Les lasers à semi-conducteurs sont des générateurs quantiques basés sur un milieu actif semi-conducteur dans lequel une amplification optique est créée par émission stimulée lors d'une transition quantique entre des niveaux d'énergie à une concentration élevée de porteurs de charge dans la zone libre.
Laser à semi-conducteur: principe de fonctionnement
Dans l'état normal, la plupart des électrons sont situés au niveau de la valence. Lorsque les photons fournissent une énergie dépassant l'énergie de la zone de discontinuité, les électrons du semi-conducteur entrent dans un état d'excitation et, ayant franchi la zone interdite, passent dans la zone libre en se concentrant à son bord inférieur. Simultanément, les trous formés au niveau de la valence montent jusqu'à sa limite supérieure. Les électrons de la zone libre se recombinent avec les trous, rayonnant une énergie égale à l'énergie de la zone de discontinuité sous forme de photons. La recombinaison peut être améliorée par des photons avec des niveaux d'énergie suffisants. La description numérique correspond à la fonction de distribution de Fermi.
Appareil
Dispositif laser à semi-conducteurest une diode laser pompée avec l'énergie des électrons et des trous dans la zone de jonction p-n - le point de contact des semi-conducteurs avec une conductivité de type p et n. En outre, il existe des lasers à semi-conducteurs à alimentation en énergie optique, dans lesquels le faisceau est formé en absorbant des photons de lumière, ainsi que des lasers à cascade quantique, dont le fonctionnement est basé sur des transitions à l'intérieur de bandes.
Composition
Les connexions standard utilisées dans les lasers à semi-conducteurs et les autres dispositifs optoélectroniques sont les suivantes:
- arséniure de gallium;
- phosphure de gallium;
- nitrure de gallium;
- phosphure d'indium;
- arséniure d'indium-gallium;
- arséniure d'aluminium et de gallium;
- nitrure d'arséniure de gallium-indium;
- phosphure de gallium-indium.
Longueur d'onde
Ces composés sont des semi-conducteurs à gap direct. La lumière à espacement indirect (silicium) n'émet pas avec une force et une efficacité suffisantes. La longueur d'onde du rayonnement laser à diode dépend du degré d'approximation de l'énergie du photon à l'énergie de la zone de discontinuité d'un composé particulier. Dans les composés semi-conducteurs à 3 et 4 composants, l'énergie de la zone de discontinuité peut varier en continu sur une large plage. Pour AlGaAs=AlxGa1-xAs, par exemple, une augmentation de la teneur en aluminium (une augmentation de x) entraîne une augmentation de la énergie de la zone de discontinuité.
Alors que les lasers à semi-conducteurs les plus courants fonctionnent dans le proche infrarouge, certains émettent des couleurs rouges (phosphure d'indium et de gallium), bleues ou violettes (nitrure de gallium). Le rayonnement infrarouge moyen est produit par des lasers à semi-conducteurs (séléniure de plomb) et des lasers à cascade quantique.
Semi-conducteurs organiques
En plus des composés inorganiques mentionnés ci-dessus, des composés organiques peuvent également être utilisés. La technologie correspondante est encore en cours de développement, mais son développement promet de réduire considérablement le coût de production des générateurs quantiques. Jusqu'à présent, seuls des lasers organiques avec alimentation en énergie optique ont été développés et un pompage électrique hautement efficace n'a pas encore été atteint.
Variétés
De nombreux lasers à semi-conducteurs ont été créés, différant par leurs paramètres et leur valeur appliquée.
Les petites diodes laser produisent un faisceau de rayonnement périphérique de haute qualité, dont la puissance varie de plusieurs à cinq cents milliwatts. Le cristal de la diode laser est une fine plaque rectangulaire qui sert de guide d'onde, car le rayonnement est limité à un petit espace. Le cristal est dopé des deux côtés pour créer une jonction p-n d'une grande surface. Les extrémités polies créent un résonateur Fabry-Perot optique. Un photon traversant le résonateur provoquera une recombinaison, le rayonnement augmentera et la génération commencera. Utilisé dans les pointeurs laser, les lecteurs de CD et de DVD et les communications par fibre optique.
Les lasers monolithiques de faible puissance et les générateurs quantiques avec un résonateur externe pour former de courtes impulsions peuvent produire un verrouillage de mode.
Laserssemi-conducteur à résonateur externe constitué d'une diode laser, qui joue le rôle de milieu amplificateur dans la composition d'un plus grand résonateur laser. Ils sont capables de changer de longueur d'onde et ont une bande d'émission étroite.
