Laser Semikonduktor

download Laser Semikonduktor

of 16

Transcript of Laser Semikonduktor

Laser semikonduktor dikatakan "laser masa depan". Alasannya: mereka yang kompak, mereka memiliki potensi produksi massal, mereka dapat dengan mudah diintegrasikan, sifat mereka dalam perbaikan yang cepat, mereka menjadi lebih dan lebih kuat dan efisien dan mereka telah menemukan digunakan secara luas sebagai pompa untuk solid- state laser. Mayoritas bahan semikonduktor didasarkan pada kombinasi dari unsur-unsur dalam kelompok ketiga dari Tabel Periodik (seperti Al, Ga, In) dan kelompok kelima (seperti N, P, As, Sb) maka disebut sebagai III -V senyawa. Contoh termasuk Gaas, AlGaAs, InGaAs dan paduan InGaAsP. Para cw Laser panjang gelombang emisi biasanya dalam 630 ~ 1600 nm, namun baru-baru InGaN semikonduktor laser ditemukan untuk menghasilkan cw 410 nm cahaya biru pada suhu kamar. Laser semikonduktor yang dapat menghasilkan cahaya biru-hijau menggunakan bahan yang merupakan kombinasi dari unsur-unsur dari kelompok kedua (seperti Cd dan Zn) dan kelompok keenam (S, Se). Prinsip semikonduktor laser sangat berbeda dari CO 2 dan Nd: YAG laser. Hal ini didasarkan pada "Radiasi Rekombinasi". Kita dapat menjelaskan prinsip ini dengan mengacu pada gambar berikut. Gambar 2.18: Prinsip laser semikonduktor Bahan semikonduktor memiliki pita valensi dan pita konduksi V C, tingkat energi pita konduksi Misalnya (Misalnya> 0) lebih tinggi dari pita valensi. Untuk membuat hal-hal sederhana, kita mulai analisis kita seandainya suhu menjadi 0 K. Ini dapat dibuktikan bahwa kesimpulan yang kita ambil di bawah 0 K berlaku untuk suhu normal. Berdasarkan asumsi untuk semikonduktor nondegenerate, awalnya pita konduksi benar-benar kosong dan pita valensi terisi penuh. Sekarang kita membangkitkan beberapa elektron dari band valensi ke pita konduksi, setelah sekitar 1 ps, elektron dalam pita konduksi drop ke tingkat terendah kosong dari band ini, kami nama batas atas dari tingkat energi elektron pada pita konduksi-kuasi Fermi tingkat E fc. Sementara lubang muncul dalam pita valensi dan elektron di dekat bagian atas pita valensi drop ke tingkat energi terendah dari tingkat energi valensi kosong, biarkan di atas pita valensi bagian kosong. Kami menyebutnya batas tingkat energi baru atas pita valensi kuasi-Fermi tingkat E FV. Ketika elektron pada pita konduksi lari ke pita valensi, mereka akan menggabungkan dengan lubang, dalam waktu yang sama mereka memancarkan foton. Ini adalah radiasi rekombinasi . Tugas kita adalah untuk membuat radiasi rekombinasi untuk Lase. Kemudian beberapa persyaratan harus dipenuhi. Pertama untuk radiasi harus diperkuat, energi cahaya h v harus memenuhi: E fc - E h >v FV Misalnya > Dari hubungan ini kita memiliki E fc - E > Misalnya FV. Ini memutuskan kondisi kritis. Nilai E dan E FV fc dipengaruhi oleh proses pemompaan, yaitu dengan intensitas (N) dari elektron yang diangkat ke pita konduksi. Ketika N meningkat, E dan E meningkatkan fc FV menurun. N memenuhi fc E - E FV = Misalnya bernama N tr.Kami menyuntikkan pembawa ke dalam bahan semikonduktor untuk membuat intensitas elektron bebas lebih besar dari th N, maka semikonduktor pameran keuntungan bersih. Kami menempatkan media ini aktif dalam rongga yang sesuai, tindakan laser yang terjadi saat ini keuntungan bersih mengatasi kerugian.Pemompaan laser semikonduktor dapat direalisasikan oleh sinar laser lain, atau oleh berkas elektron, tapi cara yang paling mudah adalah dengan menggunakan arus listrik yang mengalir melalui persimpangan semikonduktor. Ini menggunakan laser semikonduktor dalam bentuk dioda. Para laser semikonduktor awal adalah Laser Homojunction, yang dapat beroperasi hanya pada suhu cw kriogenik (seperti T = 77K). Homojunction berarti perangkat laser menggunakan bahan yang sama untuk kedua sisi p dan n persimpangan. Laser homojunction digantikan dengan