അർദ്ധചാലക ലേസറിന്റെ പ്രവർത്തന തത്വവും പ്രധാന തരങ്ങളും

പ്രവർത്തന തത്വവും പ്രധാന തരങ്ങളുംസെമികണ്ടക്ടർ ലേസർ

സെമികണ്ടക്ടർലേസർ ഡയോഡുകൾഉയർന്ന ദക്ഷത, മിനിയേച്ചറൈസേഷൻ, തരംഗദൈർഘ്യ വൈവിധ്യം എന്നിവയാൽ, ആശയവിനിമയം, മെഡിക്കൽ കെയർ, വ്യാവസായിക പ്രോസസ്സിംഗ് തുടങ്ങിയ മേഖലകളിൽ ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് സാങ്കേതികവിദ്യയുടെ പ്രധാന ഘടകങ്ങളായി വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. ഭൂരിഭാഗം ഒപ്‌റ്റോഇലക്‌ട്രോണിക് ഗവേഷകരുടെയും തിരഞ്ഞെടുപ്പ് റഫറൻസിന് സൗകര്യപ്രദമായ, പ്രവർത്തന തത്വവും അർദ്ധചാലക ലേസറുകളുടെ തരങ്ങളും ഈ ലേഖനം കൂടുതൽ പരിചയപ്പെടുത്തുന്നു.

1. അർദ്ധചാലക ലേസറുകളുടെ പ്രകാശം പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന തത്വം

സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളുടെ പ്രകാശപ്രകാശ തത്വം, സെമികണ്ടക്ടർ വസ്തുക്കളുടെ ബാൻഡ് ഘടന, ഇലക്ട്രോണിക് സംക്രമണങ്ങൾ, ഉത്തേജിത ഉദ്‌വമനം എന്നിവയെ അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതാണ്. സെമികണ്ടക്ടർ മെറ്റീരിയലുകൾ ഒരു ബാൻഡ്‌ഗാപ്പ് ഉള്ള ഒരു തരം മെറ്റീരിയലാണ്, അതിൽ ഒരു വാലൻസ് ബാൻഡും ഒരു കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡും ഉൾപ്പെടുന്നു. മെറ്റീരിയൽ ഗ്രൗണ്ട് സ്റ്റേറ്റിലായിരിക്കുമ്പോൾ, കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡിൽ ഇലക്ട്രോണുകൾ ഇല്ലാതിരിക്കുമ്പോൾ ഇലക്ട്രോണുകൾ വാലൻസ് ബാൻഡിൽ നിറയുന്നു. ഒരു പ്രത്യേക വൈദ്യുത മണ്ഡലം ബാഹ്യമായി പ്രയോഗിക്കുമ്പോഴോ ഒരു വൈദ്യുതധാര കുത്തിവയ്ക്കുമ്പോഴോ, ചില ഇലക്ട്രോണുകൾ വാലൻസ് ബാൻഡിൽ നിന്ന് കണ്ടക്ഷൻ ബാൻഡിലേക്ക് മാറുകയും ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികൾ രൂപപ്പെടുകയും ചെയ്യും. ഊർജ്ജ പ്രകാശന പ്രക്രിയയിൽ, ഈ ഇലക്ട്രോൺ-ഹോൾ ജോഡികളെ പുറം ലോകം ഉത്തേജിപ്പിക്കുമ്പോൾ, ഫോട്ടോണുകൾ, അതായത് ലേസറുകൾ സൃഷ്ടിക്കപ്പെടും.

2. സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളുടെ ഉത്തേജക രീതികൾ

സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകൾക്ക് പ്രധാനമായും മൂന്ന് എക്‌സൈറ്റേഷൻ രീതികളുണ്ട്, അതായത് ഇലക്ട്രിക്കൽ ഇഞ്ചക്ഷൻ തരം, ഒപ്റ്റിക്കൽ പമ്പ് തരം, ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ഇലക്ട്രോൺ ബീം എക്‌സൈറ്റേഷൻ തരം.

