تکنولوژی لیزر نیمه هادی

تکنولوژی لیزر نیمه هادی

گروه آموزشی مهندس شکوفه ساتری

جزوه لیزرهای دایود

لیزرهای دایود از تراشه‌های تقریباً میکروسکوپی گالیم-آرسنید یا سایر مواد نیمه‌رسانای عجیب و غریب برای تولید نور منسجم در بسته‌بندی بسیار کوچک استفاده می‌کنند. اندازه جمع و جور، قابلیت اطمینان و هزینه کم آنها به این معنی است که آنها در تمام جنبه های فناوری مدرن کاربرد دارند - مهمتر از همه آنها سیستم های مخابراتی نوری مدرن را هدایت می کنند.

لیزر دایود مقدمه ای جامع بر اصول و عملکرد لیزرهای دایود ارائه می دهد. قبل از توصیف اساسی‌ترین لیزر همجنس‌گرا، با مروری بر فیزیک نیمه‌رسانا و اصول لیزر آغاز می‌شود. فصل‌های بعدی انواع لیزرهای پیشرفته‌تر و کاربردهای آن‌ها را توصیف می‌کنند، و کتاب با فصل‌هایی که جدیدترین و عجیب‌ترین طرح‌های لیزر توسعه‌یافته و عجیب و غریب را توصیف می‌کند، پایان می‌یابد. سبک شهودی نویسنده، همراه با مجموعه گسترده ای از نمونه های کار شده و نمونه مسائل، این را به معرفی ایده آل برای دانشجویان مقطع کارشناسی و کارشناسی ارشد تبدیل کرده است.

فهرست مطالب

معرفی

فیزیک نیمه هادی ضروری

مبانی لیزر

خواص نوری مواد نیمه هادی

لیزر دو ساختار ناهمسان

لیزرهای چاه کوانتومی

لیزر ساطع کننده سطح عمودی حفره ای

مدل سازی لیزر دایود

فناوری امواج نور و ارتباطات فیبر

دیودهای لیزری با قدرت بالا

لیزرهای آبی و نقاط کوانتومی

لیزرهای آبشاری کوانتومی

ضمیمه ها

لیزرهای نیمه هادی

لیزرهای نیمه هادی

این کمیته فرعی به دنبال ارسال های اصلی در علم تجربی و نظری لیزرهای نیمه هادی و آمپلی فایرها است ، با تمرکز بر مؤلفه های کلیدی که یک طنین انداز لیزر نیمه هادی را تشکیل می دهند ، به خصوص به عنوان راهی برای امکان پیشرفت در برنامه های ایجاد شده و نوظهور. مباحث مورد علاقه شامل طراحی دستگاه ، ویژگی های مواد ، پیکربندی رزونانس داخلی ، فناوری دستگاه ، تکنیک های خصوصیات و شبیه سازی و تعامل عناصر افزایش نیمه هادی با تشدید کننده های خارجی است. موضوعات مثال شامل موارد زیر است:

مواد را بدست آورید

چاه کوانتومی ، سیم و لیزر نقطه ،

لیزرهای آبشار کوانتومی (بین باند و بین باند) از نزدیک به IR تا THZ

لیزرهایی با مواد بدست آمده جدید-از اشعه ماوراء بنفش تا اواسط IR

لیزرهای نیمه هادی، مواد و کاربردها

لیزرهای نیمه هادی، مواد و کاربردها

لیزرها و دستگاه‌های چاه کوانتومی، سیمی، خط تیره و نقطه‌ای • دینامیک لیزر • لیزرهای MID-IR و آبشار کوانتومی • لیزرهای پالس فوق کوتاه • ساختارهای VCSEL و ابرشبکه • لیزرهای دیسک نیمه هادی • لیزرهای دیود UV و مرئی و LED • منابع و کاربردهای فشرده THz • پدیده‌های غیرخطی • فوتونیک سیلیکون • فوتونیک گروه چهارم • دستگاه‌ها و برنامه‌های کاربردی جدید مبتنی بر نیمه‌رسانا • بیوفوتونیک و کاربردهای نوظهور

