ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ನ ಕಾರ್ಯಾಚರಣೆಯ ತತ್ವ ಮತ್ತು ಮುಖ್ಯ ವಿಧಗಳು

ಕಾರ್ಯಾಚರಣೆಯ ತತ್ವ ಮತ್ತು ಮುಖ್ಯ ಪ್ರಕಾರಗಳುಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್

ಅರೆವಾಹಕಲೇಸರ್ ಡಯೋಡ್‌ಗಳು, ಅವುಗಳ ಹೆಚ್ಚಿನ ದಕ್ಷತೆ, ಚಿಕಣಿಗೊಳಿಸುವಿಕೆ ಮತ್ತು ತರಂಗಾಂತರದ ವೈವಿಧ್ಯತೆಯೊಂದಿಗೆ, ಸಂವಹನ, ವೈದ್ಯಕೀಯ ಆರೈಕೆ ಮತ್ತು ಕೈಗಾರಿಕಾ ಸಂಸ್ಕರಣೆಯಂತಹ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳಲ್ಲಿ ಆಪ್ಟೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ತಂತ್ರಜ್ಞಾನದ ಪ್ರಮುಖ ಅಂಶಗಳಾಗಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಈ ಲೇಖನವು ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಕೆಲಸದ ತತ್ವ ಮತ್ತು ಪ್ರಕಾರಗಳನ್ನು ಮತ್ತಷ್ಟು ಪರಿಚಯಿಸುತ್ತದೆ, ಇದು ಹೆಚ್ಚಿನ ಆಪ್ಟೊಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ಸಂಶೋಧಕರ ಆಯ್ಕೆ ಉಲ್ಲೇಖಕ್ಕೆ ಅನುಕೂಲಕರವಾಗಿದೆ.

1. ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಬೆಳಕು-ಹೊರಸೂಸುವ ತತ್ವ

ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಪ್ರಕಾಶಮಾನ ತತ್ವವು ಬ್ಯಾಂಡ್ ರಚನೆ, ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನಿಕ್ ಪರಿವರ್ತನೆಗಳು ಮತ್ತು ಅರೆವಾಹಕ ವಸ್ತುಗಳ ಪ್ರಚೋದಿತ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯನ್ನು ಆಧರಿಸಿದೆ. ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ವಸ್ತುಗಳು ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗ್ಯಾಪ್ ಹೊಂದಿರುವ ಒಂದು ರೀತಿಯ ವಸ್ತುವಾಗಿದ್ದು, ಇದರಲ್ಲಿ ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಮತ್ತು ವಹನ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಸೇರಿವೆ. ವಸ್ತುವು ನೆಲದ ಸ್ಥಿತಿಯಲ್ಲಿದ್ದಾಗ, ವಹನ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ನಲ್ಲಿ ಯಾವುದೇ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳಿಲ್ಲದಿದ್ದಾಗ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್ ಅನ್ನು ತುಂಬುತ್ತವೆ. ಒಂದು ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ವಿದ್ಯುತ್ ಕ್ಷೇತ್ರವನ್ನು ಬಾಹ್ಯವಾಗಿ ಅನ್ವಯಿಸಿದಾಗ ಅಥವಾ ಪ್ರವಾಹವನ್ನು ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡಿದಾಗ, ಕೆಲವು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳು ವೇಲೆನ್ಸ್ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ನಿಂದ ವಹನ ಬ್ಯಾಂಡ್‌ಗೆ ಪರಿವರ್ತನೆಗೊಂಡು ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತವೆ. ಶಕ್ತಿ ಬಿಡುಗಡೆಯ ಪ್ರಕ್ರಿಯೆಯಲ್ಲಿ, ಈ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್-ಹೋಲ್ ಜೋಡಿಗಳನ್ನು ಹೊರಗಿನ ಪ್ರಪಂಚದಿಂದ ಉತ್ತೇಜಿಸಿದಾಗ, ಫೋಟಾನ್‌ಗಳು, ಅಂದರೆ ಲೇಸರ್‌ಗಳು ಉತ್ಪತ್ತಿಯಾಗುತ್ತವೆ.

2. ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಪ್ರಚೋದನೆಯ ವಿಧಾನಗಳು

ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳಿಗೆ ಮುಖ್ಯವಾಗಿ ಮೂರು ಉದ್ರೇಕ ವಿಧಾನಗಳಿವೆ, ಅವುಗಳೆಂದರೆ ವಿದ್ಯುತ್ ಇಂಜೆಕ್ಷನ್ ಪ್ರಕಾರ, ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಪಂಪ್ ಪ್ರಕಾರ ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಕಿರಣ ಉದ್ರೇಕ ಪ್ರಕಾರ.

ವಿದ್ಯುತ್ ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡಲಾದ ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಲೇಸರ್‌ಗಳು: ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ, ಅವು ಗ್ಯಾಲಿಯಮ್ ಆರ್ಸೆನೈಡ್ (GaAs), ಕ್ಯಾಡ್ಮಿಯಮ್ ಸಲ್ಫೈಡ್ (CdS), ಇಂಡಿಯಮ್ ಫಾಸ್ಫೈಡ್ (InP), ಮತ್ತು ಸತು ಸಲ್ಫೈಡ್ (ZnS) ನಂತಹ ವಸ್ತುಗಳಿಂದ ಮಾಡಲ್ಪಟ್ಟ ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಮೇಲ್ಮೈ-ಜಂಕ್ಷನ್ ಡಯೋಡ್‌ಗಳಾಗಿವೆ. ಅವು ಫಾರ್ವರ್ಡ್ ಬಯಾಸ್‌ನ ಉದ್ದಕ್ಕೂ ಪ್ರವಾಹವನ್ನು ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡುವ ಮೂಲಕ ಉತ್ಸುಕವಾಗುತ್ತವೆ, ಜಂಕ್ಷನ್ ಪ್ಲೇನ್ ಪ್ರದೇಶದಲ್ಲಿ ಪ್ರಚೋದಿತ ಹೊರಸೂಸುವಿಕೆಯನ್ನು ಉತ್ಪಾದಿಸುತ್ತವೆ.

ದೃಗ್ವೈಜ್ಞಾನಿಕವಾಗಿ ಪಂಪ್ ಮಾಡಲಾದ ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳು: ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ, N-ಟೈಪ್ ಅಥವಾ P-ಟೈಪ್ ಅರೆವಾಹಕ ಏಕ ಸ್ಫಟಿಕಗಳನ್ನು (ಉದಾಹರಣೆಗೆ GaAS, InAs, InSb, ಇತ್ಯಾದಿ) ಕೆಲಸ ಮಾಡುವ ವಸ್ತುವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ, ಮತ್ತುಲೇಸರ್ಇತರ ಲೇಸರ್‌ಗಳಿಂದ ಹೊರಸೂಸಲ್ಪಟ್ಟ ಶಕ್ತಿಯನ್ನು ದೃಗ್ವಿಜ್ಞಾನದ ಪಂಪ್ ಮಾಡಿದ ಪ್ರಚೋದನೆಯಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

ಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಕಿರಣ-ಉತ್ಸಾಹಗೊಂಡ ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳು: ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ, ಅವು N-ಟೈಪ್ ಅಥವಾ P-ಟೈಪ್ ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಸಿಂಗಲ್ ಸ್ಫಟಿಕಗಳನ್ನು (PbS, CdS, ZhO, ಇತ್ಯಾದಿ) ಕೆಲಸ ಮಾಡುವ ವಸ್ತುವಾಗಿ ಬಳಸುತ್ತವೆ ಮತ್ತು ಹೊರಗಿನಿಂದ ಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿಯ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್ ಕಿರಣವನ್ನು ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡುವ ಮೂಲಕ ಉತ್ಸುಕವಾಗುತ್ತವೆ. ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್ ಸಾಧನಗಳಲ್ಲಿ, ಉತ್ತಮ ಕಾರ್ಯಕ್ಷಮತೆ ಮತ್ತು ವ್ಯಾಪಕವಾದ ಅನ್ವಯಿಕೆಯನ್ನು ಹೊಂದಿರುವ ಸಾಧನವೆಂದರೆ ಡಬಲ್ ಹೆಟೆರೊಸ್ಟ್ರಕ್ಚರ್ ಹೊಂದಿರುವ ವಿದ್ಯುತ್ ಇಂಜೆಕ್ಟ್ ಮಾಡಿದ GaAs ಡಯೋಡ್ ಲೇಸರ್.

3. ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಮುಖ್ಯ ವಿಧಗಳು

ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ನ ಸಕ್ರಿಯ ಪ್ರದೇಶವು ಫೋಟಾನ್ ಉತ್ಪಾದನೆ ಮತ್ತು ವರ್ಧನೆಗೆ ಪ್ರಮುಖ ಪ್ರದೇಶವಾಗಿದೆ ಮತ್ತು ಅದರ ದಪ್ಪವು ಕೆಲವೇ ಮೈಕ್ರೋಮೀಟರ್‌ಗಳು. ಆಂತರಿಕ ತರಂಗಮಾರ್ಗ ರಚನೆಗಳನ್ನು ಫೋಟಾನ್‌ಗಳ ಪಾರ್ಶ್ವ ಪ್ರಸರಣವನ್ನು ನಿರ್ಬಂಧಿಸಲು ಮತ್ತು ಶಕ್ತಿಯ ಸಾಂದ್ರತೆಯನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿಸಲು (ರಿಡ್ಜ್ ತರಂಗಮಾರ್ಗಗಳು ಮತ್ತು ಸಮಾಧಿ ಹೆಟೆರೊಜಂಕ್ಷನ್‌ಗಳಂತಹವು) ಬಳಸಿಕೊಳ್ಳಲಾಗುತ್ತದೆ. ಲೇಸರ್ ಶಾಖ ಸಿಂಕ್ ವಿನ್ಯಾಸವನ್ನು ಅಳವಡಿಸಿಕೊಳ್ಳುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ತ್ವರಿತ ಶಾಖ ಪ್ರಸರಣಕ್ಕಾಗಿ ಹೆಚ್ಚಿನ ಉಷ್ಣ ವಾಹಕತೆಯ ವಸ್ತುಗಳನ್ನು (ತಾಮ್ರ-ಟಂಗ್‌ಸ್ಟನ್ ಮಿಶ್ರಲೋಹದಂತಹವು) ಆಯ್ಕೆ ಮಾಡುತ್ತದೆ, ಇದು ಅಧಿಕ ಬಿಸಿಯಾಗುವುದರಿಂದ ಉಂಟಾಗುವ ತರಂಗಾಂತರದ ದಿಕ್ಚ್ಯುತಿಯನ್ನು ತಡೆಯುತ್ತದೆ. ಅವುಗಳ ರಚನೆ ಮತ್ತು ಅನ್ವಯಿಕ ಸನ್ನಿವೇಶಗಳ ಪ್ರಕಾರ, ಅರೆವಾಹಕ ಲೇಸರ್‌ಗಳನ್ನು ಈ ಕೆಳಗಿನ ನಾಲ್ಕು ವರ್ಗಗಳಾಗಿ ವರ್ಗೀಕರಿಸಬಹುದು:

ಎಡ್ಜ್-ಎಮಿಟಿಂಗ್ ಲೇಸರ್ (EEL)

ಚಿಪ್‌ನ ಬದಿಯಲ್ಲಿರುವ ಸೀಳು ಮೇಲ್ಮೈಯಿಂದ ಲೇಸರ್ ಅನ್ನು ಔಟ್‌ಪುಟ್ ಮಾಡಲಾಗುತ್ತದೆ, ಇದು ದೀರ್ಘವೃತ್ತದ ಸ್ಥಳವನ್ನು ರೂಪಿಸುತ್ತದೆ (ಸರಿಸುಮಾರು 30°×10° ಡೈವರ್ಜೆನ್ಸ್ ಕೋನದೊಂದಿಗೆ). ವಿಶಿಷ್ಟ ತರಂಗಾಂತರಗಳು 808nm (ಪಂಪಿಂಗ್‌ಗಾಗಿ), 980 nm (ಸಂವಹನಕ್ಕಾಗಿ), ಮತ್ತು 1550 nm (ಫೈಬರ್ ಸಂವಹನಕ್ಕಾಗಿ) ಸೇರಿವೆ. ಇದನ್ನು ಹೆಚ್ಚಿನ ಶಕ್ತಿಯ ಕೈಗಾರಿಕಾ ಕತ್ತರಿಸುವುದು, ಫೈಬರ್ ಲೇಸರ್ ಪಂಪಿಂಗ್ ಮೂಲಗಳು ಮತ್ತು ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಸಂವಹನ ಬೆನ್ನೆಲುಬು ಜಾಲಗಳಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