വൈദ്യുതമായി കുത്തിവയ്ക്കുന്ന സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകൾ: സാധാരണയായി, ഗാലിയം ആർസെനൈഡ് (GaAs), കാഡ്മിയം സൾഫൈഡ് (CdS), ഇൻഡിയം ഫോസ്ഫൈഡ് (InP), സിങ്ക് സൾഫൈഡ് (ZnS) തുടങ്ങിയ വസ്തുക്കളാൽ നിർമ്മിച്ച സെമികണ്ടക്ടർ സർഫസ്-ജംഗ്ഷൻ ഡയോഡുകളാണ് അവ. ഫോർവേഡ് ബയസിലൂടെ വൈദ്യുത പ്രവാഹം കുത്തിവച്ച് അവയെ ഉത്തേജിപ്പിക്കുന്നു, ജംഗ്ഷൻ തലം മേഖലയിൽ ഉത്തേജിത ഉദ്‌വമനം സൃഷ്ടിക്കുന്നു.

ഒപ്റ്റിക്കലി പമ്പ് ചെയ്ത സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകൾ: സാധാരണയായി, N-ടൈപ്പ് അല്ലെങ്കിൽ P-ടൈപ്പ് സെമികണ്ടക്ടർ സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകൾ (GaAS, InAs, InSb മുതലായവ) പ്രവർത്തന പദാർത്ഥമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെലേസർമറ്റ് ലേസറുകൾ പുറപ്പെടുവിക്കുന്ന ഊർജ്ജം ഒപ്റ്റിക്കലി പമ്പ് ചെയ്ത ഉത്തേജനമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ഇലക്ട്രോൺ ബീം-ഉത്തേജിത സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകൾ: സാധാരണയായി, അവ പ്രവർത്തന പദാർത്ഥമായി N-ടൈപ്പ് അല്ലെങ്കിൽ P-ടൈപ്പ് സെമികണ്ടക്ടർ സിംഗിൾ ക്രിസ്റ്റലുകൾ (PbS, CdS, ZhO, മുതലായവ) ഉപയോഗിക്കുന്നു, കൂടാതെ പുറത്തു നിന്ന് ഒരു ഉയർന്ന ഊർജ്ജ ഇലക്ട്രോൺ ബീം കുത്തിവച്ച് ഉത്തേജിപ്പിക്കപ്പെടുന്നു. സെമികണ്ടക്ടർ ലേസർ ഉപകരണങ്ങളിൽ, മികച്ച പ്രകടനവും വിശാലമായ പ്രയോഗവും ഉള്ള ഒന്ന് ഇരട്ട ഹെറ്ററോസ്ട്രക്ചറുള്ള വൈദ്യുതമായി കുത്തിവച്ച GaAs ഡയോഡ് ലേസർ ആണ്.

3. സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളുടെ പ്രധാന തരങ്ങൾ

ഒരു സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറിന്റെ സജീവ മേഖലയാണ് ഫോട്ടോൺ ഉൽ‌പാദനത്തിനും ആംപ്ലിഫിക്കേഷനുമുള്ള കോർ ഏരിയ, അതിന്റെ കനം ഏതാനും മൈക്രോമീറ്ററുകൾ മാത്രമാണ്. ഫോട്ടോണുകളുടെ ലാറ്ററൽ ഡിഫ്യൂഷൻ നിയന്ത്രിക്കുന്നതിനും ഊർജ്ജ സാന്ദ്രത വർദ്ധിപ്പിക്കുന്നതിനും ആന്തരിക വേവ്ഗൈഡ് ഘടനകൾ ഉപയോഗിക്കുന്നു (റിഡ്ജ് വേവ്ഗൈഡുകൾ, ബറിഡ് ഹെറ്ററോജംഗ്ഷനുകൾ എന്നിവ). ലേസർ ഒരു ഹീറ്റ് സിങ്ക് ഡിസൈൻ സ്വീകരിക്കുകയും ദ്രുതഗതിയിലുള്ള താപ വിസർജ്ജനത്തിനായി ഉയർന്ന താപ ചാലകത വസ്തുക്കൾ (കോപ്പർ-ടങ്സ്റ്റൺ അലോയ് പോലുള്ളവ) തിരഞ്ഞെടുക്കുകയും ചെയ്യുന്നു, ഇത് അമിത ചൂടാക്കൽ മൂലമുണ്ടാകുന്ന തരംഗദൈർഘ്യ വ്യതിയാനം തടയാൻ കഴിയും. അവയുടെ ഘടനയും പ്രയോഗ സാഹചര്യങ്ങളും അനുസരിച്ച്, സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകളെ ഇനിപ്പറയുന്ന നാല് വിഭാഗങ്ങളായി തരംതിരിക്കാം:

