કાર્યકારી સિદ્ધાંત અને સેમિકન્ડક્ટર લેસરના મુખ્ય પ્રકારો

કાર્ય સિદ્ધાંત અને મુખ્ય પ્રકારોસેમિકન્ડક્ટર લેસર

સેમિકન્ડક્ટરલેસર ડાયોડતેમની ઉચ્ચ કાર્યક્ષમતા, લઘુચિત્રીકરણ અને તરંગલંબાઇ વિવિધતા સાથે, સંદેશાવ્યવહાર, તબીબી સંભાળ અને ઔદ્યોગિક પ્રક્રિયા જેવા ક્ષેત્રોમાં ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક ટેકનોલોજીના મુખ્ય ઘટકો તરીકે વ્યાપકપણે ઉપયોગમાં લેવાય છે. આ લેખ કાર્યકારી સિદ્ધાંત અને સેમિકન્ડક્ટર લેસરોના પ્રકારોનો પરિચય આપે છે, જે મોટાભાગના ઓપ્ટોઇલેક્ટ્રોનિક સંશોધકોના પસંદગી સંદર્ભ માટે અનુકૂળ છે.

૧. સેમિકન્ડક્ટર લેસરોનો પ્રકાશ ઉત્સર્જક સિદ્ધાંત

સેમિકન્ડક્ટર લેસરોનો લ્યુમિનેસેન્સ સિદ્ધાંત બેન્ડ સ્ટ્રક્ચર, ઇલેક્ટ્રોનિક ટ્રાન્ઝિશન અને સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સના ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન પર આધારિત છે. સેમિકન્ડક્ટર મટિરિયલ્સ એ બેન્ડગેપ ધરાવતી એક પ્રકારની સામગ્રી છે, જેમાં વેલેન્સ બેન્ડ અને વાહકતા બેન્ડનો સમાવેશ થાય છે. જ્યારે સામગ્રી ગ્રાઉન્ડ સ્ટેટમાં હોય છે, ત્યારે ઇલેક્ટ્રોન વેલેન્સ બેન્ડને ભરે છે જ્યારે વાહકતા બેન્ડમાં કોઈ ઇલેક્ટ્રોન હોતા નથી. જ્યારે કોઈ ચોક્કસ ઇલેક્ટ્રિક ફિલ્ડ બાહ્ય રીતે લાગુ કરવામાં આવે છે અથવા કરંટ ઇન્જેક્ટ કરવામાં આવે છે, ત્યારે કેટલાક ઇલેક્ટ્રોન વેલેન્સ બેન્ડમાંથી વાહકતા બેન્ડમાં સંક્રમણ કરશે, જે ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ બનાવશે. ઊર્જા પ્રકાશનની પ્રક્રિયા દરમિયાન, જ્યારે આ ઇલેક્ટ્રોન-હોલ જોડીઓ બહારની દુનિયા દ્વારા ઉત્તેજિત થાય છે, ત્યારે ફોટોન, એટલે કે લેસર ઉત્પન્ન થશે.

2. સેમિકન્ડક્ટર લેસરોની ઉત્તેજના પદ્ધતિઓ

સેમિકન્ડક્ટર લેસરો માટે મુખ્યત્વે ત્રણ ઉત્તેજના પદ્ધતિઓ છે, એટલે કે ઇલેક્ટ્રિકલ ઇન્જેક્શન પ્રકાર, ઓપ્ટિકલ પંપ પ્રકાર અને ઉચ્ચ-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન બીમ ઉત્તેજના પ્રકાર.

ઇલેક્ટ્રિકલી ઇન્જેક્ટેડ સેમિકન્ડક્ટર લેસરો: સામાન્ય રીતે, તે ગેલિયમ આર્સેનાઇડ (GaAs), કેડમિયમ સલ્ફાઇડ (CdS), ઇન્ડિયમ ફોસ્ફાઇડ (InP), અને ઝિંક સલ્ફાઇડ (ZnS) જેવી સામગ્રીથી બનેલા સેમિકન્ડક્ટર સરફેસ-જંકશન ડાયોડ હોય છે. તેઓ ફોરવર્ડ બાયસ સાથે કરંટ ઇન્જેક્ટ કરીને ઉત્તેજિત થાય છે, જે જંકશન પ્લેન ક્ષેત્રમાં ઉત્તેજિત ઉત્સર્જન ઉત્પન્ન કરે છે.

