اختيار مصدر الليزر الأمثل: ليزر أشباه الموصلات ذو الانبعاث الحافي - الجزء الأول

اختيار مثاليمصدر ليزرليزر أشباه الموصلات ذو الانبعاث الحافي
1. مقدمة
ليزر أشباه الموصلاتتُقسّم الرقائق إلى رقائق ليزر ذات انبعاث حافّي (EEL) ورقائق ليزر ذات انبعاث سطحي بتجويف رأسي (VCSEL) وفقًا لعمليات تصنيع الرنانات المختلفة، وتُبيّن الاختلافات الهيكلية المحددة بينهما في الشكل 1. وبالمقارنة مع ليزر الانبعاث السطحي بتجويف رأسي، فإنّ تطوير تقنية ليزر أشباه الموصلات ذات الانبعاث الحافّي أكثر نضجًا، مع نطاق واسع من الأطوال الموجية، ودقة عالية.الكهروضوئيتتميز ليزرات أشباه الموصلات ذات الانبعاث الحافي بكفاءة تحويل عالية وقدرة كبيرة، مما يجعلها مناسبة جدًا لمعالجة الليزر والاتصالات الضوئية وغيرها من المجالات. وتُعدّ هذه الليزرات حاليًا جزءًا أساسيًا من صناعة الإلكترونيات الضوئية، حيث تشمل تطبيقاتها الصناعة والاتصالات والعلوم والاستخدامات الاستهلاكية والعسكرية والفضائية. ومع تطور التكنولوجيا وتقدمها، تحسّنت قدرة هذه الليزرات وموثوقيتها وكفاءة تحويل الطاقة فيها بشكل ملحوظ، مما وسّع آفاق تطبيقاتها بشكل متزايد.
بعد ذلك، سأرشدك إلى تقدير السحر الفريد للانبعاث الجانبي بشكل أكبرليزرات أشباه الموصلات.

الشكل 1: (يسار) مخطط هيكل ليزر أشباه الموصلات ذي الانبعاث الجانبي و(يمين) مخطط هيكل ليزر الانبعاث السطحي ذي التجويف الرأسي

2. مبدأ عمل أشباه الموصلات ذات الانبعاث الحافيليزر
يمكن تقسيم بنية ليزر أشباه الموصلات ذي الانبعاث الحافي إلى ثلاثة أجزاء رئيسية: المنطقة الفعالة لأشباه الموصلات، ومصدر الضخ، والرنان البصري. وبخلاف رنانات ليزرات الانبعاث السطحي ذات التجويف الرأسي (المكونة من مرآتين براغ علوية وسفلية)، تتكون رنانات ليزر أشباه الموصلات ذي الانبعاث الحافي بشكل أساسي من أغشية بصرية على كلا الجانبين. يوضح الشكل 2 بنية جهاز ليزر أشباه الموصلات ذي الانبعاث الحافي وبنية الرنان. يتم تضخيم الفوتون في هذا الجهاز عن طريق اختيار النمط في الرنان، ويتشكل الليزر في اتجاه موازٍ لسطح الركيزة. تتميز أجهزة ليزر أشباه الموصلات ذات الانبعاث الحافي بنطاق واسع من أطوال الموجات التشغيلية، مما يجعلها مناسبة للعديد من التطبيقات العملية، وبالتالي تُعد من مصادر الليزر المثالية.

تتشابه مؤشرات تقييم أداء ليزرات أشباه الموصلات ذات الانبعاث الحافي مع مؤشرات ليزرات أشباه الموصلات الأخرى، وتشمل: (1) طول موجة الليزر؛ (2) تيار العتبة Ith، أي التيار الذي يبدأ عنده صمام الليزر الثنائي بتوليد تذبذب الليزر؛ (3) تيار التشغيل Iop، أي تيار التشغيل عندما يصل صمام الليزر الثنائي إلى قدرة الخرج المقدرة، ويُستخدم هذا المعامل في تصميم وتعديل دائرة تشغيل الليزر؛ (4) كفاءة الميل؛ (5) زاوية التباعد الرأسية θ⊥؛ (6) زاوية التباعد الأفقية θ∥؛ (7) تيار المراقبة Im، أي مقدار التيار لشريحة ليزر أشباه الموصلات عند قدرة الخرج المقدرة.

3. التقدم البحثي في ​​ليزرات أشباه الموصلات ذات الانبعاث الحافي القائمة على GaAs و GaN
يُعدّ ليزر أشباه الموصلات القائم على مادة GaAs من أكثر تقنيات ليزر أشباه الموصلات نضجًا. وتُستخدم حاليًا على نطاق واسع تجاريًا ليزرات أشباه الموصلات ذات الانبعاث الحافي في نطاق الأشعة تحت الحمراء القريبة (760-1060 نانومتر) والمبنية على GaAs. وباعتباره الجيل الثالث من مواد أشباه الموصلات بعد السيليكون وGaAs، يحظى GaN باهتمام واسع في البحث العلمي والصناعة نظرًا لخصائصه الفيزيائية والكيميائية الممتازة. ومع تطور الأجهزة الكهروضوئية القائمة على GaN وجهود الباحثين، تم تصنيع الثنائيات الباعثة للضوء وليزر الانبعاث الحافي القائم على GaN على نطاق صناعي.