सेमीकंडक्टर लेजर एक अर्धचालक सक्रिय माध्यम पर आधारित क्वांटम जनरेटर हैं जिसमें मुक्त क्षेत्र में आवेश वाहकों की उच्च सांद्रता पर ऊर्जा स्तरों के बीच क्वांटम संक्रमण के दौरान उत्तेजित उत्सर्जन द्वारा ऑप्टिकल प्रवर्धन बनाया जाता है।
सेमीकंडक्टर लेजर: ऑपरेशन का सिद्धांत
सामान्य अवस्था में अधिकांश इलेक्ट्रॉन संयोजकता स्तर पर स्थित होते हैं। जब फोटॉन असंततता क्षेत्र की ऊर्जा से अधिक ऊर्जा की आपूर्ति करते हैं, तो अर्धचालक के इलेक्ट्रॉन उत्तेजना की स्थिति में आते हैं और निषिद्ध क्षेत्र को पार करते हुए, मुक्त क्षेत्र में गुजरते हैं, इसके निचले किनारे पर ध्यान केंद्रित करते हैं। साथ ही, संयोजकता स्तर पर बने छिद्र इसकी ऊपरी सीमा तक बढ़ जाते हैं। मुक्त क्षेत्र में इलेक्ट्रॉन छिद्रों के साथ पुनर्संयोजन करते हैं, फोटॉन के रूप में असंततता क्षेत्र की ऊर्जा के बराबर ऊर्जा विकीर्ण करते हैं। पर्याप्त ऊर्जा स्तरों वाले फोटॉन द्वारा पुनर्संयोजन को बढ़ाया जा सकता है। संख्यात्मक विवरण फर्मी वितरण समारोह से मेल खाता है।
डिवाइस
अर्धचालक लेजर उपकरणपी-एन-जंक्शन क्षेत्र में इलेक्ट्रॉनों और छिद्रों की ऊर्जा के साथ पंप किया गया एक लेजर डायोड है - पी- और एन-प्रकार की चालकता वाले अर्धचालकों के संपर्क का बिंदु। इसके अलावा, ऑप्टिकल ऊर्जा आपूर्ति के साथ अर्धचालक लेजर हैं, जिसमें प्रकाश के फोटॉनों को अवशोषित करके बीम का निर्माण होता है, साथ ही क्वांटम कैस्केड लेजर, जिसका संचालन बैंड के भीतर संक्रमण पर आधारित होता है।
रचना
अर्धचालक लेजर और अन्य ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक उपकरणों दोनों में उपयोग किए जाने वाले मानक कनेक्शन इस प्रकार हैं:
- गैलियम आर्सेनाइड;
- गैलियम फॉस्फाइड;
- गैलियम नाइट्राइड;
- ईण्डीयुम फास्फाइड;
- इंडियम-गैलियम आर्सेनाइड;
- गैलियम एल्युमिनियम आर्सेनाइड;
- गैलियम-इंडियम आर्सेनाइड नाइट्राइड;
- गैलियम-इंडियम फॉस्फाइड।
तरंग दैर्ध्य
ये यौगिक डायरेक्ट-गैप सेमीकंडक्टर हैं। अप्रत्यक्ष-अंतराल (सिलिकॉन) प्रकाश पर्याप्त शक्ति और दक्षता के साथ उत्सर्जित नहीं होता है। डायोड लेजर विकिरण की तरंग दैर्ध्य एक विशेष यौगिक के असंततता क्षेत्र की ऊर्जा के लिए फोटॉन ऊर्जा के सन्निकटन की डिग्री पर निर्भर करती है। 3- और 4-घटक अर्धचालक यौगिकों में, असंतुलन क्षेत्र ऊर्जा एक विस्तृत श्रृंखला में लगातार भिन्न हो सकती है। AlGaAs=AlxGa1-x जैसे, उदाहरण के लिए, एल्युमीनियम सामग्री में वृद्धि (x में वृद्धि) के परिणामस्वरूप वृद्धि होती है असंततता क्षेत्र की ऊर्जा।
जबकि सबसे आम सेमीकंडक्टर लेजर निकट अवरक्त में काम करते हैं, कुछ लाल (इंडियम गैलियम फॉस्फाइड), नीला या बैंगनी (गैलियम नाइट्राइड) रंग उत्सर्जित करते हैं।मध्य-अवरक्त विकिरण अर्धचालक लेजर (लीड सेलेनाइड) और क्वांटम कैस्केड लेजर द्वारा निर्मित होता है।
जैविक अर्धचालक
