مقدمه

ليزرهاي ديودي نيم رسانا پرفروشترين نوع ليزر در جهان هستند. اين ليزرها اولين بار در سال 1962 ساخته شدند و گفته مي‌شود اكنون در مرحله‌اي هستند كه از بسياري جهات قابل قياس با موقعيت صنعت الكترونيك سيليسيومي در حدود 25 سال پيش است. بدون ترديد نيروي اصلي در پس اين پيشرفت ، رشد سريع صنعت مخابرات است، اما ذخيره سازي اطلاعات (خواندن/نوشتن CD ، پويشگرهاي رمز ميله‌اي) ، اشاره به دور (نشانگرهاي ليزري) و كاربردهاي ماشين كاري نيز اهميت روزافزوني يافته‌اند.

طي چند سال اخير ليزرهاي ديودي به توانايي خروجي بالاتر ، ابعاد كوچكتر ، كارايي بالاتر ، اعتماد پذيري بيشتر و از همه اينها مهمتر به پوشش طول موجي پهنتر از IR ميانه تا انتهاي آبي رنگ طيف الكترومغناطيس ، دست يافته‌اند. براي سالهاي متمادي ، دستيابي به منابع نوري تكفام كوك همدوس ، با عملكرد آسان و ارزان از IR ميانه تا UV ، هدفي براي متخصصان طبف بيني بوده است. به غير از طيف بينيهاي متداول جذبي و فلوئورساني ، طيف بيني رامان و بيضي سنجي نيز از ليزرهاي ديودي به عنوان منابع نور همدوس بهره‌مند شده‌اند.

به تازگي متخصصان طيف بيني ، فنون با حساسيت زياد مثل طيف بيني درون حفره را با ليزرهاي ديودي تركيب كرده‌اند. در طيف بيني بنيادي ، كاربرد منابع ليزري جديد به تعيين ساختار راديكالهاي آزاد يا گونه‌هاي خوشه‌اي عجيب و غريب منجر شده است. براي نظارتهاي اتمسفري ، ليزرهاي ديودي دماي اتاق كه در 8 تا 13µM نشر مي‌كنند، پيشرفتي اساسي به سمت بهبود كيفيت هوا هستند.

در پزشكي ، كاربرد ليزرهاي ديودي در مقطع نگاري نوري و در تجزيه غير تزريقي خون ، مثلا پيش بيني سطح گلوكز خون ، تشخيص پزشكي را با انقلابي مواجه كرده است. در صنعت ، حسگرهاي شيميايي ارزان قيمت در كنترل فرآيند اهميت يافته‌اند، براي كنترل در محل فرآيندهاي احتراقي ، آشكار سازي پسماندهاي گازي در نقطه تخليه و كنترل كيفيت در صنايع دارويي و غذايي ليزرهاي ديودي ديگري نيز هستند كه براي اندازه گيريهاي جريان ، شمارش و سنجش ابعاد ذرات سودمندند.

ارتعاشهاي خوب

IR ميانه، يكي از محدوده‌هاي طيف الكترومغناطيسي است كه ليزرهاي ديودي در آن به ايفاي نقش پرداخته‌اند. مطالعه ارتعاشهاي بنيادي مولكولها كه در اين ناحيه اتفاق مي‌افتد، تا كنون بر ليزرهاي ديودي ساخته شده از نمكهاي سرب كه با سرمازايي خنك شده‌اند متكي بوده است. با اين حال تجهيزات خنك كننده با سرمازايي بر هزينه‌هاي خريد و عملياتي چنين ليزرهايي بسيار مي‌افزايد. ليزرهاي ديودي IR ميانه كه از تركيبات همانند ساخته شده‌اند و در دماي اتاق كار مي‌كنند، كم كم به عنوان جانشيني براي حسگرهاي شيميايي ارزان مطرح مي‌شوند.

گفتني است اين حسگرها براي آشكار سازي اتمسفري و آلودگي و همچنين نظارت بر فرآيندهاي صنعتي بكار مي‌روند. مثلا ، نيم رساناهايي مانند aLgAssB/iNgAaSb كه تا زير 3000nm كار مي‌كنند. دستيابي به اكثر ارتعاشهاي كششي C_H را مقدور مي‌سازند. نشر ليزر در اين طول موجها ، به دليل وجود گاف نوار باريك كه ساختار الكتروني اين مواد را مي‌سازد، امكان پذير است. در نتيجه فقط مقدار بسيار كمي انرژي براي ارتقاي الكترونها به انرژي بالاتر نوار رسانش ، مورد نياز است.

با اين حال مهيجترين پيشرفت در آشكارسازي IR ميانه ، ساخت ليزرهاي آبشار كوانتومي (QCL) است. اين ليزرها را اولن بار دانشمندان بل لبز - لوسنت در آمريكا در سال 1994 ارائه كردند كه با روشي كاملا متفاوت از ليزرهاي ديودي نيم رساناي معمول كار مي‌كنند. طول موج نوري كه آنها نشر مي‌كنند به گاف نوار نيم رسانا بستگي ندارد، بلكه بيشتر به ضخامت لايه‌هاي سازنده نيمرسانا در قطعه وابسته است.

