ما هو ليزر اشباه الموصلات؟

منذ اختراع أول ليزر أشباه الموصلات في العالم في عام 1962 ، خضع ليزر أشباه الموصلات لتغييرات هائلة ، مما عزز بشكل كبير تطور العلوم والتكنولوجيا الأخرى ، ويعتبر أحد أعظم الاختراعات البشرية في القرن العشرين. في السنوات العشر الماضية ، تطورت ليزر أشباه الموصلات بسرعة أكبر وأصبحت تكنولوجيا الليزر الأسرع نموًا في العالم. يغطي نطاق تطبيقات ليزر أشباه الموصلات المجال الكامل للإلكترونيات الضوئية وأصبح التكنولوجيا الأساسية لعلوم الإلكترونيات الضوئية اليوم. نظرًا لمزايا الحجم الصغير والهيكل البسيط والطاقة المنخفضة المدخلات والعمر الطويل والتعديل السهل والسعر المنخفض ، يتم استخدام ليزر أشباه الموصلات على نطاق واسع في مجال الإلكترونيات الضوئية وقد حظيت بتقدير كبير من قبل البلدان في جميع أنحاء العالم.

ليزر أشباه الموصلات
A ليزر أشباه الموصلاتهو ليزر مصغر يستخدم تقاطع Pn أو تقاطع دبوس يتكون من مادة شبه موصلة ذات فجوة نطاق مباشرة كمادة عمل. هناك العشرات من مواد العمل بالليزر شبه الموصلة. تشمل مواد أشباه الموصلات التي تم تصنيعها في ليزر زرنيخيد الغاليوم ، زرنيخيد الإنديوم ، أنتيمونيد الإنديوم ، كبريتيد الكادميوم ، تيلوريد الكادميوم ، سيلينيد الرصاص ، تيلوريد الرصاص ، زرنيخيد الألومنيوم الغاليوم ، الإنديوم ، الفوسفور ، الزرنيخ ، إلخ. هناك ثلاث طرق إثارة رئيسية لأشباه الموصلات الليزر ، وهي نوع الحقن الكهربائي ونوع المضخة الضوئية ونوع إثارة شعاع الإلكترون عالي الطاقة. طريقة الإثارة لمعظم ليزر أشباه الموصلات هي الحقن الكهربائي ، أي يتم تطبيق جهد أمامي على تقاطع Pn لتوليد انبعاث محفز في منطقة مستوى الوصلة ، أي الصمام الثنائي المنحاز للأمام. لذلك ، يطلق على ليزر أشباه الموصلات أيضًا ثنائيات ليزر أشباه الموصلات. بالنسبة لأشباه الموصلات ، نظرًا لأن الإلكترونات تنتقل بين نطاقات الطاقة بدلاً من مستويات الطاقة المنفصلة ، فإن طاقة الانتقال ليست قيمة محددة ، مما يجعل الطول الموجي الناتج لأشعة الليزر شبه الموصلة منتشرًا على نطاق واسع. على النطاق. الأطوال الموجية التي تصدرها تتراوح بين 0.3 و 34 ميكرومتر. يتم تحديد نطاق الطول الموجي من خلال فجوة نطاق الطاقة للمادة المستخدمة. الأكثر شيوعًا هو الليزر غير المتجانس المزدوج AlGaAs ، والذي يبلغ طوله الموجي الناتج 750-890 نانومتر.
شهدت تقنية تصنيع ليزر أشباه الموصلات من طريقة الانتشار إلى epitaxy المرحلة السائلة (LPE) ، و epitaxy طور البخار (VPE) ، و epitaxy الشعاع الجزيئي (MBE) ، وطريقة MOCVD (ترسيب بخار مركب عضوي معدني) ، و epitaxy الحزمة الكيميائية (CBE)) ومجموعات مختلفة منهم. أكبر عيب لليزر أشباه الموصلات هو أن أداء الليزر يتأثر بدرجة كبيرة بدرجة الحرارة ، وزاوية تباعد الحزمة كبيرة (بشكل عام بين بضع درجات و 20 درجة) ، لذلك فهي ضعيفة في الاتجاهية ، وأحادية اللون والتماسك. ومع ذلك ، مع التطور السريع للعلوم والتكنولوجيا ، يتقدم البحث عن ليزر أشباه الموصلات في اتجاه العمق ، ويتحسن أداء ليزر أشباه الموصلات باستمرار. ستحقق التكنولوجيا الكهروضوئية لأشباه الموصلات باستخدام ليزر أشباه الموصلات باعتباره اللب الأساسي تقدمًا أكبر وتلعب دورًا أكبر في مجتمع المعلومات في القرن الحادي والعشرين.

