半導体レーザーが注目されている。
- View:726 2018年07月12日
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レーザー技術の中心にはレーザーがあります。世界初のレーザーは、T.H. Mehmanらによって作られた1960年のルビーレーザーでした。半導体物理の急速な発展とそれに伴うトランジスタの発明は、科学者たちが、1950年代初めに半導体レーザーを発明することを考えていました1962年7月、マサチューセッツ工科大学のリンカーン研究所のキーズ・アンド・クイスト（Keyes and Quist）の2名の研究者がガリウム砒素材料の発光を報告しました。ゼネラル・エレクトリック・リサーチ・ラボエンジニア・ハル Hall）は、他の研究者と協力して世界初の半導体レーザーを開発しました。
半導体レーザは、半導体材料を仕事物質として用いたレーザの一種であり、材料構造の違いから、レーザを発生させる具体的なプロセスは特殊である。 ガリウム砒素（GaAs）、硫化カドミウム（CdS）、リン化インジウム（InP）、硫化亜鉛（ZnS）などが一般的に用いられる材料である。 励起方法は、電気注入、電子ビーム励起、および光ポンピングの3つの形態である。 世界初の半導体レーザーが1962年に導入されて以来、何十年にもわたって研究されてきた半導体レーザーは、赤外線、赤色から青緑色まで幅広く開発されています。 パフォーマンスパラメータも大幅に向上しました！ 半導体レーザは、小型で高効率の利点を有しているので、レーザ通信、印刷版作製、光情報処理に広く利用することができる。
半導体レーザの開発の歴史
世界で初めて半導体レーザーが1962年に導入されました。数十年の研究の後、半導体レーザーは驚くほど発展しました。赤外線レーザー、赤色から青緑色レーザーまでの波長範囲を持ち、徐々に拡大しています。 パラメータも大きく改善され、その製造技術は、液相エピタキシ（LPE）、気相エピタキシー（VPE）、分子線エピタキシー（MBE）、MOCVD法（有機金属化合物気相成長）への拡散方法を経た。 ）、化学ビームエピタキシー（CBE）およびそれらの様々な組合せおよび他のプロセスを含む。
そのレイジング閉電圧電流は、サブmAまで数百mAから数十mAに減少し、その寿命は数百時間から数万時間の範囲であり、最初の低温（77K）からの連続作業までの何百万時間にも及ぶ。出力効率は、数ミリワットからキロワット（アレイデバイス）に増加し、高効率、小型、軽量、シンプルな構造、電気エネルギーをレーザーエネルギーに直接変換することができ、電力変換効率が高く（10％以上に達す、 最大50％）。 現在では、固定波長半導体レーザの数が全レーザの中で最も多く、いくつかの重要な用途で使用されている他のレーザは徐々に半導体レーザに置き換えられています。
1960年代初期の半導体レーザーはホモ接合レーザーであり、材料上に作製されたpn接合ダイオードであった。 正の高電流注入では、P領域に電子が連続的に注入され、1 ：1に正孔が連続的に注入され、電子による元のpn接合空乏領域でキャリア分布が反転する。 移動速度はホールの移動速度よりも速く、活性領域では放射、再結合、蛍光発光が起こり、ある条件ではレーザ光が発生するが、これはパルス状にしか働かない半導体レーザである。
半導体レーザ開発の第2段階は、2つの異なるバンドギャップを有する半導体材料の薄い層であるヘテロ構造半導体レーザである。 GaAsのような。 最初に現れるGaAIAの組成は、単一ヘテロ構造レーザー（1969年）である。 単一のヘテロ接合注入レーザ（SHLD）は、注入された電子をGaAsP-N接合のP領域内に閉じ込めるためにヘテロ接合によって提供される障壁を使用し、それによりホモ接合レーザに比例する閾値電流密度を低減する。 大きさのオーダーで減少するが、単一のヘテロ接合レーザーは依然として室温で連続的に働かない。半導体レーザはグリーンレーザーポインター、青いレーザーポインター、赤レーザーポインターに用いる。
1970年代の終わり以来、半導体レーザは明らかに2つの方向に進化しています.1つは情報を伝送する情報レーザです。 もう1つは、光パワーを向上させるためのパワータイプのレーザである。 ポンピングされた固体レーザなどのアプリケーションによって駆動され、高出力半導体レーザ（高出力半導体レーザと呼ばれることがある100mW以上の連続出力および5W超のパルス出力を有する）は、1990年代に突破口を作った。 マークは、半導体レーザの出力が大幅に増加することである。
