Polovodičové lasery

Polovodičové lasery

Polovodičové laserové diody zaznamenaly dramatické zlepšení v posledním desetiletí. Byla to dlouhá cesta od prvních testů, kterých bylo dosaženo na více místech najednou již v roce 1962 (1). Mezi první aplikace historicky patřily komunikace optických vláken a ukládání dat na celou řadu datových nosičů a zařízení. Tyto aplikace a jejich neustále vzrůstající požadavky umožnily rozvoj diodových zářičů, jak je známe dnes. Tento jev je úzce spojen se škálováním výpočetní síly procesorů, kterou velmi přesně předpověděl Gordon E. Moore (2). Ten stanovil již v roce 1965 trend, který každým rokem zdvojnásobil počet tranzistorů na čipu. Díky tomu rostl výkon výpočetní techniky a s ním samozřejmě i potřeba žádaná data ukládat a sbírat. S rostoucím počtem dat roste i čas jejich přenosu, takže vzrůstaly požadavky na přenosovou rychlost mezi nosiči, jejich zápis a čtení. V těchto aplikacích nacházely uplatnění již zmíněné polovodičové diody. Jejich aktuální rozvoj však způsobil postupné nasazování i do celé řady nových aplikací. Vývoj totiž umožnil zvýšit spolehlivost, výstupní výkon a rozšířil možnosti výstupní vlnové délky. Navíc potenciál polovodičových laserů ještě zdaleka není využit naplno, což se o řadě dosavadních zářičů již nedá říci (1), (3). Tyto vlastnosti pak předurčily polovodičové lasery i do dalších aplikací, ve kterých je vidíme dnes a uvidíme i v budoucnu. Díky vyššímu výkonu je možné polovodičové lasery používat v aplikacích zpracování materiálu, v zobrazovací technice, metrologii, medicíně a komunikaci (1).

Využití polovodičových laserů stoupá každým rokem a jsou nejvíce využívaným typem laserového zářiče na světě. K tomu dochází právě díky výše zmíněné škále využití. Celkový světový obrat z prodeje laserových zářičů v roce 2016 byl 10,4 miliard dolarů (3). Z toho 45 % patřilo právě prodeji polovodičových laserů. (4)

Struktura laserové diody je tvořena polovodičovými materiály využívající p-n přechodu. Okolí přechodu vytváří aktivní prostředí, ve kterém dochází k injekci děr a elektronů. Aktivní prostředí je dopováno vedlejším elektrickým zdrojem pro vytváření a udržování nerovnovážného rozdělení nábojů (díry a elektrony). Tyto odlišné náboj se velmi rychle spojí za vzniku a vyzáření fotonu. Fotony můžou vznikat náhodně s různou fází a různým směrem vyzáření, nebo stimulovaně se specifickou fází a směrem vyzáření. Pokud je do prostředí vypuštěn foton, který má energii rovnou rozdílu příslušných energetických hladin elektronu, dokáže pak stimulovat tento elektron k přechodu do nižší energetické hladiny za vzniku fotonu se stejným směrem fáze i polarizace. Stimulovaná emise se v polovodičové diodě dosahuje překonáním prahového proudu. Při nižších hodnotách proudu dochází k emisi spontánní a laserový paprsek je tak nekoherentní. Výstup koherentního paprsku získáme při vyšších proudech. Prahový proud značně závisí na teplotě prostředí polovodiče. Každý stupeň zvýší prahový proud až o 15 %. I z tohoto důvodu jsou polovodičové lasery velmi závislé na teplotě prostředí a s rostoucí teplotou dochází k jejich nadměrnému opotřebení, snižování životnosti, či rovnou poruše.

Obdobně jako u CO2 laserů i polovodičové lasery využívají optického rezonátoru. Jedná se o zařízení, skládající se z dvou krajních zrcadel. U diodových laserů jsou však tyto konstrukce velmi miniaturní. Často se jedná o kousky krystalů, nebo difrakční mřížky. Výstup vyzářených fotonů prochází optickým rezonátorem, kde se odráží od krajních zrcadel a opakovaně prochází aktivním prostředím. Takto dochází ke stimulované emisi Vlny fotonů se postupně skládají a vzniklé vlnění se ustaluje v kmitavých módech. Těch se vleze do rezonátoru konečné množství a přetrvají pouze takové, které se přesně vlezou do dutiny rezonátoru. Násobek poloviny vlnové délky je pak roven šířce rezonátoru. Takto lze geometrií rezonátoru ovlivňovat výstup polovodičového zářiče. Na základě šířky rezonátoru existují singlemode (jedno-módové) a multimode (více-módové) laserové paprsky. Paprsky s jedním módem mají lepší kvalitu výstupního záření, naopak lasery s více módy dosahují větších výkonů (6), (7), (8).

Obecně je výstupní paprsek polovodičové diody nesymetrický a rozbíhavý. Pro zaostření a vedení paprsku se pak využívá čočka, nebo soustava čoček. Výstupní paprsek má pak eliptický průřez. Pokud daná aplikace vyžaduje symetrický paprsek kruhového průřezu, využívá se cylindrických čoček.

(1) Majer, Dušan. Komunikace přes paprsky X. místo neznámé : Kosmonautix.cz, 2019.

(2) Caristan, C. L. Laser cutting guide for manufacturing. Dearborn : MI: Society of Manufacturing Engineers, 2014.

(3) Claire. A Guide to Buy Your First CO2 Laser Engraving and Cutting Machine. [online] : StyleCNC, 2018.

(4) Baranov, Alexei a Tournié, Eric. Semiconductor Lasers. Oxford : oodhead Publishing Limited, 2013

(5) Cramming more components. Moore, Gordon E. volume 38,, 19. Duben 1965, Electronics

(6) Siegman, A. E. Lasers. California USA : Univ. Science Books Mill Valley, 1986.

(7 )Buus, J., Amann, M. C. a D. J. Blumenthal. Tunable laser diodes and related optical sources 2nd ed. Hoboken : N.J.: John Wiley, c2005

(8) Epperlein, P. W. Semiconductor laser engineering, reliability, and diagnostics: a practical approach to high power and single mode devices, 1st ed. Chichester, West Sussex, United Kingdom : Wiley, 2013.

Napsat komentář

Vaše emailová adresa nebude zveřejněna. Vyžadované informace jsou označeny *


*