كيف يعمل ليزر أشباه الموصلات؟
A ليزر أشباه الموصلاتمصدر إشعاع متماسك. لجعله يولد ضوء الليزر ، يجب استيفاء ثلاثة شروط أساسية:
1. شرط الكسب: تم ​​إنشاء التوزيع العكسي للحاملات في وسط الليزر (المنطقة النشطة). في أشباه الموصلات ، يتكون نطاق الطاقة الذي يمثل طاقة الإلكترون من سلسلة من مستويات الطاقة التي تقترب من المستمر. لذلك ، في أشباه الموصلات من أجل تحقيق الانعكاس السكاني ، يجب أن يكون عدد الإلكترونات في الجزء السفلي من نطاق التوصيل لحالة الطاقة العالية أكبر بكثير من عدد الثقوب في الجزء العلوي من نطاق التكافؤ للطاقة المنخفضة الحالة بين منطقتي نطاق الطاقة. تكون الوصلة غير المتجانسة منحازة للأمام لحقن الحاملات الضرورية في الطبقة النشطة لإثارة الإلكترونات من نطاق التكافؤ بطاقة أقل إلى نطاق التوصيل بطاقة أعلى. يحدث الانبعاث المستحث عندما يتحد عدد كبير من الإلكترونات في حالة انعكاس سكاني مع الثقوب.
2. للحصول فعليًا على إشعاع محفز متماسك ، يجب إعادة تغذية الإشعاع المحفز عدة مرات في الرنان البصري لتكوين تذبذب الليزر. يتكون مرنان الليزر من سطح الانقسام الطبيعي لبلورة أشباه الموصلات كمرآة ، وعادة ما تكون النهاية التي لا ينبعث منها ضوء مغلفة بفيلم عازل متعدد الطبقات عالي الانعكاس ، والسطح الباعث للضوء مغطى بمضاد- فيلم انعكاس. بالنسبة إلى ليزر أشباه الموصلات بتجويف F-p (تجويف فابري-بيروت) ، يمكن تشكيل تجويف F-p بسهولة باستخدام مستوى الانقسام الطبيعي للبلورة العمودية على مستوى تقاطع p-n.
3. من أجل تكوين تذبذب ثابت ، يجب أن يكون وسيط الليزر قادرًا على توفير ربح كبير بما يكفي للتعويض عن الفقد البصري الناجم عن الرنان والفقد الناجم عن خرج الليزر من سطح التجويف ، وما إلى ذلك ، وبشكل مستمر زيادة المجال البصري في التجويف. يتطلب هذا حقنة تيار قوية بما فيه الكفاية ، أي أن هناك انعكاسًا سكانيًا كافيًا ، وكلما ارتفعت درجة انعكاس السكان ، زاد المكاسب التي تم الحصول عليها ، أي يجب استيفاء شرط عتبة تيار معين. عندما يصل الليزر إلى العتبة ، يمكن للضوء ذي الطول الموجي المحدد أن يتردد صدا في التجويف ويتم تضخيمه ، وفي النهاية يشكل ليزرًا ويخرج بشكل مستمر. يمكن ملاحظة أنه في ليزر أشباه الموصلات ، يعتبر الانتقال ثنائي القطب للإلكترونات والثقوب هو العملية الأساسية لانبعاث الضوء وتضخيم الضوء. بالنسبة لليزر أشباه الموصلات الجديد ، من المعترف به حاليًا أن الآبار الكمومية هي القوة الدافعة الأساسية لتطوير ليزر أشباه الموصلات. تم تمديد ما إذا كانت الأسلاك الكمومية والنقاط الكمومية يمكنها الاستفادة الكاملة من التأثيرات الكمومية حتى هذا القرن. حاول العلماء استخدام هياكل منظمة ذاتيًا لإنشاء نقاط كمومية في مواد مختلفة ، واستخدمت النقاط الكمومية GaInN في ليزر أشباه الموصلات.