لیزرهای آبشاری کوانتومی

لیزرهای آبشاری کوانتومی

این دوره اصول اولیه دستگاه های ساطع کننده نور نانوفوتونیکی و آشکارسازهای نوری، از جمله نیمه هادی فلزی، عایق نیمه هادی فلزی، و اتصالات pn، رساناهای نوری، فتودیودهای بهمنی و لوله های مولتی پلایر را پوشش می دهد. ساختارهای با ابعاد کم، کلاس کاملاً جدیدی از دستگاه ها را امکان پذیر می کند. در سفری به من بپیوندید تا بفهمید چگونه این اتفاق می‌افتد و نمونه‌های قدرتمندی از فناوری‌های موفق مانند لیزر آبشار کوانتومی را بررسی کنید. ماژول 1 لیزر آبشار کوانتومی را پوشش می‌دهد، یک طراحی لیزری مبتنی بر انتقال بین زیر باند، که لیزرهای با طول موج بسیار طولانی را قادر می‌سازد. همچنین در مورد لیزرهایی صحبت خواهد کرد که بر روی انتقال درون باند، با استفاده از ساختارهای کم ابعاد، که امکان کنترل بیشتر بر غلظت حامل را فراهم می‌کنند، صحبت خواهد کرد.

لیزر تراهرتز فشرده برای کاربردهای روزمره

محققان گام بزرگی را در جهت خارج کردن فرکانس‌های تراهرتز از ناحیه‌ی صعب العبور طیف الکترومغناطیسی و به کاربردهای روزمره برداشته‌اند. در مقاله‌ای جدید، محققان اولین لیزر تراهرتزی در نوع خود را نشان دادند که فشرده است، در دمای اتاق کار می‌کند و می‌تواند 120 فرکانس منفرد را در محدوده 0.25 تا 1.3 تراهرتز تولید کند که برد بسیار بیشتری نسبت به منابع تراهرتز قبلی است.

لیزر می تواند در طیف وسیعی از کاربردها مانند تصویربرداری سرطان پوست و سینه، تشخیص دارو، امنیت فرودگاه و لینک های بی سیم نوری با ظرفیت فوق العاده بالا استفاده شود.

این تحقیق که توسط تیمی از دانشکده مهندسی و علوم کاربردی هاروارد John A. Paulson (SEAS) و با همکاری آزمایشگاه تحقیقات ارتش DEVCOM و راه حل‌های نور روز DRS انجام شده است، در APL Photonics منتشر شده است.

فدریکو کاپاسو، پروفسور فیزیک کاربردی رابرت ال والاس و محقق ارشد مهندسی برق وینتون هیز در SEAS و نویسنده ارشد مقاله، گفت: «این یک فناوری جهشی برای تولید تشعشعات تراهرتز است. این لیزر به لطف فشرده بودن، کارایی، محدوده تنظیم گسترده و عملکرد دمای اتاق، این پتانسیل را دارد که به یک فناوری کلیدی برای پر کردن شکاف تراهرتز برای کاربردهای تصویربرداری، امنیت یا ارتباطات تبدیل شود.

محدوده فرکانس تراهرتز - که در وسط طیف الکترومغناطیسی بین امواج مایکروویو و نور مادون قرمز قرار دارد -؛ دسترسی به برنامه‌ها همچنان دشوار است، زیرا اغلب منابع تراهرتز یا بسیار حجیم، ناکارآمد هستند، یا برای تولید این فرکانس‌های گریزان با تنظیم محدود به دستگاه‌های با دمای پایین متکی هستند.

در سال 2019، گروه کاپاسو، با همکاری MIT و ارتش ایالات متحده، نمونه اولیه ای را توسعه دادند که ثابت کرد منابع فرکانس تراهرتز می توانند فشرده، دمای اتاق باشند و با ترکیب یک پمپ لیزری آبشاری کوانتومی با لیزر مولکولی اکسید نیتروژن، به طور گسترده ای تنظیم شوند.

تحقیقات جدید محدوده تنظیم آن نمونه اولیه را بیش از سه برابر می کند. از جمله پیشرفت‌های دیگر، لیزر جدید اکسید نیتروژن را با متیل فلوراید جایگزین می‌کند، مولکولی که به شدت با میدان‌های نوری واکنش نشان می‌دهد.

