Boks Kracht Berekenaar & Formule (Online & Gratis)
Heb je je ooit afgevraagd hoe je kunt zorgen voor een succesvol metaalstempelproject? In deze blogpost duiken we in de kritieke factoren die uw stempelproces kunnen maken of breken....
Heb je je ooit afgevraagd hoe een piepkleine halfgeleider krachtig laserlicht kan produceren? Halfgeleiderlasers, die een centrale rol spelen in technologieën van glasvezel tot medische apparatuur, hebben sinds hun ontstaan in 1962 een enorme ontwikkeling doorgemaakt. Dit artikel verkent hun werkingsprincipes, historische mijlpalen en diverse toepassingen. Ontdek hoe halfgeleiderlasers werken, welke materialen ze gebruiken en hun baanbrekende invloed op de moderne technologie. Duik in de materie om hun reis te begrijpen van basiswetenschap tot een essentieel onderdeel van alledaagse technologie!
Sinds de uitvinding van 's werelds eerste halfgeleiderlaser in 1962 hebben halfgeleiderlasers enorme veranderingen doorgemaakt, de ontwikkeling van andere wetenschappen en technologieën enorm bevorderd en worden ze beschouwd als een van de grootste menselijke uitvindingen van de twintigste eeuw.
In de afgelopen decennia is de ontwikkeling van halfgeleiderlasers nog sneller gegaan, waardoor het een van de snelst groeiende lasertechnologieën ter wereld is.
De toepassing van halfgeleiderlasers bestrijkt het hele gebied van de opto-elektronica en is vandaag de dag de kerntechnologie van de opto-elektronica geworden.
Dankzij de voordelen van kleine afmetingen, eenvoudige structuur, lage inputenergie, lange levensduur, gemakkelijke modulatie en lage prijs van halfgeleiderlasers worden ze nu veel gebruikt op het gebied van opto-elektronica en worden ze zeer gewaardeerd door landen over de hele wereld.
De halfgeleiderlaser is een geminiaturiseerde laser met Pn- of Pin-junctie samengesteld uit halfgeleidermateriaal met een directe bandkloof als werkmateriaal.
Er zijn tientallen halfgeleiderlaserwerkstoffen en de halfgeleidermaterialen waarvan lasers zijn gemaakt, zijn onder andere galliumarsenide, indiumarsenide, indiumantimonide, cadmiumsulfide, cadmiumtelluride, loodselenide, loodtelluride, aluminiumgaliumarsenicum, indiumfosforarsenicum, enz.
Er zijn drie belangrijke excitatiemethoden voor halfgeleiderlasers, namelijk：
De meeste halfgeleiderlasers worden aangeslagen door elektrische injectie, wat betekent dat een voorwaartse spanning wordt toegepast op de Pn-junctie om aangeslagen emissie te produceren in het junctievlakgebied, dat een voorwaarts gebiaseerde diode is.
Daarom wordt de halfgeleiderlaser ook wel een halfgeleiderlaserdiode genoemd.
Aangezien de elektronen bij halfgeleiders eerder tussen energiebanden springen dan tussen afzonderlijke energieniveaus, is de sprongenergie geen vaste waarde, waardoor de golflengte aan de uitgang van halfgeleiderlasers zich over een groot bereik uitspreidt.
Ze zenden golflengten uit in het bereik van 0,3 tot 34 μm.
Het golflengtebereik wordt bepaald door de energiebandkloof van het gebruikte materiaal en de meest gebruikte is de AlGaAs dubbele heterojunction laser met een uitgangsgolflengte van 750 tot 890 nm.
Schematisch diagram van de laserstructuur
De productietechnologie van halfgeleiderlasers heeft verschillende processen doorlopen, van diffusie tot vloeibare fase epitaxie (LPE), dampfase epitaxie (VPE), moleculaire straal epitaxie (MBE), MOCVD-methode (metal organic compound vapor deposition), chemische straal epitaxie (CBE) en verschillende combinaties daarvan.