എഡ്ജ്-എമിറ്റിംഗ് ലേസർ (EEL)

ചിപ്പിന്റെ വശത്തുള്ള ക്ലീവേജ് പ്രതലത്തിൽ നിന്ന് ലേസർ ഔട്ട്‌പുട്ട് ചെയ്യുന്നു, ഇത് ഒരു ദീർഘവൃത്താകൃതിയിലുള്ള സ്ഥലം സൃഷ്ടിക്കുന്നു (ഏകദേശം 30°×10° വ്യതിചലന കോണോടെ). സാധാരണ തരംഗദൈർഘ്യങ്ങളിൽ 808nm (പമ്പിംഗിനായി), 980 nm (ആശയവിനിമയത്തിനായി), 1550 nm (ഫൈബർ ആശയവിനിമയത്തിനായി) എന്നിവ ഉൾപ്പെടുന്നു. ഉയർന്ന പവർ ഇൻഡസ്ട്രിയൽ കട്ടിംഗ്, ഫൈബർ ലേസർ പമ്പിംഗ് സ്രോതസ്സുകൾ, ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ ബാക്ക്ബോൺ നെറ്റ്‌വർക്കുകൾ എന്നിവയിൽ ഇത് വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

2. വെർട്ടിക്കൽ കാവിറ്റി സർഫേസ് എമിറ്റിംഗ് ലേസർ (VCSEL)

ചിപ്പിന്റെ ഉപരിതലത്തിലേക്ക് ലംബമായി ലേസർ പുറപ്പെടുവിക്കുന്നു, വൃത്താകൃതിയിലുള്ളതും സമമിതിയിലുള്ളതുമായ ഒരു ബീം (ഡൈവേർജൻസ് ആംഗിൾ <15°) ഇതിൽ അടങ്ങിയിരിക്കുന്നു. ഇത് ഒരു ഡിസ്ട്രിബ്യൂട്ടഡ് ബ്രാഗ് റിഫ്ലക്ടറിനെ (DBR) സംയോജിപ്പിക്കുന്നു, ഇത് ഒരു ബാഹ്യ റിഫ്ലക്ടറിന്റെ ആവശ്യകത ഇല്ലാതാക്കുന്നു. 3D സെൻസിംഗ് (മൊബൈൽ ഫോൺ മുഖം തിരിച്ചറിയൽ പോലുള്ളവ), ഹ്രസ്വ-ദൂര ഒപ്റ്റിക്കൽ കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ (ഡാറ്റ സെന്ററുകൾ), LiDAR എന്നിവയിൽ ഇത് വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

3. ക്വാണ്ടം കാസ്കേഡ് ലേസർ (QCL)

ക്വാണ്ടം വെൽസിനുമിടയിലുള്ള ഇലക്ട്രോണുകളുടെ കാസ്കേഡ് സംക്രമണത്തെ അടിസ്ഥാനമാക്കി, പോപ്പുലേഷൻ ഇൻവേർഷന്റെ ആവശ്യമില്ലാതെ തന്നെ തരംഗദൈർഘ്യം മിഡ്-ടു-ഫാർ-ഇൻഫ്രാറെഡ് ശ്രേണി (3-30 μm) ഉൾക്കൊള്ളുന്നു. ഫോട്ടോണുകൾ ഇന്റർസബാൻഡ് സംക്രമണങ്ങളിലൂടെയാണ് സൃഷ്ടിക്കപ്പെടുന്നത്, കൂടാതെ ഗ്യാസ് സെൻസിംഗ് (CO₂ ഡിറ്റക്ഷൻ പോലുള്ളവ), ടെറാഹെർട്സ് ഇമേജിംഗ്, പരിസ്ഥിതി നിരീക്ഷണം തുടങ്ങിയ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്നു.