double-heterostructure (DH) laser yang dapat beroperasi pada suhu kamar. Para menengah aktif DH laser terjepit di antara p dan bahan n, bahan p dan n berbeda dari bahan aktif. Dimensi semikonduktor laser sangat kecil, nilai khas adalah 100 m m * 200 * 50 m. Efisiensi konversi daya adalah beberapa persen untuk unit daya rendah dan dapat mencapai 30% untuk array laser. Daya keluaran meningkat dengan volume lapisan aktif, dioda array linier atau ditumpuk laser dapat menghasilkan sampai 20W cw dan peak power sampai 100W di kuasi-CW operasi. Sebuah masalah dengan laser semikonduktor relatif besar sudut divergensi nya (nilai khas 1 ~ 30 derajat), tapi cacat yang sedang diperbaiki dengan cepat. Daya yang lebih rendah sistem laser dioda, dari beberapa mW, digunakan di CD player, sistem penyimpanan optik, printer laser dan komunikasi. Dioda laser dengan 0.5W/diode Daya yang tersedia, ketika mereka dikemas ke dalam array, mereka dapat menghasilkan kekuatan beberapa kW. Seperti yang telah disebutkan sebelumnya, laser semikonduktor berkembang cepat, biaya akan sangat berkurang ketika mereka bisa diproduksi secara massal. Sebuah aplikasi yang sangat penting dari laser dioda adalah untuk memompa energi laser sistem lain tinggi seperti Nd: YAG laser. Kita akan membahas teknik ini di tingkat lanjutan. G 2.10: Gambar laser dioda (Courtesy of Lasermate Corporation) Awal bekerja pada semikonduktor difokuskan pada silikon , tapi silikon itu sendiri tidak dapat memancarkan sinar laser.Penemuan transistor di Bell Laboratories pada tahun 1948 olehWilliam Schockley, Walter Brattain, dan John Bardeen mendorong penelitian pada semikonduktor lainnya. Hal ini juga menyediakan kerangka kerja konseptual yang akhirnya akan mengarah pada pemahaman tentang emisi cahaya dalam semikonduktor. Pada tahun 1952, Heinrich Welker, di Siemens di Jerman, menggambarkan semikonduktor dari unsur-unsur yang ditemukan dalam kolom III dan V dari tabel periodik sebagai berpotensi berguna untuk perangkat elektronik. Salah satunya,gallium arsenide , atau GaAs, adalah untuk fitur menonjol dalam pencarian untuk komunikasi yang efisien Laser . Prekursor yang diperlukan untuk eksploitasi penuh adalah studi dasar lapisan-demi lapis pertumbuhan tinggi kemurnian kristal , Penelitian cacat dan dopan (kotoran ditambahkan ke bahan murni untuk mengubah sifat-sifatnya), dan analisis efek panas pada stabilitas senyawa. Dengan kemajuan ini, kelompok penelitian di General Electric , IBM , dan Laboratorium Lincoln diMassachusetts Institute of Technology mengembangkan laser GaAs bekerja pada tahun 1962. Tapi masalah lama bertahan: overheating. Laser yang digunakan semikonduktor tunggal, biasanya GaAs, tidak sangat efisien. Mereka masih dibutuhkan listrik begitu banyak untuk memulai tindakan laser yang, pada suhu ruang normal, mereka cepat panas, lagi, hanya operasi berdenyut itu mungkin, yang tidak praktis untuk komunikasi. Fisikawan mencoba berbagai metode untuk menghilangkan panas - seperti menempatkan laser di atas bahan lain yang konduktor panas yang baik, namun tidak berhasil. Kemudian, pada tahun 1963, Herbert Kroeme r di University of Colorado mengusulkan pendekatan yang berbeda - untuk membangun laser yang terdiri dari sandwich semikonduktor, dengan lapisan tipis aktif diatur antara dua lempengan material yang berbeda. Membatasi tindakan laser untuk lapisan aktif tipis akan memerlukan sangat sedikit saat ini dan akan terus output panas pada tingkat ditangani. Seperti laser tidak dapat dibangun hanya dengan menyelipkan di lapisan aktif, seperti sepotong keju di antara dua potong roti.Atom-atom dalam kristal semikonduktor disusun dalam bentukkisi , Dengan elektron-elektron membentuk ikatan kimia.Dalam rangka untuk menciptakan laser semikonduktor berlapis-lapis dengan ikatan antara atom-atom yang diperlukan, perangkat harus tumbuh sebagai unit tunggal, yang disebut kristal berlapis-lapis.