آرمان امیرژان، دانشجوی کارشناسی ارشد در SEAS و اولین نویسنده این مقاله، گفت: «این ترکیب در جذب مادون قرمز و انتشار تراهرتز واقعا خوب است. با استفاده از متیل فلوراید که غیر سمی است، راندمان و محدوده تنظیم لیزر را افزایش دادیم.

هنری اوریت، فن‌آور ارشد علوم نوری ارتش ایالات متحده، می‌گوید: «متیل فلوراید تقریباً 50 سال است که به‌عنوان لیزر تراهرتز استفاده می‌شود، اما تنها چند فرکانس لیزر تولید می‌کند که توسط لیزر دی‌اکسید کربن حجیم پمپ شود». نویسنده مقاله دو نوآوری که ما گزارش می‌کنیم، یک حفره لیزری فشرده که توسط یک لیزر آبشاری کوانتومی پمپ می‌شود، ترکیب می‌شوند تا به متیل فلوراید توانایی لیزر بر روی صدها خط را بدهد.

این لیزر در حال حاضر این پتانسیل را دارد که یکی از فشرده‌ترین لیزرهای تراهرتزی باشد که تاکنون طراحی شده است و محققان قصد دارند آن را فشرده‌تر کنند.

پل شوالیه، همکار تحقیقاتی در SEAS و محقق ارشد این حوزه می‌گوید: «دستگاه کمتر از یک فوت مکعب ما را قادر می‌سازد تا این محدوده فرکانس را برای کاربردهای بیشتر در ارتباطات کوتاه‌برد، رادار کوتاه‌برد، زیست‌پزشکی و تصویربرداری هدف‌گیری کنیم.» تیم

"ترکیب لیزرهای آبشاری بالغ، فشرده و کوانتومی با رسانه های افزایش لیزر مولکولی منجر به یک پلت فرم لیزر بسیار قوی تراهرتز با طیف وسیعی از کاربردها از تحقیقات بنیادی گرفته تا تشخیص و تصویربرداری مولکولی تراهرتز، ارتباطات و امنیت THz و فراتر از آن شده است." تیموتی دی، معاون ارشد و مدیر کل DRS Daylight Solutions و یکی از نویسندگان مقاله گفت.

فدریکو کاپاسو

فدریکو کاپاسو، دکترا، پروفسور رابرت والاس فیزیک کاربردی در دانشگاه هاروارد است که در سال 2003 پس از 27 سال در آزمایشگاه‌های بل به آن پیوست، جایی که حرفه‌اش از مقطع فوق‌دکتری به معاونت تحقیقات فیزیکی ارتقا یافت. او به اپتیک و فوتونیک، علوم نانو، علم مواد و QED کمک کرده است. او پیشگام مهندسی bandgap بود و او را به اختراع لیزر آبشار کوانتومی (QCL) سوق داد. او و گروهش تحقیقات اساسی بر روی اپتیک مسطح بر اساس متاسطحها و همچنین مطالعات بنیادی در مورد نیروی کازیمیر انجام دادند. او یکی از نویسندگان بیش از 500 نشریه و دارای 70 پتنت ایالات متحده است.

جوایزی که کاپاسو دریافت کرده است شامل مدال ایوز/جاروس کوین و جایزه رابرت وود اپتیکا، جایزه بالزان در فوتونیک کاربردی، مدال ادیسون IEEE، جایزه دیوید سارنوف IEEE، جایزه IEEE Streifer، جایزه APS Schawlow در علوم لیزر است. ، جایزه کینگ فیصل، جایزه رامفورد AAAS، ​​جایزه انریکو فرمی، جایزه انجمن فیزیکی الکترونیک کوانتومی اروپا، مدال وتریل موسسه فرانکلین، مدال MRS، جایزه چوکرالسکی برای دستاوردهای مادام العمر در علم مواد، جایزه رتبه و مدال ماتوچی

او عضو آکادمی ملی علوم، آکادمی ملی مهندسی، Academia Europaea، Accademia dei Lincei، عضو آکادمی ملی مخترعان، و عضو آکادمی علوم و هنر آمریکا (AAAS) است. او دارای دکترای افتخاری از دانشگاه لوند، دانشگاه دیدرو و دانشگاه بولونیا است. او یکی از اعضای هیئت مدیره متالنز است که یکی از بنیانگذاران آن بوده و تمرکز خود را بر عرضه فلزات و دوربین‌ها به بازار برای بازارهای با تیراژ بالا دارد. او همچنین یکی از اعضای هیئت مدیره Pendar Technologies است.