4. ട്യൂൺ ചെയ്യാവുന്ന ലേസർ

ട്യൂണബിൾ ലേസറിന്റെ ബാഹ്യ അറ രൂപകൽപ്പന (ഗ്രേറ്റിംഗ്/പ്രിസം/MEMS മിറർ) ±50 nm തരംഗദൈർഘ്യ ട്യൂണിംഗ് പരിധി കൈവരിക്കാൻ കഴിയും, ഇടുങ്ങിയ ലൈൻവിഡ്ത്ത് (<100 kHz), ഉയർന്ന സൈഡ്-മോഡ് റിജക്ഷൻ അനുപാതം (>50 dB) എന്നിവയുമുണ്ട്. ഡെൻസ് വേവ്ലെങ്ത് ഡിവിഷൻ മൾട്ടിപ്ലക്സിംഗ് (DWDM) കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ, സ്പെക്ട്രൽ വിശകലനം, ബയോമെഡിക്കൽ ഇമേജിംഗ് തുടങ്ങിയ ആപ്ലിക്കേഷനുകളിൽ ഇത് സാധാരണയായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. കമ്മ്യൂണിക്കേഷൻ ലേസർ ഉപകരണങ്ങൾ, ഡിജിറ്റൽ ലേസർ സ്റ്റോറേജ് ഉപകരണങ്ങൾ, ലേസർ പ്രോസസ്സിംഗ് ഉപകരണങ്ങൾ, ലേസർ മാർക്കിംഗ്, പാക്കേജിംഗ് ഉപകരണങ്ങൾ, ലേസർ ടൈപ്പ്സെറ്റിംഗ്, പ്രിന്റിംഗ്, ലേസർ മെഡിക്കൽ ഉപകരണങ്ങൾ, ലേസർ ഡിസ്റ്റൻസ് ആൻഡ് കൊളിമേഷൻ ഡിറ്റക്ഷൻ ഉപകരണങ്ങൾ, വിനോദത്തിനും വിദ്യാഭ്യാസത്തിനുമുള്ള ലേസർ ഉപകരണങ്ങളും ഉപകരണങ്ങളും, ലേസർ ഘടകങ്ങളും ഭാഗങ്ങളും മുതലായവയിൽ സെമികണ്ടക്ടർ ലേസറുകൾ വ്യാപകമായി ഉപയോഗിക്കുന്നു. അവ ലേസർ വ്യവസായത്തിന്റെ പ്രധാന ഘടകങ്ങളിൽ പെടുന്നു. അതിന്റെ വിശാലമായ ആപ്ലിക്കേഷനുകൾ കാരണം, ലേസറുകളുടെ നിരവധി ബ്രാൻഡുകളും നിർമ്മാതാക്കളും ഉണ്ട്. ഒരു തിരഞ്ഞെടുപ്പ് നടത്തുമ്പോൾ, അത് പ്രത്യേക ആവശ്യങ്ങളെയും ആപ്ലിക്കേഷൻ ഫീൽഡുകളെയും അടിസ്ഥാനമാക്കിയുള്ളതായിരിക്കണം. വ്യത്യസ്ത നിർമ്മാതാക്കൾക്ക് വിവിധ മേഖലകളിൽ വ്യത്യസ്ത ആപ്ലിക്കേഷനുകളുണ്ട്, കൂടാതെ പ്രോജക്റ്റിന്റെ യഥാർത്ഥ ആപ്ലിക്കേഷൻ ഫീൽഡ് അനുസരിച്ച് നിർമ്മാതാക്കളുടെയും ലേസറുകളുടെയും തിരഞ്ഞെടുപ്പ് നടത്തണം.