Het grootste nadeel van halfgeleiderlasers is dat de laserprestaties sterk worden beïnvloed door de temperatuur en dat de divergentiehoek van de bundel groot is (over het algemeen tussen enkele graden en 20 graden), wat resulteert in slechte richtbaarheid, monochromaticiteit en coherentie.
Met de snelle ontwikkeling van wetenschap en technologie gaat het onderzoek naar halfgeleiderlasers echter steeds verder de diepte in en worden de prestaties van halfgeleiderlasers steeds beter.
Halfgeleiderlasers, die de kern vormen van de halfgeleideroptoelektronicatechnologie in de informatiemaatschappij van de 21e eeuw, zullen meer vooruitgang boeken en een grotere rol spelen.
De halfgeleiderlaser is een coherente stralingsbron, zodat hij laserlicht kan produceren, moeten er drie basisvoorwaarden zijn:
1. Gain-voorwaarde
Om de inversieverdeling van dragers in het excitatiemedium (actieve gebied) vast te stellen, wordt de elektronenenergie in een halfgeleider voorgesteld door een reeks energiebanden die bestaan uit een reeks bijna continue energieniveaus.
Om deeltjesaantalinversie in halfgeleiders te bereiken, is het dus nodig om tussen twee energiebandgebieden te zitten.
Het aantal elektronen onderaan de geleidingsband in de hogere energietoestand is veel groter dan het aantal gaten bovenaan de valentieband in de lagere energietoestand. Dit wordt bereikt door een voorwaartse voorspanning toe te voegen aan de homojunctie of heterojunctie en de nodige dragers in de actieve laag te injecteren om de elektronen van de valentieband met lagere energie naar de geleidingsband met hogere energie te exciteren.
Geëxciteerde emissie treedt op wanneer een groot aantal elektronen in de deeltjesaantalomkeringstoestand zich met gaten verbindt.
2. Om de relevante gestimuleerde straling daadwerkelijk te verkrijgen
Om meervoudige terugkoppeling en de vorming van laseroscillatie te bereiken, moet er opgewekte straling worden gemaakt in de optische resonantieholte.
De resonantieholte van een laser wordt gevormd door de natuurlijke oppervlakteoplossing van een halfgeleiderkristal te gebruiken als reflector, meestal met een zeer reflecterende meerlaagse diëlektrische film aan de niet-uitzendende kant en een gedeeltelijk reflecterende film aan de uitzendende kant.
In het geval van halfgeleiderlasers met een F-p-caviteit (Fabry-Perot caviteit) kan de F-p-caviteit gemakkelijk worden gevormd door het natuurlijke oplossingsvlak van het kristal loodrecht op het p-n-verbindingvlak te gebruiken.
3. Om stabiele oscillaties te vormen, moet het lasermedium een voldoende grote versterking kunnen geven.
Om het optisch verlies veroorzaakt door de resonante holte en het verlies veroorzaakt door de laseruitgang van het holteoppervlak te compenseren, is het noodzakelijk om het optisch veld in de holte constant te verhogen.
Dit vereist een stroominjectie die sterk genoeg is, dat wil zeggen voldoende omkering van het deeltjesaantal. Hoe hoger de mate van omkering van het deeltjesaantal, hoe groter de verkregen winst, dus is het noodzakelijk om aan een bepaalde stroomdrempelvoorwaarde te voldoen.
Wanneer de laser de drempelwaarde bereikt, kan licht met een specifieke golflengte resoneren in de holte en versterkt worden, om uiteindelijk een laser te vormen en continu output te leveren.
Het is duidelijk dat in halfgeleiderlasers de dipoolsprong van elektronen en gaten het basisproces is voor lichtemissie en lichtversterking.
Voor nieuwe halfgeleiderlasers wordt nu erkend dat kwantumputten de fundamentele drijvende kracht zijn voor de ontwikkeling van halfgeleiderlasers.
Het onderwerp of kwantumdraden en kwantumstippen volledig kunnen profiteren van kwantumeffecten is uitgebreid tot in deze eeuw en wetenschappers hebben geprobeerd kwantumstippen te maken in verschillende materialen met zelfgeorganiseerde structuren, terwijl GaInN kwantumstippen zijn gebruikt in halfgeleiderlasers.