کنفرانس فوتونیک 2022

سخنرانان کلیدی

منیژه رازقی به عنوان پیشگام در دستگاه های الکترونیک نوری در قلب عصر اطلاعات و اخیراً به عنوان یک مرجع در توسعه دستگاه های کوانتومی فعال در باند طیفی عمیق فرابنفش شناخته می شود. سخنرانی اصلی او شنوندگان را با مکانیک های نهفته در فناوری کوانتومی آشنا می کند، وضعیت هنر را برای کاربردهای کوانتومی بررسی می کند و کشف می کند که این فناوری به کجا می رود.

فدریکو کاپاسو، که به پیشگام لیزر آبشاری کوانتومی کمک کرد، در مورد روندها و فناوری‌هایی که از کارهای اخیرش در فراسطح‌های نوری پدید آمده‌اند، صحبت خواهد کرد. فناوری متالنز از فعل و انفعالات بین فوتون‌ها و ماده در مقیاس نانومتری برای دستیابی به کنترل بی‌سابقه‌ای بر نور هنگام عبور از بخش عمده مواد بهره می‌برد. فناوری به دست آمده دارای کاربردهای تجاری در تصویربرداری دیجیتال، واقعیت افزوده و سنجش سه بعدی است.

لیزر کوانتومی آبشار (QCL)

لیزر آبشار کوانتومی

لیزر کوانتومی آبشار (QCL) نوعی لیزر نیمه هادی است که در قسمت میانی تا مادون قرمز طیف الکترومغناطیسی نور منتشر می کند. لیزرهای کوانتومی آبشار مزایای زیادی را ارائه می دهند: آنها در طیف مادون قرمز میانی از 5.5 تا 11.0 میکرومتر (900 سانتی متر در 1 تا 1800 سانتی متر در 1) قابل تنظیم هستند. ارائه زمان پاسخ سریع ؛ و روشنایی طیفی را که حتی از منبع سنکروترون به طور قابل توجهی روشن تر است ، فراهم می کند.

لیزرهای آبشار کوانتومی شامل لایه های متناوب از مواد نیمه رسانا هستند و چاههای انرژی کوانتومی را تشکیل می دهند که الکترونها را به حالتهای خاص انرژی محدود می کند. همانطور که یک الکترون در محیط لیزر حرکت می کند ، از یک چاه کوانتومی به حالت دیگر حرکت می کند ، که توسط ولتاژ اعمال شده بر روی دستگاه ایجاد می شود. در مکانهای دقیق ، که "منطقه فعال" نامیده می شود ، الکترون از یک حالت انرژی به حالت پایین تر منتقل می شود و در این فرایند ، فوتون ساطع می کند. الکترون در ساختار خود ادامه می دهد و هنگامی که با ناحیه فعال بعدی برخورد می کند ، دوباره تغییر می کند و فوتون دیگری از خود ساطع می کند. QCL ممکن است تا 75 ناحیه فعال داشته باشد و هر الکترون با عبور از ساختار ، تعداد زیادی فوتون تولید می کند.

طول موج خروجی توسط ساختار لایه ها تعیین می شود تا مواد لیزر ، و این امکان را برای سازندگان دستگاه ایجاد می کند که طول موج را به گونه ای تنظیم کنند که لیزرهای دیودی قابل تنظیم نباشند. طول موج خروجی لیزر دیود محدود به 2.5 میکرومتر است ، اما QCL ها در طول موج های بسیار طولانی تر عمل می کنند: دستگاههای تولید مادون قرمز موج میانی تا 11 میکرومتر در دسترس هستند و برخی از قطره چکانهای 25 میکرومتر به صورت آزمایشی ساخته شده اند.

گفته می شود که سیستم های میکروسکوپی مبتنی بر QCL به مقدار نسبتاً کمی قدرت و اندازه کوچک نیاز دارند و می توانند جایگزین FTIR بزرگتر و کندتر (طیف سنجی جرمی Fourier) و طیف سنجی جرمی شوند.