تاريخ تطور ليزر أشباه الموصلات
الليزر أشباه الموصلاتفي أوائل الستينيات من القرن الماضي كانت ليزرات متجانسة ، وهي عبارة عن ثنائيات تقاطع pn مُصنَّعة على مادة واحدة. تحت الحقن الأمامي للتيار الكبير ، يتم حقن الإلكترونات باستمرار في المنطقة p ، ويتم حقن الثقوب باستمرار في المنطقة n. لذلك ، يتم تحقيق انعكاس توزيع الموجة الحاملة في منطقة استنفاد تقاطع pn الأصلية. نظرًا لأن سرعة هجرة الإلكترونات أسرع من سرعة الثقوب ، يحدث الإشعاع وإعادة التركيب في المنطقة النشطة ، وينبعث التألق. lasing ، وهو ليزر أشباه الموصلات يعمل فقط في نبضات. المرحلة الثانية من تطوير ليزر أشباه الموصلات هي ليزر أشباه الموصلات غير المتجانسة ، والذي يتكون من طبقتين رفيعتين من مواد أشباه الموصلات ذات فجوات نطاقية مختلفة ، مثل GaAs و GaAlAs ، وظهر الليزر ذو البنية غير المتجانسة لأول مرة (1969). يقع ليزر الحقن الأحادي غير المتجانسة (SHLD) داخل المنطقة p من تقاطع GaAsP-N لتقليل كثافة تيار العتبة ، وهو ترتيب من حيث الحجم أقل من الليزر المتجانس ، لكن الليزر الأحادي غير المتجانس لا يزال غير قادر على العمل المستمر عند درجة حرارة الغرفة.
منذ أواخر سبعينيات القرن الماضي ، تطورت أشعة الليزر شبه الموصلة في اتجاهين ، أحدهما ليزر قائم على المعلومات لغرض نقل المعلومات ، والآخر هو ليزر قائم على الطاقة لغرض زيادة الطاقة الضوئية. مدفوعة بتطبيقات مثل ليزر الحالة الصلبة المضخوخة ، ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة (يمكن تسمية طاقة الخرج المستمرة التي تزيد عن 100 ميجا واط وقوة خرج النبضة التي تزيد عن 5 واط بليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة).
في التسعينيات ، تم إحراز تقدم كبير ، والذي تميز بزيادة كبيرة في الطاقة الناتجة من ليزر أشباه الموصلات ، وتسويق ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة على مستوى الكيلووات في الخارج ، وإخراج أجهزة العينة المحلية التي تصل إلى 600 واط. من منظور توسع نطاق الليزر ، تم استخدام أول ليزر أشباه الموصلات بالأشعة تحت الحمراء ، متبوعًا بأشعة ليزر أشباه الموصلات الحمراء 670 نانومتر. بعد ذلك ، مع ظهور أطوال موجية تبلغ 650 نانومتر و 635 نانومتر ، تم أيضًا تطوير ليزر أشباه الموصلات باللون الأزرق والأخضر والأزرق الفاتح واحدًا تلو الآخر. كما يتم تطوير ليزر أشباه الموصلات البنفسجي وحتى فوق البنفسجي بترتيب 10 ميجاوات. تطورت أشعة الليزر الباعثة للسطح والليزرات الباعثة للسطح ذات التجويف العمودي بسرعة في أواخر التسعينيات ، وتم النظر في مجموعة متنوعة من التطبيقات في الإلكترونيات الضوئية فائقة التوازي. الأجهزة 980 نانومتر و 850 نانومتر و 780 نانومتر هي بالفعل عملية في الأنظمة البصرية. في الوقت الحاضر ، تم استخدام أشعة الليزر الباعثة للأسطح ذات التجويف العمودي في شبكات Gigabit Ethernet عالية السرعة.

تطبيقات ليزر أشباه الموصلات
ليزر أشباه الموصلات هو فئة من الليزرات تنضج مبكرًا وتتقدم بشكل أسرع. نظرًا لنطاق الطول الموجي الواسع ، والإنتاج البسيط ، والتكلفة المنخفضة ، وسهولة الإنتاج الضخم ، وبسبب صغر حجمها ووزنها الخفيف وعمرها الطويل ، فإنها تتمتع بتطور سريع في الأصناف والتطبيقات. مجموعة واسعة ، حاليًا أكثر من 300 نوع.

