Poluprovodnički laseri

Poluprovodnički laser je uređaj za oscilaciju ili pojačanje optičkog talasa baziran na stimulisanoj emisiji fotona pri prelazima elektrona u poluprovodniku pod uslovima inverzne naseljenosti.

Izgled upakovanih crvenih laserskih dioda male snage

Slika čipa poluprovodničkog lasera, prikazanog na vrhu igle.

Istorijat

Ideja o poluprovodničkim laserima predložena je 1957. godine od strane ruskog naučnika N. Basova. Uskoro, krajem 1962. godine, prateći teoretske analize i predlog Basova i Dumkea u roku od trideset dana radnici u četiri laboratorije u SAD nezavisno demonstriraju svoje verzije poluprovodničkih lasera.

• Dr Robert N. Hol - Istraživački razvojni centar Dženeral Elektrik (Njujork)

• Dr Nik Holonjak, mlađi. - Industrijski centar Dženeral Elektrik, (Sirakuza - Njujork)

• Dr Maršal Nejtan - IBM Istraživačka laboratorija, (Jorktaun Hajts - Njujork)

• Dr Robert Rediker - MIT Linkoln Laboratorija, (Leksington - Masačusets)

Prvi realizovani poluprovodnički laseri su radili na niskim temperaturama u impulsnom režimu, da bi se godinu dana kasnije proizveli za rad u kontinualnom režimu. Put daljem razvoju i efikasnijoj emisiji otvorila su 1963. godine, trojica naučnika H. Kremer, Ž. Alferov i R. Kazarinov predlogom o laserskim diodama sa heterostukturom. Tim ruskog naučnika Alferova, 1968 je izveo prvi impulsni laser sa duplom heterostrukturom, da bi već 1970, demonstrirao rad prvog kontinualnog poluprovodničkog lasera na sobnoj temperaturi. Laserske diode su još uvek bile daleko od praktične primene. Bio je potreban veliki broj otkrića da bi doveli poluprovodničke lasere na današnji tehnološki nivo.

Hronologija važnijih otkrića:

• 1970. L. Esaki i R. Tsu: Prva quantum well struktura

• 1978. D. R. Skifres: Rad laserske diode GaAlAs/GaAs na sobnoj temperaturi, bazirane na quantum well strukturi.

• 1979. H. Soda: Površinsko emitujuća (surface-emitting) laserska dioda (Vertical Cavity Surface Emitting Lasers)

• 1981. F. Kojama: Laserske diode sa distribuiranim Bragovim reflektorom (DBF), GaInAsP/InP, emitovana talasna dužina 1.58 μm.

• 1985. K. Iga: VCSEL (GaAlAs/GaAs) laser dioda, rad u impulsnom režimu na sobnoj temperaturi.

• 1991. M. Hase: prvi kratkotrajni rad plavo-zelene emitujuće laserske diode na principu II-VI poluprovodnika ZnSe
  
• 1996. S. Nakamura: prvi efikasan plavo emitujući laser pri radu na sobnoj temperaturi baziran na poluprovodnicima III-V grpe, GaN

Danas, poluprovodnički laseri predstavljaju praktično jednu od najbitnijih optoelektronskih naprava: optičke fiber komunikacije i optičko skadištenje podataka, a isto tako su široko rasprostranjeni u nizu aplikacija u mnogim oblastima. Ovaj uspeh je očekivan, s’obzirom na činjenicu da se pumpanje poluprovodničkih lasera vrši na taj način što se propušta struja kroz njih na odgovarajućem naponskom nivou.

