک نوری مورد استفاده قرار می گیرند و مورد توجه بسیاری از کشورهای جهان قرار گرفته اند.

لیزر نیمه هادی
A لیزر نیمه هادییک لیزر مینیاتوری است که از یک اتصال Pn یا پیوند پین متشکل از یک ماده نیمه هادی باند شکاف مستقیم به عنوان ماده کار استفاده می کند. ده ها ماده کار لیزر نیمه هادی وجود دارد. مواد نیمه هادی که در لیزر ساخته شده اند عبارتند از: آرسنید گالیم، آرسنید ایندیم، آنتی مونید ایندیم، سولفید کادمیوم، تلورید کادمیوم، سلنید سرب، تلورید سرب، آرسنید گالیم آلومینیوم، فسفر ایندیم، آرسنیک و غیره. لیزرها، یعنی نوع تزریق الکتریکی، نوع پمپ نوری و نوع تحریک پرتو الکترونی با انرژی بالا. روش تحریک اکثر لیزرهای نیمه هادی تزریق الکتریکی است، یعنی یک ولتاژ رو به جلو به اتصال Pn اعمال می شود تا انتشار تحریک شده در ناحیه صفحه اتصال ایجاد کند، یعنی یک دیود بایاس رو به جلو. بنابراین لیزرهای نیمه هادی را دیودهای لیزر نیمه هادی نیز می نامند. برای نیمه هادی ها، از آنجایی که الکترون ها بین باندهای انرژی به جای سطوح انرژی گسسته انتقال می یابند، انرژی انتقال یک مقدار مشخص نیست، که باعث می شود طول موج خروجی لیزرهای نیمه هادی در محدوده وسیعی پخش شود. در محدوده طول موج هایی که آنها منتشر می کنند بین 0.3 تا 34 میکرومتر است. محدوده طول موج توسط شکاف باند انرژی ماده مورد استفاده تعیین می شود. رایج ترین لیزر ناهمگونی دوگانه AlGaAs است که دارای طول موج خروجی 750-890 نانومتر است.
تکنولوژی ساخت لیزر نیمه هادی از روش انتشار تا اپیتاکسی فاز مایع (LPE)، اپیتاکسی فاز بخار (VPE)، اپیتاکسی پرتو مولکولی (MBE)، روش MOCVD (رسوب بخار ترکیب آلی فلز)، اپیتاکسی پرتو شیمیایی (CBE) را تجربه کرده است. و ترکیبات مختلف آنها بزرگترین عیب لیزرهای نیمه هادی این است که عملکرد لیزر به شدت تحت تأثیر دما قرار می گیرد و زاویه واگرایی پرتو بزرگ است (به طور کلی بین چند درجه تا 20 درجه)، بنابراین از نظر جهت، تک رنگ و پیوستگی ضعیف است. با این حال، با پیشرفت سریع علم و فناوری، تحقیقات لیزرهای نیمه هادی در جهت عمق در حال پیشرفت است و عملکرد لیزرهای نیمه هادی به طور مداوم در حال بهبود است. فناوری نوری نیمه هادی با هسته لیزر نیمه هادی پیشرفت بیشتری خواهد داشت و نقش بیشتری در جامعه اطلاعاتی قرن بیست و یکم ایفا می کند.