Halfgeleiderlasers werden in het begin van de jaren 1960 voor het eerst ontwikkeld als lasers met een homogene junctie, d.w.z. diodes met een pn junctie op één materiaal. Wanneer ze werden onderworpen aan een hoge voorwaartse stroominjectie, werden er continu elektronen geïnjecteerd in het p-gebied en werden er continu gaten geïnjecteerd in het n-gebied, wat resulteerde in een omkering van de dragerdistributie in de oorspronkelijke verarmingszone van de pn-junctie. Aangezien de elektronenmigratiesnelheid sneller is dan de gatenmigratiesnelheid, vindt de emissie van straling en samengestelde deeltjes plaats in de actieve zone, waarbij fluorescentie wordt uitgezonden en onder bepaalde omstandigheden een pulsvormige halfgeleiderlaser optreedt.
De tweede fase in de ontwikkeling van halfgeleiderlasers is de heterostructuurhalfgeleiderlaser, die bestaat uit twee dunne lagen halfgeleidermateriaal met verschillende bandkloof, zoals GaAs en GaAlAs. De eerste was een enkelvoudige heterostructuurlaser (1969). Enkelvoudige heterojunctie injectielasers (SHLD) binnen de p-zone van de GaAsP-N junctie om de drempelstroomdichtheid te verlagen, waarvan de waarde een orde van grootte lager is dan die van homojuncielasers, maar enkelvoudige heterojuncielasers kunnen nog steeds niet continu werken bij kamertemperatuur.
Sinds het einde van de jaren 1970 hebben halfgeleiderlasers zich duidelijk in twee richtingen ontwikkeld. De ene is de ontwikkeling van op informatie gebaseerde lasers voor het verzenden van informatie en de andere is de ontwikkeling van op vermogen gebaseerde lasers voor het verhogen van het optische vermogen. Dit werd gedreven door toepassingen zoals gepompte vastestoflasers en halfgeleiderlasers met een hoog vermogen (continu uitgangsvermogen van 100mw of meer, gepulseerd uitgangsvermogen van 5W of meer) worden nu beschouwd als halfgeleiderlasers met een hoog vermogen.
In de jaren 1990 was er een doorbraak in de halfgeleiderlasertechnologie, gekenmerkt door een aanzienlijke toename in het uitgangsvermogen van halfgeleiderlasers. Halfgeleiderlasers met een hoog vermogen van kilowatt werden gecommercialiseerd en het uitgangsvermogen van binnenlandse voorbeelden bereikte 600W. Lasergolflengtes werden ook uitgebreid van infrarode halfgeleiderlasers naar 670 nm rode halfgeleiderlasers, gevolgd door de introductie van golflengtes van 650 nm, 635 nm, blauwgroene en blauwe halfgeleiderlasers. Violette en zelfs ultraviolette halfgeleiderlasers op 10mW-schaal werden ook met succes ontwikkeld.
Eind jaren 1990 werd de ontwikkeling van oppervlakte-emitterende lasers en vertical-cavity oppervlakte-emitterende lasers overwogen voor verschillende toepassingen in ultraparallelle opto-elektronica. Apparaten op 980 nm, 850 nm en 780 nm zijn praktisch toepasbaar gemaakt in optische systemen. Momenteel worden vertical cavity surface emitting lasers gebruikt in hogesnelheidsnetwerken voor gigabit Ethernet.
Halfgeleiderlasers zijn een klasse lasers die eerder volwassen werden en sneller vooruitgang boekten dankzij hun brede golflengtebereik, eenvoudige productie, lage kosten, gemakkelijke massaproductie, kleine afmetingen, lichte gewicht en lange levensduur. Daarom hebben ze zich snel ontwikkeld en zijn er nu meer dan 300 soorten toepassingen.
(1) Glasvezelcommunicatie:
Halfgeleiderlasers zijn de enige praktische lichtbron voor glasvezelcommunicatiesystemen en glasvezelcommunicatie is de hoofdstroom van de hedendaagse communicatietechnologie geworden.