ઓપ્ટિકલી પમ્પ્ડ સેમિકન્ડક્ટર લેસરો: સામાન્ય રીતે, N-ટાઈપ અથવા P-ટાઈપ સેમિકન્ડક્ટર સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ (જેમ કે GaAS, InAs, InSb, વગેરે) નો ઉપયોગ કાર્યકારી પદાર્થ તરીકે થાય છે, અનેલેસરઅન્ય લેસરો દ્વારા ઉત્સર્જિત થતી ઉત્તેજનાનો ઉપયોગ ઓપ્ટિકલી પમ્પ્ડ ઉત્તેજના તરીકે થાય છે.

ઉચ્ચ-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન બીમ-ઉત્તેજિત સેમિકન્ડક્ટર લેસરો: સામાન્ય રીતે, તેઓ કાર્યકારી પદાર્થ તરીકે N-ટાઇપ અથવા P-ટાઇપ સેમિકન્ડક્ટર સિંગલ ક્રિસ્ટલ્સ (જેમ કે PbS, CdS, ZhO, વગેરે) નો પણ ઉપયોગ કરે છે અને બહારથી ઉચ્ચ-ઊર્જા ઇલેક્ટ્રોન બીમ ઇન્જેક્ટ કરીને ઉત્તેજિત થાય છે. સેમિકન્ડક્ટર લેસર ઉપકરણોમાં, વધુ સારી કામગીરી અને વ્યાપક એપ્લિકેશન ધરાવતું ઇલેક્ટ્રિકલી ઇન્જેક્ટેડ GaAs ડાયોડ લેસર ડબલ હેટરોસ્ટ્રક્ચર સાથે છે.

૩. સેમિકન્ડક્ટર લેસરોના મુખ્ય પ્રકારો

સેમિકન્ડક્ટર લેસરનો સક્રિય ક્ષેત્ર ફોટોન ઉત્પાદન અને પ્રવર્ધન માટે મુખ્ય ક્ષેત્ર છે, અને તેની જાડાઈ ફક્ત થોડા માઇક્રોમીટર છે. આંતરિક વેવગાઇડ માળખાંનો ઉપયોગ ફોટોનના બાજુના પ્રસારને મર્યાદિત કરવા અને ઊર્જા ઘનતા (જેમ કે રિજ વેવગાઇડ્સ અને દફનાવવામાં આવેલા હેટરોજંક્શન) વધારવા માટે થાય છે. લેસર હીટ સિંક ડિઝાઇન અપનાવે છે અને ઝડપી ગરમીના વિસર્જન માટે ઉચ્ચ થર્મલ વાહકતા સામગ્રી (જેમ કે કોપર-ટંગસ્ટન એલોય) પસંદ કરે છે, જે ઓવરહિટીંગને કારણે તરંગલંબાઇના પ્રવાહને અટકાવી શકે છે. તેમની રચના અને એપ્લિકેશન દૃશ્યો અનુસાર, સેમિકન્ડક્ટર લેસરોને નીચેના ચાર વર્ગોમાં વર્ગીકૃત કરી શકાય છે:

એજ-એમિટિંગ લેસર (EEL)

લેસર ચિપની બાજુમાં ક્લીવેજ સપાટીમાંથી બહાર નીકળે છે, જે એક લંબગોળ સ્પોટ બનાવે છે (લગભગ 30°×10° ના ડાયવર્જન્સ એંગલ સાથે). લાક્ષણિક તરંગલંબાઇમાં 808nm (પમ્પિંગ માટે), 980 nm (સંચાર માટે), અને 1550 nm (ફાઇબર સંચાર માટે)નો સમાવેશ થાય છે. તેનો ઉપયોગ હાઇ-પાવર ઔદ્યોગિક કટીંગ, ફાઇબર લેસર પમ્પિંગ સ્ત્રોતો અને ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન બેકબોન નેટવર્ક્સમાં વ્યાપકપણે થાય છે.