لیزرهای نیمه هادی چگونه کار می کنند؟
A لیزر نیمه هادییک منبع تشعشع منسجم است. برای ایجاد نور لیزر، سه شرط اساسی باید رعایت شود:
1. شرط بهره: توزیع وارونگی حامل ها در محیط لیزر (منطقه فعال) برقرار است. در نیمه هادی، باند انرژی که نشان دهنده انرژی الکترون است از یک سری سطوح انرژی نزدیک به پیوسته تشکیل شده است. بنابراین، در نیمه هادی برای دستیابی به وارونگی جمعیت، تعداد الکترون ها در پایین نوار رسانایی حالت پرانرژی باید بسیار بیشتر از تعداد سوراخ های بالای نوار ظرفیت کم انرژی باشد. حالت بین دو منطقه باند انرژی پیوند ناهمگون به سمت جلو بایاس می شود تا حامل های لازم را به لایه فعال تزریق کند تا الکترون ها را از باند ظرفیت با انرژی کمتر به نوار رسانایی با انرژی بالاتر برانگیزد. انتشار تحریک شده زمانی رخ می دهد که تعداد زیادی الکترون در حالت وارونگی جمعیت با حفره ها دوباره ترکیب شوند.
2. برای به دست آوردن واقعی تابش تحریک شده منسجم، تابش تحریک شده باید چندین بار در تشدید کننده نوری به عقب برگردد تا نوسان لیزری ایجاد شود. تشدید کننده لیزر از سطح برش طبیعی کریستال نیمه هادی به عنوان یک آینه تشکیل می شود، معمولاً در انتهایی که نور ساطع نمی کند با یک فیلم دی الکتریک چندلایه با بازتاب بالا پوشانده می شود و سطح ساطع کننده نور با یک ضد روکش می شود. فیلم بازتاب برای لیزر نیمه هادی حفره F-p (حفره Fabry-Perot)، حفره F-p را می توان به راحتی با استفاده از صفحه برش طبیعی کریستال عمود بر صفحه اتصال p-n تشکیل داد.
3. به منظور تشکیل یک نوسان پایدار، محیط لیزر باید بتواند یک بهره کافی بزرگ برای جبران افت نوری ناشی از تشدید کننده و تلفات ناشی از خروجی لیزر از سطح حفره و غیره و به طور مداوم فراهم کند. افزایش میدان نوری در حفره این نیاز به تزریق جریان به اندازه کافی قوی دارد، یعنی وارونگی جمعیت به اندازه کافی وجود دارد، هر چه درجه وارونگی جمعیت بالاتر باشد، بهره بدست آمده بیشتر است، یعنی یک شرط آستانه جریان مشخص باید برآورده شود. وقتی لیزر به آستانه می رسد، نور با طول موج مشخص می تواند در حفره طنین انداز شود و تقویت شود و در نهایت یک لیزر تشکیل دهد و به طور پیوسته خروجی داشته باشد. مشاهده می شود که در لیزرهای نیمه هادی، انتقال دوقطبی الکترون ها و حفره ها، فرآیند اصلی انتشار نور و تقویت نور است. برای لیزرهای نیمه هادی جدید، در حال حاضر مشخص شده است که چاه های کوانتومی نیروی محرکه اساسی برای توسعه لیزرهای نیمه هادی هستند. اینکه آیا سیم‌های کوانتومی و نقاط کوانتومی می‌توانند از اثرات کوانتومی بهره کامل ببرند، تا قرن حاضر گسترش یافته است. دانشمندان سعی کرده اند از ساختارهای خودسازماندهی برای ساختن نقاط کوانتومی در مواد مختلف استفاده کنند و از نقاط کوانتومی GaInN در لیزرهای نیمه هادی استفاده شده است.

تاریخچه توسعه لیزرهای نیمه هادی
درلیزرهای نیمه هادیدر اوایل دهه 1960 لیزرهای همجنسی بودند که دیودهای اتصال pn بر روی یک ماده ساخته شده بودند. تحت تزریق جریان بزرگ رو به جلو، الکترون ها به طور مداوم به ناحیه p و سوراخ ها به طور مداوم به ناحیه n تزریق می شوند. بنابراین، وارونگی توزیع حامل در منطقه تخلیه اصلی اتصال pn تحقق می یابد. از آنجایی که سرعت مهاجرت الکترون ها سریعتر از سوراخ ها است، تابش و نوترکیبی در ناحیه فعال رخ می دهد و فلورسانس ساطع می شود. لیزر، یک لیزر نیمه هادی است که فقط می تواند در پالس کار کند. مرحله دوم توسعه لیزرهای نیمه هادی، لیزر نیمه هادی ناهمسان است که از دو لایه نازک از مواد نیمه هادی با شکاف های نواری مختلف مانند GaAs و GaAlAs تشکیل شده است و لیزر تک ناهمسان برای اولین بار در سال 1969 ظاهر شد. لیزر تزریقی هتروجانکشن منفرد (SHLD) در ناحیه p پیوند GaAsP-N قرار دارد تا چگالی جریان آستانه را کاهش دهد، که مرتبه‌ای کمتر از لیزر همجوانکشن است، اما لیزر تک پیوندی هنوز نمی‌تواند به طور مداوم کار کند. دمای اتاق.
از اواخر دهه 1970، لیزرهای نیمه هادی آشکارا در دو جهت توسعه یافته اند، یکی لیزر مبتنی بر اطلاعات برای انتقال اطلاعات و دیگری لیزر مبتنی بر قدرت برای افزایش توان نوری. با کاربردهایی مانند لیزرهای حالت جامد پمپ شده، لیزرهای نیمه هادی پرقدرت (توان خروجی مداوم بیش از 100 مگاوات و توان خروجی پالس بیش از 5 وات را می توان لیزرهای نیمه هادی پرقدرت نامید).
در دهه 1990 پیشرفتی حاصل شد که با افزایش قابل توجه توان خروجی لیزرهای نیمه هادی، تجاری سازی لیزرهای نیمه هادی پرقدرت در سطح کیلووات در خارج از کشور و خروجی دستگاه های نمونه داخلی به 600 وات مشخص شد. از منظر گسترش باند لیزر، ابتدا لیزرهای نیمه هادی مادون قرمز و به دنبال آن لیزرهای نیمه هادی قرمز 670 نانومتری به طور گسترده مورد استفاده قرار گرفتند. سپس، با ظهور طول موج های 650 نانومتر و 635 نانومتر، لیزرهای نیمه هادی آبی-سبز و آبی-نور نیز یکی پس از دیگری با موفقیت توسعه یافتند. لیزرهای نیمه هادی بنفش و حتی فرابنفش با توان 10 میلی وات نیز در حال توسعه هستند. لیزرهای سطحی و لیزرهای ساطع کننده سطحی حفره عمودی در اواخر دهه 1990 به سرعت توسعه یافتند و کاربردهای مختلفی در اپتوالکترونیک فوق موازی مورد توجه قرار گرفت. دستگاه های 980 نانومتری، 850 و 780 نانومتری در حال حاضر در سیستم های نوری کاربردی هستند. در حال حاضر لیزرهای ساطع کننده سطح حفره عمودی در شبکه های پرسرعت گیگابیت اترنت استفاده شده است.