1. التطبيق في الصناعة والتكنولوجيا
1) اتصالات الألياف الضوئية.ليزر أشباه الموصلاتهو مصدر الضوء العملي الوحيد لنظام اتصالات الألياف الضوئية ، وأصبحت اتصالات الألياف الضوئية هي الاتجاه السائد لتكنولوجيا الاتصالات المعاصرة.
2) الوصول إلى القرص. تم استخدام ليزر أشباه الموصلات في ذاكرة القرص الضوئي ، وأكبر ميزة لها هي أنها تخزن كمية كبيرة من معلومات الصوت والنص والصورة. يمكن أن يؤدي استخدام الليزر الأزرق والأخضر إلى تحسين كثافة تخزين الأقراص الضوئية بشكل كبير.
3) التحليل الطيفي. تم استخدام ليزر أشباه الموصلات الانضغاطية بالأشعة تحت الحمراء البعيدة في تحليل الغازات المحيطة ، ومراقبة تلوث الهواء ، وعادم السيارات ، وما إلى ذلك. ويمكن استخدامه في الصناعة لمراقبة عملية ترسيب البخار.
4) معالجة المعلومات البصرية. تم استخدام ليزر أشباه الموصلات في أنظمة المعلومات البصرية. تعد المصفوفات ثنائية الأبعاد من ليزر أشباه الموصلات الباعثة للسطح مصادر ضوء مثالية لأنظمة المعالجة المتوازية الضوئية ، والتي سيتم استخدامها في أجهزة الكمبيوتر والشبكات العصبية البصرية.
5) التصنيع الدقيق بالليزر. بمساعدة نبضات ضوئية قصيرة للغاية وعالية الطاقة تولدها ليزر أشباه الموصلات Q-switched ، يمكن قطع الدوائر المتكاملة وتثقيبها وما إلى ذلك.
6) إنذار ليزر. تستخدم أجهزة إنذار الليزر بأشباه الموصلات على نطاق واسع ، بما في ذلك أجهزة الإنذار ضد السرقة ، وأجهزة إنذار مستوى المياه ، وأجهزة إنذار مسافة السيارة ، إلخ.
7) طابعات الليزر. تم استخدام ليزر أشباه الموصلات عالي الطاقة في طابعات الليزر. يمكن أن يؤدي استخدام الليزر الأزرق والأخضر إلى تحسين سرعة الطباعة ودقتها بشكل كبير.
8) ماسح الباركود بالليزر. تم استخدام الماسحات الضوئية للرموز الشريطية الليزرية بأشباه الموصلات على نطاق واسع في بيع البضائع وإدارة الكتب والمحفوظات.
9) ضخ ليزر الحالة الصلبة. هذا هو تطبيق مهم لليزر أشباه الموصلات عالية الطاقة. يمكن أن يؤدي استخدامه لاستبدال مصباح الغلاف الجوي الأصلي إلى تكوين نظام ليزر كامل الحالة الصلبة.
10) تلفزيون ليزر عالي الوضوح. في المستقبل القريب ، من المقدر أن تستهلك أجهزة تلفزيون الليزر شبه الموصلة التي لا تحتوي على أنابيب أشعة الكاثود ، والتي تستخدم الليزر الأحمر والأزرق والأخضر ، طاقة أقل بنسبة 20 في المائة من أجهزة التلفزيون الحالية.

2. تطبيقات في البحوث الطبية وعلوم الحياة
1) جراحة الليزر.ليزر أشباه الموصلاتتم استخدامها لاجتثاث الأنسجة الرخوة ، وترابط الأنسجة ، والتخثر ، والتبخير. تستخدم هذه التقنية على نطاق واسع في الجراحة العامة والجراحة التجميلية والأمراض الجلدية والمسالك البولية والتوليد وأمراض النساء ، إلخ.
2) العلاج بالليزر الديناميكي. تتراكم المواد الحساسة للضوء التي لها صلة بالورم بشكل انتقائي في الأنسجة السرطانية ، ويتم تشعيع الأنسجة السرطانية بأشعة الليزر شبه الموصلة لتوليد أنواع الأكسجين التفاعلية ، بهدف جعلها نخرية دون الإضرار بالأنسجة السليمة.
3) بحوث علوم الحياة. استخدام "ملاقط بصرية" منليزر أشباه الموصلات، من الممكن التقاط الخلايا الحية أو الكروموسومات ونقلها إلى أي موضع. وقد تم استخدامه لتعزيز تخليق الخلايا ودراسات التفاعل الخلوي ، ويمكن استخدامه أيضًا كتقنية تشخيصية لجمع أدلة الطب الشرعي.