2. વર્ટિકલ કેવિટી સરફેસ એમિટિંગ લેસર (VCSEL)

લેસર ચિપની સપાટી પર લંબરૂપ રીતે ઉત્સર્જિત થાય છે, જેમાં ગોળાકાર અને સપ્રમાણ બીમ (ડાયવર્જન્સ એંગલ <15°) હોય છે. તે વિતરિત બ્રેગ રિફ્લેક્ટર (DBR) ને એકીકૃત કરે છે, જે બાહ્ય રિફ્લેક્ટરની જરૂરિયાતને દૂર કરે છે. તેનો વ્યાપકપણે 3D સેન્સિંગ (જેમ કે મોબાઇલ ફોન ફેસ રેકગ્નિશન), શોર્ટ-રેન્જ ઓપ્ટિકલ કોમ્યુનિકેશન (ડેટા સેન્ટર્સ) અને LiDAR માં ઉપયોગ થાય છે.

૩. ક્વોન્ટમ કેસ્કેડ લેસર (QCL)

ક્વોન્ટમ વેલ્સ વચ્ચે ઇલેક્ટ્રોનના કાસ્કેડ સંક્રમણના આધારે, તરંગલંબાઇ મધ્ય-થી-દૂર-ઇન્ફ્રારેડ શ્રેણી (3-30 μm) ને આવરી લે છે, જેમાં વસ્તી વ્યુત્ક્રમની જરૂર નથી. ફોટોન ઇન્ટરસબબેન્ડ સંક્રમણો દ્વારા ઉત્પન્ન થાય છે અને સામાન્ય રીતે ગેસ સેન્સિંગ (જેમ કે CO₂ શોધ), ટેરાહર્ટ્ઝ ઇમેજિંગ અને પર્યાવરણીય દેખરેખ જેવા કાર્યક્રમોમાં ઉપયોગમાં લેવાય છે.

4. ટ્યુનેબલ લેસર

ટ્યુનેબલ લેસરની બાહ્ય પોલાણ ડિઝાઇન (ગ્રેટિંગ/પ્રિઝમ/MEMS મિરર) સાંકડી લાઇનવિડ્થ (<100 kHz) અને ઉચ્ચ સાઇડ-મોડ રિજેક્શન રેશિયો (>50 dB) સાથે ±50 nm ની તરંગલંબાઇ ટ્યુનિંગ રેન્જ પ્રાપ્ત કરી શકે છે. તેનો ઉપયોગ સામાન્ય રીતે ગાઢ તરંગલંબાઇ ડિવિઝન મલ્ટિપ્લેક્સિંગ (DWDM) કોમ્યુનિકેશન, સ્પેક્ટ્રલ વિશ્લેષણ અને બાયોમેડિકલ ઇમેજિંગ જેવા એપ્લિકેશનોમાં થાય છે. સેમિકન્ડક્ટર લેસરનો ઉપયોગ કોમ્યુનિકેશન લેસર ડિવાઇસ, ડિજિટલ લેસર સ્ટોરેજ ડિવાઇસ, લેસર પ્રોસેસિંગ ઇક્વિપમેન્ટ, લેસર માર્કિંગ અને પેકેજિંગ ઇક્વિપમેન્ટ, લેસર ટાઇપસેટિંગ અને પ્રિન્ટિંગ, લેસર મેડિકલ ઇક્વિપમેન્ટ, લેસર ડિસ્ટન્સ અને કોલિમેશન ડિટેક્શન ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ્સ, લેસર ઇન્સ્ટ્રુમેન્ટ્સ અને મનોરંજન અને શિક્ષણ માટેના સાધનો, લેસર ઘટકો અને ભાગો વગેરેમાં વ્યાપકપણે થાય છે. તે લેસર ઉદ્યોગના મુખ્ય ઘટકો સાથે સંબંધિત છે. એપ્લિકેશનની વિશાળ શ્રેણીને કારણે, લેસરના અસંખ્ય બ્રાન્ડ્સ અને ઉત્પાદકો છે. પસંદગી કરતી વખતે, તે ચોક્કસ જરૂરિયાતો અને એપ્લિકેશન ક્ષેત્રો પર આધારિત હોવી જોઈએ. વિવિધ ઉત્પાદકો પાસે વિવિધ ક્ષેત્રોમાં વિવિધ એપ્લિકેશનો હોય છે, અને ઉત્પાદકો અને લેસરોની પસંદગી પ્રોજેક્ટના વાસ્તવિક એપ્લિકેશન ક્ષેત્ર અનુસાર થવી જોઈએ.