کاربردهای لیزرهای نیمه هادی
لیزرهای نیمه هادی دسته ای از لیزرها هستند که زودتر بالغ می شوند و سریعتر پیشرفت می کنند. به دلیل گستره طول موج گسترده، تولید ساده، هزینه کم و تولید انبوه آسان و به دلیل اندازه کوچک، وزن سبک و عمر طولانی، توسعه سریعی در انواع و کاربردها دارند. طیف گسترده ای، در حال حاضر بیش از 300 گونه.

1. کاربرد در صنعت و فناوری
1) ارتباط فیبر نوری.لیزر نیمه هادیتنها منبع نور عملی برای سیستم ارتباطی فیبر نوری است و ارتباطات فیبر نوری به جریان اصلی فناوری ارتباطات معاصر تبدیل شده است.
2) دسترسی به دیسک لیزرهای نیمه هادی در حافظه دیسک نوری استفاده شده است و بزرگترین مزیت آن این است که حجم زیادی از اطلاعات صدا، متن و تصویر را ذخیره می کند. استفاده از لیزرهای آبی و سبز می تواند تا حد زیادی چگالی ذخیره سازی دیسک های نوری را بهبود بخشد.
3) تجزیه و تحلیل طیفی. لیزرهای نیمه هادی قابل تنظیم مادون قرمز دور در تجزیه و تحلیل گازهای محیطی، نظارت بر آلودگی هوا، اگزوز خودروها و غیره استفاده شده است. می توان از آن در صنعت برای نظارت بر فرآیند رسوب بخار استفاده کرد.
4) پردازش اطلاعات نوری. لیزرهای نیمه هادی در سیستم های اطلاعات نوری استفاده شده است. آرایه‌های دوبعدی لیزرهای نیمه‌رسانای سطحی، منابع نور ایده‌آلی برای سیستم‌های پردازش موازی نوری هستند که در رایانه‌ها و شبکه‌های عصبی نوری استفاده خواهند شد.
5) میکروساخت لیزری. با کمک پالس های نور فوق کوتاه پر انرژی تولید شده توسط لیزرهای نیمه هادی سوئیچ کیو می توان مدارهای مجتمع را برش داد، پانچ کرد و غیره.
6) آلارم لیزری. آلارم های لیزری نیمه هادی به طور گسترده ای مورد استفاده قرار می گیرند، از جمله دزدگیر، دزدگیر سطح آب، هشدار فاصله خودرو و غیره.
7) پرینترهای لیزری در چاپگرهای لیزری از لیزرهای نیمه هادی پرقدرت استفاده شده است. استفاده از لیزرهای آبی و سبز می تواند سرعت و وضوح چاپ را تا حد زیادی بهبود بخشد.
8) بارکد اسکنر لیزری. بارکد اسکنر لیزری نیمه هادی به طور گسترده در فروش کالاها و مدیریت کتاب و آرشیو استفاده می شود.
9) لیزرهای حالت جامد را پمپ کنید. این یک کاربرد مهم لیزرهای نیمه هادی پرقدرت است. استفاده از آن برای جایگزینی لامپ اتمسفر اصلی می تواند یک سیستم لیزری تمام جامد را تشکیل دهد.
10) تلویزیون لیزری با کیفیت بالا. در آینده نزدیک، تلویزیون های لیزری نیمه هادی بدون لامپ اشعه کاتدی، که از لیزرهای قرمز، آبی و سبز استفاده می کنند، 20 درصد کمتر از تلویزیون های موجود انرژی مصرف می کنند.

2. کاربردها در تحقیقات پزشکی و علوم زیستی
1) جراحی با لیزرلیزرهای نیمه هادیبرای فرسایش بافت نرم، پیوند بافت، انعقاد و تبخیر استفاده شده است. این تکنیک به طور گسترده در جراحی های عمومی، جراحی پلاستیک، پوست، اورولوژی، زنان و زایمان و غیره استفاده می شود.
2) لیزر درمانی دینامیک. مواد حساس به نور که تمایل به تومور دارند به طور انتخابی در بافت سرطانی انباشته می شوند و بافت سرطانی با لیزر نیمه هادی تابش می شود تا گونه های اکسیژن فعال تولید کند و هدف آن نکروزه کردن آن بدون آسیب رساندن به بافت سالم است.
3) تحقیقات علوم زیستی. با استفاده از "موچین نوری" ازلیزرهای نیمه هادی، می توان سلول ها یا کروموزوم های زنده را گرفت و آنها را به هر موقعیتی منتقل کرد. از آن برای ترویج سنتز سلولی و مطالعات برهمکنش سلولی استفاده شده است، و همچنین می تواند به عنوان یک فناوری تشخیصی برای جمع آوری شواهد پزشکی قانونی استفاده شود.