(2) Toegang tot optische schijven:
Halfgeleiderlasers zijn gebruikt voor optische schijfgeheugens en hun grootste voordeel is de grote hoeveelheid opgeslagen geluid, tekst en grafische informatie. Het gebruik van blauwe en groene lasers kan de opslagdichtheid van optische schijven sterk verbeteren.
(3) Spectrale analyse:
Ver-infrarood afstembare halfgeleiderlasers zijn gebruikt voor de analyse van milieugassen, het monitoren van atmosferische vervuiling, uitlaatgassen van auto's, enz. In de industrie kunnen ze worden gebruikt om het proces van neerslag in de dampfase te controleren.
(4) Optische informatieverwerking:
Halfgeleiderlasers zijn gebruikt in optische informatiebeheersystemen. 2D arrays van oppervlakte-emitterende halfgeleiderlasers zijn ideale lichtbronnen voor optische parallelle verwerkingssystemen en zullen worden gebruikt in computers en optische neurale netwerken.
(5) Microfabricage met laser:
Q-switched halfgeleiderlasers produceren hoogenergetische ultrakorte lichtstoten voor het snijden en ponsen van geïntegreerde schakelingen.
(6) Laseralarm:
Halfgeleiderlaseralarmen worden gebruikt voor een groot aantal toepassingen, zoals inbraakalarmen, waterniveaualarmen, autoafstandalarmen, enz.
(7) Laserprinters:
Halfgeleiderlasers met een hoog vermogen worden gebruikt in laserprinters. Het gebruik van blauwe en groene lasers kan de printsnelheid en resolutie sterk verbeteren.
(8) Laser-barcodescanner:
Halfgeleiderlaserscanners met streepjescodes worden veel gebruikt voor merchandising en voor het beheer van boeken en bestanden.
(9) Gepompte vastestoflasers:
Dit is een belangrijke toepassing van hoog vermogen halfgeleiderlasers, met behulp van hen aan de oorspronkelijke sfeer lamp te vervangen, kan een all-solid-state lasersysteem te vormen.
(10) Hoge definitie laser-tv:
In de nabije toekomst kunnen halfgeleiderlaser-TV's zonder kathodestraalbuizen op de markt worden gebracht, die rode, blauwe en groene lasers gebruiken en naar schatting 20% minder stroom verbruiken dan bestaande TV-toestellen.
(1) Laserchirurgie behandeling
Halfgeleiderlasers worden gebruikt voor excisie van zachte weefsels, weefselverbinding, coagulatie en verdamping. Ze worden veel gebruikt in algemene chirurgie, plastische chirurgie, dermatologie, urologie, verloskunde en gynaecologie.
(2) Kinetische laserbehandeling
Fotogevoelige stoffen met een affiniteit voor tumoren worden selectief verzameld in kankerweefsels en bestraald door een halfgeleiderlaser om reactieve zuurstofspecies te produceren in kankerweefsels, met als doel necrose zonder schade aan gezonde weefsels.
(3) Levenswetenschappelijk onderzoek
Het gebruik van "optische pincetten" met halfgeleiderlasers, waarmee levende cellen of chromosomen kunnen worden gevangen en naar een willekeurige locatie kunnen worden verplaatst, is gebruikt om celsynthese, celinteractie en ander onderzoek te bevorderen, maar ook als diagnostische techniek voor de forensische wetenschap.
Als oprichter van MachineMFG heb ik meer dan tien jaar van mijn carrière gewijd aan de metaalbewerkingsindustrie. Door mijn uitgebreide ervaring ben ik een expert geworden op het gebied van plaatbewerking, verspaning, werktuigbouwkunde en gereedschapsmachines voor metalen. Ik denk, lees en schrijf voortdurend over deze onderwerpen en streef er voortdurend naar om voorop te blijven lopen in mijn vakgebied. Laat mijn kennis en expertise een aanwinst zijn voor uw bedrijf.
NL 
EN 
ES 
FR 
RU 
DE 
PT 