ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРЫ НА ОСНОВЕ ГАЛЛИЕВОГО АРСЕНИДА

Лазеры – это устройства, которые генерируют узконаправленный пучок света с высокой интенсивностью. Они имеют широкий спектр применения в науке, медицине, технологии и других областях. Полупроводниковые лазеры (ПЛ) являются одним из наиболее распространенных типов лазеров.

Рисунок 1. Полупроводниковый лазер

Полупроводниковые лазеры имеют ряд преимуществ по сравнению с другими типами лазеров. Они более компактны, легкие и надежные, что делает их идеальными для использования в мобильных устройствах и портативных приборах. Кроме того, полупроводниковые лазеры способны генерировать свет в широком диапазоне длин волн, что делает их полезными для различных приложений, от медицины до коммуникаций.

Принцип работы полупроводниковых лазеров основан на явлении инжекционной рекомбинации в полупроводниках. В полупроводниках есть два типа носителей заряда: электроны и дырки. Когда электрический ток проходит через полупроводник, он возбуждает носители заряда и заставляет их перемещаться в направлении анода или катода. Когда электроны и дырки встречаются, они рекомбинируют, испуская фотоны света.

Рисунок 2. Принцип работы полупроводникового лазера

Для создания лазерного пучка в полупроводниковых лазерах используется оптический резонатор.

Оптический резонатор – это устройство, которое позволяет усилить свет внутри полупроводника. Он состоит из двух зеркал, которые отражают свет внутри резонатора и создают когерентный лазерный пучок.

Рисунок 3. Оптический резонатор

 Существует несколько типов ПЛ, которые различаются по материалу и длине волны излучения.

Некоторые из них включают:

- Лазеры на основе галлиевого арсенида (GaAs) – эти лазеры обычно имеют длину волны в диапазоне 0,8-0,9 мкм и широко используются в оптических волоконных системах связи.

- Лазеры на основе индий-галлиевого арсенида (InGaAs) – эти лазеры имеют длину волны в диапазоне 1,3-1,6 мкм и используются в оптических волоконных системах связи на большие расстояния.

- Лазеры на основе индий-галлиевого арсенида и индия-галлиевого фосфида (InGaAsP) – эти лазеры имеют длину волны в диапазоне 1,3-1,6 мкм и используются в оптических волоконных системах связи на средние расстояния.

- Лазеры на основе галлиевого нитрида (GaN) – эти лазеры имеют длину волны в диапазоне 400-450 нм и используются в светодиодных экранах и других приложениях.

Одним из наиболее эффективных полупроводниковых материалов для лазера является галлиевый арсенид (GaAs).

Рисунок 4. Образцы GaAs

Галлиевый арсенид (GaAs) - это кристаллический полупроводниковый материал, состоящий из атомов галлия и арсенида, объединенных в кристаллическую структуру.

Этот материал обладает рядом уникальных свойств, которые делают его незаменимым для различных целей, таких как производство электронных приборов, фотоэлементов, оптоволоконных устройств, солнечных батарей, полупроводниковых лазерных диодов и т.д.

Рисунок 5. Монокристалл GaAs

Галлиевый арсенид широко используется в электронике благодаря своим уникальным свойствам, таким как высокая электропроводность, высокие термические и оптические свойства, а также высокая скорость переноса зарядов. Он также хорошо переносит резкие перепады температуры, что делает его идеальным материалом для производства электронных приборов, работающих в условиях экстремальных температурных условий.

Он также используется как материал для производства фотоэлементов, которые преобразуют свет в электрический ток.

В целом, галлиевый арсенид является важным материалом для различных видов электроники, фотоэлектроники и оптических устройств, благодаря высоким технологическим свойствам, надежности и долговечности. Он постоянно улучшается и применяется во многих отраслях, таких как медицина, наука, коммуникации, энергетика, автомобильная промышленность и др.

Полупроводниковый лазер на основе галлиевого арсенида работает на принципе стимулированной эмиссии.

Этот процесс начинается, когда электроны в гетероструктуре GaAs начинают переходить из нижней зоны проводимости в верхнюю зону запрещенной энергии. Когда электрон переходит, он выделяет энергию в виде фотонов, которые затем распространяются в виде лазерного излучения. Зеркальное отражение находится на концах гетероструктуры, что позволяет усиливать излучение и обеспечивать выход лазерного излучения.

Полупроводниковые лазеры на основе галлиевого арсенида очень популярны благодаря ряду причин:

1. Экономичность: полупроводниковые лазеры на основе галлиевого арсенида являются относительно дешевыми в производстве и эксплуатации по сравнению с другими видами лазеров.

2. Миниатюрность: из-за малого размера полупроводниковые лазеры на основе галлиевого арсенида предлагают высокую плотность мощности излучения в малом количестве места.

3. Эффективность: полупроводниковые лазеры на основе галлиевого арсенида эффективны в области генерации лазерного излучения в ближнем инфракрасном диапазоне.

Одной из самых важных областей применения галлиевого арсенида является производство полупроводниковых лазеров, которые нашли широкое применение в таких областях, как коммуникации, медицина и наука.

При облучении спайками квантовых энергий галлиевый арсенид излучает свет, который используется для передачи информации по оптическим волокнам.