Les lasers à semi-conducteurs à injection ont une région d'émission sous la forme d'une large bande, peuvent générer un faisceau de faible qualité avec une puissance de plusieurs watts. Ils sont constitués d'une fine couche active située entre les couches p et n, formant une double hétérojonction. Il n'existe aucun mécanisme permettant de maintenir la lumière dans la direction latérale, ce qui entraîne une ellipticité élevée du faisceau et des courants de seuil inacceptables.
De puissantes barres de diodes, composées d'un réseau de diodes à large bande, sont capables de produire un faisceau de qualité médiocre avec une puissance de plusieurs dizaines de watts.
De puissants réseaux bidimensionnels de diodes peuvent générer de l'énergie dans des centaines et des milliers de watts.
Les lasers à émission de surface (VCSEL) émettent un faisceau lumineux de haute qualité d'une puissance de plusieurs milliwatts perpendiculaire à la plaque. Des miroirs de résonateur sont appliqués sur la surface de rayonnement sous la forme de couches de ¼ de longueur d'onde avec différents indices de réfraction. Plusieurs centaines de lasers peuvent être fabriqués sur une seule puce, ce qui ouvre la possibilité d'une production de masse.
Les lasers VECSEL avec alimentation optique et un résonateur externe sont capables de générer un faisceau de bonne qualité avec une puissance de plusieurs watts en mode verrouillage.
Le fonctionnement d'un laser quantique à semi-conducteurle type cascade est basé sur les transitions au sein des zones (par opposition aux interzones). Ces appareils émettent dans la région de l'infrarouge moyen, parfois dans la gamme des térahertz. Ils sont utilisés, par exemple, comme analyseurs de gaz.
Lasers à semi-conducteur: application et principaux aspects
Des lasers à diodes puissants avec un pompage électrique à haut rendement à des tensions modérées sont utilisés comme moyen d'alimenter des lasers à semi-conducteurs à haut rendement.
Les lasers à semi-conducteurs peuvent fonctionner sur une large plage de fréquences, qui comprend les parties visible, proche infrarouge et infrarouge moyen du spectre. Des appareils ont été créés qui vous permettent également de modifier la fréquence d'émission.
Les diodes laser peuvent commuter et moduler rapidement la puissance optique, ce qui trouve une application dans les émetteurs à fibre optique.
De telles caractéristiques ont fait des lasers à semi-conducteurs le type de générateurs quantiques le plus important sur le plan technologique. Ils s'appliquent:
- dans les capteurs de télémétrie, les pyromètres, les altimètres optiques, les télémètres, les viseurs, l'holographie;
- dans les systèmes à fibres optiques de transmission optique et de stockage de données, les systèmes de communication cohérents;
- dans les imprimantes laser, les vidéoprojecteurs, les pointeurs, les scanners de codes-barres, les scanners d'images, les lecteurs de CD (DVD, CD, Blu-Ray);
- dans les systèmes de sécurité, la cryptographie quantique, l'automatisation, les indicateurs;
- en métrologie optique et spectroscopie;
- en chirurgie, dentisterie, cosmétologie, thérapie;
- pour le traitement de l'eau,traitement des matériaux, pompage laser à l'état solide, contrôle des réactions chimiques, tri industriel, génie industriel, systèmes d'allumage, systèmes de défense aérienne.
Sortie d'impulsions
La plupart des lasers à semi-conducteur génèrent un faisceau continu. Du fait du court temps de séjour des électrons au niveau de la conduction, ils sont peu adaptés pour générer des impulsions déclenchées, mais le mode de fonctionnement quasi-continu permet une augmentation significative de la puissance du générateur quantique. De plus, les lasers à semi-conducteurs peuvent être utilisés pour générer des impulsions ultracourtes avec verrouillage de mode ou commutation de gain. La puissance moyenne des impulsions courtes est généralement limitée à quelques milliwatts, à l'exception des lasers VECSEL à pompage optique, dont la sortie est mesurée par des impulsions picosecondes de plusieurs watts avec une fréquence de dizaines de gigahertz.
Modulation et stabilisation
L'avantage du court séjour d'un électron dans la bande de conduction est la capacité des lasers à semi-conducteurs à la modulation à haute fréquence, qui pour les lasers VCSEL dépasse 10 GHz. Il a trouvé une application dans la transmission de données optiques, la spectroscopie, la stabilisation laser.