1990年代に登場した面発光レーザ（SEL）は、8mWのサブmAhグリッド電流と室温で11％の変換効率を実現する半導体レーザです。 1990年代の終わりに面発光レーザと面発光レーザが急速に開発され、超並列オプトエレクトロニクスの様々な応用が検討されてきた。 光学系では、980nm、850nm、780nmのデバイスが実用化されている。
21世紀における広帯域情報伝送、高速情報処理、大容量情報化、軍用機器の小型・高精度化の要求を満たすためには、高速ブロードバンドLDに半導体レーザが必要であり、 高出力ID、短波長LD、流域線および量子である。 ポイントレーザー、中赤外LDなどの視点で一連の目を引く結果が得られました。新型レーザーポインター2600ｍｗ高出力レーザー兵器自衛隊演習用ハンドヘルドミニレーザー懐中電灯EQUALITYシリーズおすすめ！軍事規格6061-T6航空アルミニウム材料 攻撃の頭部付け自己防衛 ガラスを粉砕し、危険なときには救助や自助のために脱出口を素早く開く 安全係数を上げるポケットとバックパックに入れやすい ボディーカラー緑、ブラック、銀色選択可
半導体レーザのしくみ
半導体レーザは、コヒーレントな放射源である。レーザを生成するためには、3つの基本条件が満たされなければならない。
1、利得条件：発振媒体（活性領域）にキャリアの逆分布を確立する。半導体内の電子エネルギーは、連続エネルギー準位に近い一連のエネルギーバンドから構成されているため、半導体 反転分布を達成するためには、2つのエネルギーバンド領域の間の低エネルギー価電子帯の底部に多数の電子を有することが必要であり、これは低エネルギー価電子帯の頂部のホールの数よりもはるかに大きい。 ヘテロ接合は順バイアスされ、必要なキャリアが活性層に注入される。 電子は、より低いエネルギー価電子帯からより高いエネルギー伝導帯に励起される。 粒子数が反転した状態の多数の電子が正孔と結合すると、誘導放出が起こる。
2、コヒーレントな誘導放射を得るために、誘導された放射は、光学キャビティ内で複数回フィードバックされてレーザ発振を形成しなければならない。レーザのキャビティは、半導体結晶の自然の劈開面 光を発しない端部には、高反転多層誘電体膜がメッキされ、発光面には反射防止膜がメッキされている。 F-pキャビティ（ファブリペロ・キャビティ）半導体レーザの場合、P-n接合面に垂直な自然の劈開面[110]面を使用してF-Pキャビティを形成するのが便利である。
3、安定した発振を得るためには、共振器による光損失や共振器表面からのレーザ出力による損失を補償し、共振器内の光場を連続的に増加させるのに十分大きな利得を与えることができなければならない。 これには、十分に強い電流注入が必要であり、すなわち反転分布が十分であり、粒子反転の度合いが高いほど、得られる利得が大きくなる、すなわちある電流閾値条件を満たさなければならないという要求が満たされなければならない。 レーザが閾値に達すると、特定の波長の光が共振器内で共振して増幅され、最後にレーザが形成されて連続的に出力される。
半導体レーザでは、電子と正孔の双極子遷移が基本的な発光と光増幅プロセスであることがわかる。 新しい半導体レーザでは、現在、量子井戸が半導体レーザの開発の基本原動力として認識されている。 量子効果を最大限発揮できるかどうかの問題は、今世紀に至るまで広がってきた。科学者たちは、自己組織化構造を用いて様々な材料で量子ドットを作りようと試みてきており、GaInN量子ドットが半導体レーザーに使われてきた。 さらに、科学者たちは、半導体伝導帯のサブレベルから同じバンドのより低いレベルへの遷移に基づいて誘導放射を有する別のタイプの量子カスケードレーザを作製した 伝導帯の電子はこのプロセスに関与しているため、ユニポーラデバイスです。
半導体レーザの動作特性
1、しきい値電流
pn接合に注入される電流が小さい場合、自然放出のみが発生し、電流値が増加するほど利得が増加し、閾値電流に達するとpn接合がレーザ光を発生する。
しきい値に影響するいくつかの要因：
（1）結晶のドーピング濃度が大きいほど、しきい値が小さくなる。
（2）共振空洞の損失は、反射率の増加のように小さく、しきい値は低い。
（3）半導体材料の接合に関して、ヘテロ接合閾値電流はホモ接合よりもはるかに低い。 現在、室温でのホモ接合のしきい値電流は30,000A / cm 2より大きく、単一のヘテロ接合は約8000A / cm 2であり、ダブルヘテロ接合は約1600A / cm 2である。 ヘテロ接合は、室温で数十ミリワットを連続的に出力することができる半導体レーザを製造するために使用されている。
（4）温度が高いほど、しきい値が高くなる。 100Kを超えると、しきい値はTの3乗で増加する。 したがって、半導体レーザは、低温および室温で動作することが好ましい。2、指向性