2. ಲಂಬ ಕುಹರದ ಮೇಲ್ಮೈ ಹೊರಸೂಸುವ ಲೇಸರ್ (VCSEL)

ಚಿಪ್‌ನ ಮೇಲ್ಮೈಗೆ ಲಂಬವಾಗಿ ಲೇಸರ್ ಹೊರಸೂಸಲ್ಪಡುತ್ತದೆ, ವೃತ್ತಾಕಾರದ ಮತ್ತು ಸಮ್ಮಿತೀಯ ಕಿರಣದೊಂದಿಗೆ (ಡೈವರ್ಜೆನ್ಸ್ ಆಂಗಲ್ <15°). ಇದು ಡಿಸ್ಟ್ರಿಬ್ಯೂಟೆಡ್ ಬ್ರಾಗ್ ರಿಫ್ಲೆಕ್ಟರ್ (DBR) ಅನ್ನು ಸಂಯೋಜಿಸುತ್ತದೆ, ಬಾಹ್ಯ ಪ್ರತಿಫಲಕದ ಅಗತ್ಯವನ್ನು ನಿವಾರಿಸುತ್ತದೆ. ಇದನ್ನು 3D ಸೆನ್ಸಿಂಗ್ (ಮೊಬೈಲ್ ಫೋನ್ ಮುಖ ಗುರುತಿಸುವಿಕೆ), ಅಲ್ಪ-ಶ್ರೇಣಿಯ ಆಪ್ಟಿಕಲ್ ಸಂವಹನ (ಡೇಟಾ ಕೇಂದ್ರಗಳು) ಮತ್ತು LiDAR ನಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

3. ಕ್ವಾಂಟಮ್ ಕ್ಯಾಸ್ಕೇಡ್ ಲೇಸರ್ (QCL)

ಕ್ವಾಂಟಮ್ ವೆಲ್ಸ್ ನಡುವಿನ ಎಲೆಕ್ಟ್ರಾನ್‌ಗಳ ಕ್ಯಾಸ್ಕೇಡ್ ಪರಿವರ್ತನೆಯ ಆಧಾರದ ಮೇಲೆ, ತರಂಗಾಂತರವು ಜನಸಂಖ್ಯಾ ವಿಲೋಮತೆಯ ಅಗತ್ಯವಿಲ್ಲದೆಯೇ ಮಧ್ಯದಿಂದ ದೂರದ-ಅತಿಗೆಂಪು ಶ್ರೇಣಿಯನ್ನು (3-30 μm) ಆವರಿಸುತ್ತದೆ. ಫೋಟಾನ್‌ಗಳನ್ನು ಇಂಟರ್‌ಸಬ್‌ಬ್ಯಾಂಡ್ ಪರಿವರ್ತನೆಗಳ ಮೂಲಕ ಉತ್ಪಾದಿಸಲಾಗುತ್ತದೆ ಮತ್ತು ಅನಿಲ ಸಂವೇದನೆ (CO₂ ಪತ್ತೆ), ಟೆರಾಹರ್ಟ್ಜ್ ಇಮೇಜಿಂಗ್ ಮತ್ತು ಪರಿಸರ ಮೇಲ್ವಿಚಾರಣೆಯಂತಹ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳಲ್ಲಿ ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ.