Princip rada opisan na primeru laserske diode sa duplim heterospojem

GaAs / Ga_1-xAl_xAs laser

Aktivna sredina je GaAs nalazi se u sendviču između dve sredine Ga_1-xAl_xAs P i N tipa. Najbitnija osobina ove strukture je to što se aktivna sredina ponaša kao potencijalna (kvantna) jama za elektorne, sa visinom barijere ΔEc i za šupljine sa visinom ΔEv. Energetski raskorak određuje faktor x pri dopiranju Al u Ga_1-xAl_xAs. Sistem pobuđujemo tako što na izvedene kontakte priključujemo napon (propuštamo struju), ovakav način pobude predstavlja glavnu prednost ovih naprava u poređenju sa konkurentnim tehnologijama. Proces pojave stimulisanog zračenja se vrši putem injekcije elektrona (sa N strane) odnosno šupljina (sa P strane) u potencijalnu jamu, što izaziva inverziju naseljenosti čime su uslovi ispunjeni. Aktivni region se sada ponaša kao pojačavač zračenja usled postojanja stimulisane emisije. Da bi se postiglo maksimalno pojačanje, emitovanu svetlost je potrebno ograničiti na što uži deo aktivne sredine, jer zračenje koje se kreće van ne utiče na pojačanje. Ovo ograničenje je postignuto samo po sebi usled postojanja talasovodnog efekta (waveguide effect), koji proizilazi iz činjenice da na granicama aktivne sredine imamo diskontinuitet energija provodnih i valentnih zona što uzrokuje povećanje indeksa refleksije. Imamo da se Ga_1-xAl_xAs/ GaAs/ Ga_1-yAl_yAs ponaša kao dielektrični talasovod sa energijom zračenja koncentrisanom u aktivnom regionu GaAs. Ulogu rezonatora koji je potreban da bi se ostvarilo oscilovanje, u ovom slučaju imaju polirane strane poluprovodničkog kristala, normalne na ravan spoja. S obzirom da se injekcija nosilaca naelektrisanja kod heterospojnih lasera vrši u dosta uži region nego kod jednospojnih lasera zagrevanje materijala je dosta manje, a samim tim i potrebna struja. Loša strana je smanjenje ukupne snage lasera. Taj problem se donekle rešava time što se pravi laser sa više ovakvih struktura (Multiple Quantum Well) u jednoj.

Tipovi poluprovodničkih lasera

Postoje dva tipa poluprovodničkih laserskih naprava, (edge emitting) ivično emitujući i (surface emitting) površinsko emitujući laseri.

Ivično emitujući laseri imaju laserski snop paralelan površini regiona PN spoja. Tipično ogledala su napravljena koristeći se površinama na krajevima kristala od koga su napravljeni, koristeći se raspodeljenom povratnom spregom unutar samog kristala ili raspodeljenim Bragovim reflektujućim strukturama na krajevima. Površinski emitujući laseri imaju laserski snop koji se emituje u pravcu normalnom na spojni region tako što se koriste višeslojna Bragova reflektujuća ogledala koja su ugrađena unutar strukture.

Materijali

Poluprovodnički laseri su bazirani na jednom od četiri tipa materijala, u zavisnosti od talasne dužine regiona od interesa. Tri tipa materijala predstavljaju jedinjenja elemenata III-V grupe periodične tabele elemenata. U kristalu koji oformljavaju, elementi IIIA grupe imaju primaju jednan elektron dok elementi VA grupe imaju višak. Treća kolona sadrži Al, In, Ga i Tl, dok peta sadrži N, P, As i Sb. Laseri koji pripadaju ovoj kategoriji su bazirani na principu rada lasera na GaAs, za širok opseg lasera u bliskom infra-crvenom spektru pa sve do vidljivog spektra koristeći GaAs/AlGaAs višeslojne materijale, kod kojih je procep 1.43 eV. Indijum fosfid, InP sa procepom od 1.35eV koristi se za postizanje talasnih dužina od 1.5 μm, u strukturi sa InP/InGaAsP. GaN ima energetski procep od 3.49 eV što omogućava razvoj plavih u ultraljubičastih lasera.