उपर्युक्त अकार्बनिक यौगिकों के अतिरिक्त कार्बनिक यौगिकों का भी उपयोग किया जा सकता है। संबंधित तकनीक अभी भी विकास के अधीन है, लेकिन इसका विकास क्वांटम जनरेटर के उत्पादन की लागत को काफी कम करने का वादा करता है। अब तक, केवल ऑप्टिकल ऊर्जा आपूर्ति के साथ कार्बनिक लेज़र विकसित किए गए हैं, और अत्यधिक कुशल विद्युत पंपिंग अभी तक प्राप्त नहीं हुई है।
किस्में
कई सेमीकंडक्टर लेजर बनाए गए हैं, जो मापदंडों और लागू मूल्य में भिन्न हैं।
छोटे लेजर डायोड एज रेडिएशन की उच्च गुणवत्ता वाली बीम उत्पन्न करते हैं, जिसकी शक्ति कई से लेकर पांच सौ मिलीवाट तक होती है। लेजर डायोड क्रिस्टल एक पतली आयताकार प्लेट है जो एक वेवगाइड के रूप में कार्य करती है, क्योंकि विकिरण एक छोटी सी जगह तक सीमित है। एक बड़े क्षेत्र का पी-एन जंक्शन बनाने के लिए क्रिस्टल को दोनों तरफ डोप किया जाता है। पॉलिश किए गए सिरे एक ऑप्टिकल फैब्री-पेरोट गुंजयमान यंत्र बनाते हैं। गुंजयमान यंत्र से गुजरने वाला एक फोटॉन पुनर्संयोजन का कारण बनेगा, विकिरण बढ़ेगा, और पीढ़ी शुरू होगी। लेजर पॉइंटर्स, सीडी और डीवीडी प्लेयर, और फाइबर ऑप्टिक संचार में प्रयुक्त।
शॉर्ट पल्स बनाने के लिए बाहरी रेज़ोनेटर के साथ लो-पावर मोनोलिथिक लेज़र और क्वांटम जनरेटर मोड लॉकिंग का उत्पादन कर सकते हैं।
लेजरबाहरी गुंजयमान यंत्र के साथ अर्धचालक में एक लेज़र डायोड होता है, जो एक बड़े लेज़र गुंजयमान यंत्र की संरचना में एक प्रवर्धक माध्यम की भूमिका निभाता है। वे तरंग दैर्ध्य बदलने में सक्षम हैं और एक संकीर्ण उत्सर्जन बैंड है।
इंजेक्शन सेमीकंडक्टर लेज़रों में एक विस्तृत बैंड के रूप में एक उत्सर्जन क्षेत्र होता है, जो कई वाट की शक्ति के साथ कम गुणवत्ता वाला बीम उत्पन्न कर सकता है। इनमें पी- और एन-लेयर के बीच स्थित एक पतली सक्रिय परत होती है, जो एक डबल हेटेरोजंक्शन बनाती है। पार्श्व दिशा में प्रकाश रखने के लिए कोई तंत्र नहीं है, जिसके परिणामस्वरूप उच्च बीम अण्डाकारता और अस्वीकार्य रूप से उच्च दहलीज धाराएं होती हैं।
ब्रॉडबैंड डायोड की एक सरणी से युक्त शक्तिशाली डायोड बार, दसियों वाट की शक्ति के साथ औसत दर्जे का बीम बनाने में सक्षम हैं।
डायोड के शक्तिशाली द्वि-आयामी सरणियाँ सैकड़ों और हजारों वाट में बिजली उत्पन्न कर सकती हैं।
सतह उत्सर्जक लेज़र (वीसीएसईएल) प्लेट के लंबवत कई मिलीवाट की शक्ति के साथ उच्च गुणवत्ता वाले प्रकाश की किरण का उत्सर्जन करते हैं। रेज़ोनेटर दर्पण विकिरण सतह पर विभिन्न अपवर्तक सूचकांकों के साथ ¼ तरंग लंबाई की परतों के रूप में लगाए जाते हैं। एक चिप पर कई सौ लेज़र बनाए जा सकते हैं, जिससे बड़े पैमाने पर उत्पादन की संभावना खुलती है।
ऑप्टिकल बिजली की आपूर्ति के साथ वीईसीएसईएल लेजर और एक बाहरी रेज़ोनेटर मोड लॉकिंग में कई वाट की शक्ति के साथ अच्छी गुणवत्ता का बीम उत्पन्न करने में सक्षम हैं।