4. ಟ್ಯೂನ್ ಮಾಡಬಹುದಾದ ಲೇಸರ್

ಟ್ಯೂನಬಲ್ ಲೇಸರ್‌ನ ಬಾಹ್ಯ ಕುಹರದ ವಿನ್ಯಾಸ (ಗ್ರೇಟಿಂಗ್/ಪ್ರಿಸ್ಮ್ /MEMS ಮಿರರ್) ಕಿರಿದಾದ ಲೈನ್‌ವಿಡ್ತ್ (<100 kHz) ಮತ್ತು ಹೆಚ್ಚಿನ ಸೈಡ್-ಮೋಡ್ ನಿರಾಕರಣೆ ಅನುಪಾತ (>50 dB) ನೊಂದಿಗೆ ±50 nm ನ ತರಂಗಾಂತರ ಶ್ರುತಿ ವ್ಯಾಪ್ತಿಯನ್ನು ಸಾಧಿಸಬಹುದು. ಇದನ್ನು ಸಾಮಾನ್ಯವಾಗಿ ದಟ್ಟವಾದ ತರಂಗಾಂತರ ವಿಭಾಗ ಮಲ್ಟಿಪ್ಲೆಕ್ಸಿಂಗ್ (DWDM) ಸಂವಹನ, ರೋಹಿತ ವಿಶ್ಲೇಷಣೆ ಮತ್ತು ಬಯೋಮೆಡಿಕಲ್ ಇಮೇಜಿಂಗ್‌ನಂತಹ ಅಪ್ಲಿಕೇಶನ್‌ಗಳಲ್ಲಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಸೆಮಿಕಂಡಕ್ಟರ್ ಲೇಸರ್‌ಗಳನ್ನು ಸಂವಹನ ಲೇಸರ್ ಸಾಧನಗಳು, ಡಿಜಿಟಲ್ ಲೇಸರ್ ಸಂಗ್ರಹ ಸಾಧನಗಳು, ಲೇಸರ್ ಸಂಸ್ಕರಣಾ ಉಪಕರಣಗಳು, ಲೇಸರ್ ಗುರುತು ಮತ್ತು ಪ್ಯಾಕೇಜಿಂಗ್ ಉಪಕರಣಗಳು, ಲೇಸರ್ ಟೈಪ್‌ಸೆಟ್ಟಿಂಗ್ ಮತ್ತು ಮುದ್ರಣ, ಲೇಸರ್ ವೈದ್ಯಕೀಯ ಉಪಕರಣಗಳು, ಲೇಸರ್ ದೂರ ಮತ್ತು ಕೊಲಿಮೇಷನ್ ಪತ್ತೆ ಉಪಕರಣಗಳು, ಮನರಂಜನೆ ಮತ್ತು ಶಿಕ್ಷಣಕ್ಕಾಗಿ ಲೇಸರ್ ಉಪಕರಣಗಳು ಮತ್ತು ಉಪಕರಣಗಳು, ಲೇಸರ್ ಘಟಕಗಳು ಮತ್ತು ಭಾಗಗಳು ಇತ್ಯಾದಿಗಳಲ್ಲಿ ವ್ಯಾಪಕವಾಗಿ ಬಳಸಲಾಗುತ್ತದೆ. ಅವು ಲೇಸರ್ ಉದ್ಯಮದ ಪ್ರಮುಖ ಘಟಕಗಳಿಗೆ ಸೇರಿವೆ. ಅದರ ವ್ಯಾಪಕ ಶ್ರೇಣಿಯ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳಿಂದಾಗಿ, ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಹಲವಾರು ಬ್ರ್ಯಾಂಡ್‌ಗಳು ಮತ್ತು ತಯಾರಕರು ಇದ್ದಾರೆ. ಆಯ್ಕೆ ಮಾಡುವಾಗ, ಅದು ನಿರ್ದಿಷ್ಟ ಅಗತ್ಯಗಳು ಮತ್ತು ಅಪ್ಲಿಕೇಶನ್ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳನ್ನು ಆಧರಿಸಿರಬೇಕು. ವಿಭಿನ್ನ ತಯಾರಕರು ವಿವಿಧ ಕ್ಷೇತ್ರಗಳಲ್ಲಿ ವಿಭಿನ್ನ ಅನ್ವಯಿಕೆಗಳನ್ನು ಹೊಂದಿದ್ದಾರೆ ಮತ್ತು ತಯಾರಕರು ಮತ್ತು ಲೇಸರ್‌ಗಳ ಆಯ್ಕೆಯನ್ನು ಯೋಜನೆಯ ನಿಜವಾದ ಅನ್ವಯಿಕ ಕ್ಷೇತ್ರಕ್ಕೆ ಅನುಗುಣವಾಗಿ ಮಾಡಬೇಕು.