Lista nekoliko jedninjenja (sa energijama procepa) data je u tabeli

Materijal	Formula jedinjenja	Energetski procep	Talasne dužine
III-V jedinjenja		Eg(eV) na 300K	λ(nm)
Aluminijum-Arsenid	AlAs	2.16	2678.1
Aluminijum-Fosfid	AlP	2.45	3037.6
Aluminijum-Antimonid	AlSb	1.58	1959.0
Bor-Nitrid	BN	7.5	9298.9
Bor-Fosfid	BP	2	2479.7
Galijum-Arsenid	GaAs	1.42	1760.6
Galijum-Nitrid	GaN	3.36	4165.9
Galijum-Fosfid	GaP	2.26	2802.1
Galijum-Antimonid	GaSb	0.72	892.7
Indijum-Arsenid	InAs	0.36	446.3
Indijum-Fosfid	InP	1.35	1673.8
Indijum-Antimonid	InSb	0.17	210.8
II-VI jedinjenja
Kadmijum-Sulfid	CsS	2.42	3000.4
Kadmijum-Selenid	CdSe	1.7	2107.7
Kadmijum-Telurid	CdTe	1.56	1934.2
Cink-Sulfid	ZnS	3.69	4562.6
Cink-Selenid	ZnSe	2.71	3360.0
Cink-Telurid	ZnTe	2.39	2963.2

Ostali laseri su (preostala grupa) bazirana na udruživanju elemenata IIB-VIA grupe. Atomi druge grupe su Zn i Cd i primaju dva elektrona, dok atomi šeste grupe S i Se daju dva elektrona pri udruživanju u kristalnu rešetku. ZnSe ima procep od 2.71eV i čini bazu za pravljenje plavo-zelenih poluprovodničkih lasera.

Primena

Poluprovodnički laseri se danas koriste u velikom broju aplikacija. Navodimo samo neke od bitnijih primera. Laseri male snage (crveni laseri), sa visokokvalitetnim snopom koriste se prilikom optičkog skladištenja i iščitavanja podataka. (Compact disc) CD plejeri koriste AlGaAs tip lasera sa snopom talasne dužine 780nm, u mogućnosti su da postignu skladištenje 650MB podataka na površinu jednog diska. Nešto modernija tehnologija DVD uređaji koriste lasere tipa AlGaInP sa zračenjem na talanoj dužini od 640nm, i time postižu nešto veću rezoluciju i mogućnost skladištenja veće količine informacija. Crveni laseri se još koriste kao nivelari, markeri ili indikatori, a isto tako se koriste kao pumpa za Yb:Yag lasere. Imaju još neke primene u plastičnim optičkim fiber (POF) komunikacijama. Ova vrsta komunikacija se primenjuje za lokalne (kućne ili kancelarijske) mreže zbog kratkog dometa, kada je potrebno da se postigne veći domet za optičku komunikaciju na većim distancama koriste se laseri na bazi InP, zbog minimalnih gubitaka u kvarcnim optičkim fiberima jer sa talasnom dužinom 1.55 μm rade u takozvanom trećem optičkom prozoru. Treći tip lasera koji se koriste su laseri na bazi ZnSe. Cink-Selenid laseri su prvi laseri koji su postigli zračenje u plavom i zelenom delu spektra, tj. spektar talasnih dužina koje oni pokrivaju se kreću od 460nm do 520nm. Hronološki gledano, poslednja razvijena klasa poluprovodničkih lasera baziranih na GaN galijum-nitidu postigao je zračenje talasnih dužina u plavom i ultraljubičastom delu spektra, čime je posignuta mogućnost visoko frekventne modulacije. Plavi laseri isto tako vode ka skladištenju pet puta veće količine informacija nego DVD uređaji Blu-rej disk (20GB). Laser na talasnoj dužini od 405nm. Dok su laseri sa talasnim dužinama od 525nm odgovarajući za primenu u POF komunikacijama.

• skladištenje podataka
• optičke fiber komunikacije
• laserski indikatori (laser pointers)
• merači razdaljina
• upotreba u laserskim štampačima, skenerima i bar-kod čitačima.
• kao pumpa čvrstotelnim laserima
• neke vrste hirurgije i dermatologije

Literatura

• W.T. Rhodes: High Power Laser Diodes (Tehnology and Aplications), Springer - Njujork 2007
• William T. Silfvast: Laser Fundamentals, Cambridge university press 2004
• Takahiro Numai: Fundamentals od semiconductor lasers, Springer – Njujork 2004
• Jariv Amnon: Quantum Electronics, John Wiley & Sons – Njujork 1987

Spoljašnje veze

• Encyclopedia of Laser Physics and Technology
• Laser Development Chronology
• The Diode Laser—the First Thirty Days Forty Years Ago
• Diode Lasers an overview, William J. Wadsworth 1994 Arhivirano na sajtu Wayback Machine (22. mart 2009)