एक सेमीकंडक्टर लेजर क्वांटम का संचालन-कैस्केड प्रकार ज़ोन के भीतर संक्रमण पर आधारित है (जैसा कि इंटरज़ोन के विपरीत)। ये उपकरण मध्य-अवरक्त क्षेत्र में उत्सर्जित होते हैं, कभी-कभी टेराहर्ट्ज रेंज में। उनका उपयोग किया जाता है, उदाहरण के लिए, गैस विश्लेषक के रूप में।
अर्धचालक लेजर: अनुप्रयोग और मुख्य पहलू
मध्यम वोल्टेज पर उच्च दक्षता वाले विद्युत पंपिंग वाले शक्तिशाली डायोड लेजर का उपयोग उच्च दक्षता वाले सॉलिड-स्टेट लेजर को शक्ति प्रदान करने के साधन के रूप में किया जाता है।
सेमीकंडक्टर लेज़र एक विस्तृत आवृत्ति रेंज पर काम कर सकते हैं, जिसमें स्पेक्ट्रम के दृश्य, निकट-अवरक्त और मध्य-अवरक्त भाग शामिल हैं। ऐसे उपकरण बनाए गए हैं जो आपको उत्सर्जन की आवृत्ति को बदलने की अनुमति भी देते हैं।
लेजर डायोड ऑप्टिकल पावर को तेजी से स्विच और मॉड्यूलेट कर सकते हैं, जो फाइबर ऑप्टिक ट्रांसमीटर में आवेदन पाता है।
ऐसी विशेषताओं ने सेमीकंडक्टर लेज़रों को तकनीकी रूप से सबसे महत्वपूर्ण प्रकार का क्वांटम जनरेटर बना दिया है। वे लागू होते हैं:
- टेलीमेट्री सेंसर, पाइरोमीटर, ऑप्टिकल अल्टीमीटर, रेंजफाइंडर, दर्शनीय स्थल, होलोग्राफी में;
- ऑप्टिकल ट्रांसमिशन और डेटा स्टोरेज के फाइबर ऑप्टिक सिस्टम में, सुसंगत संचार प्रणाली;
- लेजर प्रिंटर, वीडियो प्रोजेक्टर, पॉइंटर्स, बारकोड स्कैनर, इमेज स्कैनर, सीडी प्लेयर (डीवीडी, सीडी, ब्लू-रे) में;
- सुरक्षा प्रणालियों में, क्वांटम क्रिप्टोग्राफी, स्वचालन, संकेतक;
- ऑप्टिकल मेट्रोलॉजी और स्पेक्ट्रोस्कोपी में;
- सर्जरी, दंत चिकित्सा, कॉस्मेटोलॉजी, चिकित्सा में;
- जल उपचार के लिए,सामग्री प्रसंस्करण, ठोस राज्य लेजर पंपिंग, रासायनिक प्रतिक्रिया नियंत्रण, औद्योगिक छँटाई, औद्योगिक इंजीनियरिंग, इग्निशन सिस्टम, वायु रक्षा प्रणाली।
पल्स आउटपुट
अधिकांश सेमीकंडक्टर लेजर एक सतत बीम उत्पन्न करते हैं। चालन स्तर पर इलेक्ट्रॉनों के कम निवास समय के कारण, वे क्यू-स्विच्ड दालों को उत्पन्न करने के लिए बहुत उपयुक्त नहीं हैं, लेकिन ऑपरेशन का अर्ध-निरंतर मोड क्वांटम जनरेटर की शक्ति में उल्लेखनीय वृद्धि की अनुमति देता है। इसके अलावा, सेमीकंडक्टर लेजर का उपयोग मोड लॉकिंग या गेन स्विचिंग के साथ अल्ट्राशॉर्ट दालों को उत्पन्न करने के लिए किया जा सकता है। वैकल्पिक रूप से पंप किए गए VECSEL लेज़रों के अपवाद के साथ, शॉर्ट पल्स की औसत शक्ति आमतौर पर कुछ मिलीवाट तक सीमित होती है, जिसका आउटपुट मल्टी-वाट पिकोसेकंड पल्स द्वारा दसियों गीगाहर्ट्ज़ की आवृत्ति के साथ मापा जाता है।
मॉड्यूलेशन और स्थिरीकरण
चालन बैंड में एक इलेक्ट्रॉन के अल्प प्रवास का लाभ अर्धचालक लेज़रों की उच्च-आवृत्ति मॉडुलन की क्षमता है, जो वीसीएसईएल लेज़रों के लिए 10 गीगाहर्ट्ज़ से अधिक है। इसे ऑप्टिकल डेटा ट्रांसमिशन, स्पेक्ट्रोस्कोपी, लेजर स्थिरीकरण में आवेदन मिला है।