半導体レーザの共振空洞は短く、レーザの指向性が悪いため、発散角は接合部の垂直面で最大20°〜30°であり、接合部の水平面では約10°である。
3.効率
量子効率η= 1秒間に放出される光子の数/ 1秒間に接合部に達する電子 - 正孔対の数
77Kでは、GaAsレーザの量子効率は70％〜80％である。 300Kで約30％に減少します。
電力効率η1=放射された光パワー/レーザに印加される電力
様々な損失のために、現在の二重ヘテロ接合デバイスは、室温で10％のη1を有し、低温でのみ30％〜40％に達することができる。4、分光特性
半導体材料の特殊な電子構造のため、エネルギーバンド（伝導帯と価電子帯）の間で励起された複合輻射が起こり、レーザー線幅が広く、室温で線幅が数ナノメートル程度であり、モノクロが見える。 悪いセックス。 出力レーザのピーク波長は、77Kでは840nm、300Kでは902nmである。
638nmオレンジレーザーポインター4400mW/6500mW/6600mW新登場調節可能なフォーカスIPX8耐水性ダイビング可能高輝度オレンジレーザー搭載ストロボまたはパラレルライト二つモード
半導体レーザ応用
01
レーザー分光法の応用レーザー分光法は、レーザーを光源とする分光法で、主に分子分光法、プラズマ物理学、高次高調波発生の科学的応用、大気汚染のモニタリング、がん診断に使用されています。 レーザー分光法の光源としての半導体レーザーの使用は、少量、低入力エネルギー、長寿命、良好な調整および低価格を有する多くの利点を有する。 例えば、グラフは、「SPECDILASV-763-OXY」VCSEL（半導体レーザの動作温度はTop = 10℃、Iset = 4.6mA、32Hz、10.6mVのノコギリ波、256平均）によって検出された酸素の吸収スペクトルです。 モードジャンプなしに、動作電流を変化させることによって、酸素の2つの吸収ピークが容易に得られることが分かる。
02
光硬化成形技術への応用ステレオリソグラフィーアピアランス（SLA）は、初期のラピッドプロトタイピングプロセスであり、成形プロセスの自動化の程度が高く、表面品質が良好で、寸法精度が高く、 小規模の精密鋳造、概念設計通信、製品モデル、迅速なツーリングおよび直接指向型は、航空、自動車、電気、消費財および医療業界で広く使用されています。 モールディング原理は図2に示す通りである。特定の波長と強度を有するレーザーは、光硬化性材料の表面上に点から線へ、線から面へと集束され、1レベルの描画動作を完了し、次いで昇降テーブルは垂直方向にある。 1つのレイヤーの高さを移動し、別のレイヤーの高さを移動します。このレイヤーは、3Dソリッドを形成するまで重ね合わせられます。
UV半導体レーザ技術の開発は、SLAに最適な光源を提供します。これは、電気光学効率、コスト、体積、寿命、信頼性の面で最も優れており、スペクトル、線幅、パワーの面でも完全です。 プロセス要求に沿って、この新しいタイプの光源に関する研究が現実味を帯びてきました。
03
軍事分野における応用レーザー技術の成熟に伴い、半導体レーザーの応用範囲は光エレクトロニクス分野全体をカバーし、軍事分野でも広く使われており、中国の国防産業の不可欠なバックボーンとなっています。 半導体レーザーレーダー、主にLDと波長820〜850nmのアレイなど。 パッシブ検出（赤外線システム）と組み合わされた新しい半導体レーザレーダは、高度なリアルタイム画像処理能力を備えた、強度イメージング、レンジイメージングおよび速度イメージングを含む様々なイメージング機能を有する。さまざまなイメージング、イメージトラッキング、ターゲットの自動認識の統合を含む。
加えて、半導体レーザは、レーザ測距、レーザアナログ兵器、レーザ警告、レーザガイダンス追跡、点火およびデトネーションにおいても広く使用されている。
04
医療用アプリケーション半導体レーザは、小型、低コスト、長寿命、波長選択性、安定した出力などの長所を持っており、医療機器に特に適しており、臨床アプリケーションはほとんどすべてのタイプのレーザアプリケーションに対応しています。 例えば、低出力810nm近赤外半導体レーザーは、この波長で強力レーザー浸透能力を有し、屈折率が最も低く、調節可能なスポット径が大きい。眼科で最も一般的に使用される熱源であり、緑内障およびシリコーンオイル注入の治療に使用できる。 術後の難治性高眼内圧、網膜の光凝固と固定; 810nmの半導体レーザーは、毛包のメラニンによってよく吸収され、熱作用を起こし、毛包を破壊し、脱毛を完了させる;高出力半導体レーザーは腫瘍においても広く使用されている。 レーザー切断、凝固手術。 これらはすべて人間の健康をさらに保護します。