ليزرهاي ديودي در عمل

يك ليزر نيم رسانا اساسا از اتصال بين يك نيم رساناي نوع P (غني از "حفره‌هاي" مثبت) و يك نيم رساناي نوع n (غني از الكترونها) تشكيل مي‌شود. بر اثر عبور جريان الكتريكي از محل اتصال ، الكترونها و حفره‌ها مي‌توانند باز تركيب شوند كه در اين فرآيند نور نشر مي‌شود. طول موج نشر با گاف نوار ماده نيم رسانايي كه ديود را مي‌سازد، تفاوت انرژي لازم براي صعود الكترون از نوار انرژي والانس پايينتر به نوارهاي رسانش پرانرژي‌تر در بالا تعيين مي‌شود. در وسايل ساده با تغيير جريان الكتريكي بكار رفته يا دماي ليزر ، تنظيم طول موج مقدور مي‌شود.

با ماده گاليم آرسنيد (GaAs) خالص يك طول موجي ساخته شد، اما در عمل به علت نياز و دشواري در تطابق شبكه ، اين امر با محدوديت مواجه مي‌شود. ليزرها با هر دو روش رشد همراستاي بلور با باريكه مولكولي و رسوب دهي شيميايي بخار فلز - آلي ساخته مي‌شوند. اين ليزرها با داشتن 50 درصد تبديل الكتريسيته به نور ، كارآمدترين نوع ليزرند كه در نتيجه باعث كاهش هزينه عملياتي مي‌شود.

هرگاه لايه به اندازه كافي نازك باشند (كمتر از 20nm) مكان الكترونهاي نيم رسانا فقط در يك بعد محدود مي‌شود: حالتهاي انرژي در نوارهاي والانس و رسانش كوانتيده شده و فقط ترازهاي انرژي معيني مجاز مي‌شود. لذا لايه‌هاي نيم رسانا مانند چاههاي كوانتومي خواهند بود و مي‌توان آنها را با لايه‌هاي غير فعال (غير ليزر ساز) روي هم چيد و ليزرهايي ساخت كه قادرند نور خروجي پر توانتري توليد كنند. در اين QCL ها ، الكترونها از چند مرحله پي در پي افت انرژي ، مي‌گذرند و همزمان با حركت در نوعي آبشار الكتروني ، فوتون نشر مي‌دهند. فاصله نزديك نوارهاي انرژي الكتروني ، نشر نور در گستره IR ميانه تا دور را ممكن مي‌سازد. چندين گروه پژوهشي ، در حال رقابت براي توليد نوع تجاري QCL در گستره 6 تا 12µm هستند كه دريچه مهمي را بر روي نظارت اتمسفري ، خواهد گشود.

در سال 1998 گروه فدريكاكاپاسوازبل لبز - لوسنت تكنولوژي ، ليزري توليد كرد كه داراي شبكه بلوري AlInAs/InGaAs با فواصل بين اتمي منطبق با شبكه InP بود و مي‌توانست در 8,3µm با توان تپي 180mW در دماي اتاق ، نشر كند. امروزه مي‌توان ليزرهايي را كه در اين محدوده كار مي‌كنند از GaAs/AlGaAs تهيه كرد، كه هم ارزانترند و هم آسانتر ساخته مي‌شوند. هر چند نتايج اخير گروه كاپاسو در آشكارسازي مقادير ناچيز گازهايي مانند CH₄ ، N₂O هنوز به حد حساسيت آشكارسازي ليزرهاي نمك سرب ، يعني در حد ppb يا كمتر ، نرسيده است.
ليزرهاي حفره عمودي نشر كننده از سطح (VCSEL) نوعي ليزر جديد هستند. آنها كه عمدتا براي مخابرات نوري ساخته شده‌اند، براي كار در طول موج بلند و با خروجي تپي 2,9µm در دماي اتاق ، نيز بكار مي‌روند. آنها كيفيت باريكه بهتري ايجاد مي‌كنند و از بسياري از ليزرهاي جانشين كه در طول موجهاي بلندتر كار مي‌كنند، آسانتر ساخته مي‌شوند. در سال 1997، ديرك رله ، برند زومپف و هاينتس - دتلف كرونفلت ، از دانشگاه صنعتي برلين ، روش ديگري براي توليد تابش IR ميانه براي آشكارسازي گازي ، ارائه دادند. آنها در يك بلور AgGaSe₂ ، خروجي دو ليزر ديودي IR نزديك (يكي در 1290µm و ديگري 1572nm) را باهم مخلوط و نوري با فركانس متفاوت در حدود 7,2µm) 1380cm-1) براي شناسايي SO₂ توليد كردند.

كنترل در خط

هم اكنون ليزرهاي ديودي نيم رسانا در IR نزديك ، به ويژه در حوالي طول موجهاي مخابراتي 1300 و 1550nm ، كاملا توسعه يافته‌اند. بهبود فنون ساخت در حال حاضر به معني امكان پذير شدن ساخت ليزرهايي است كه در طول موجهاي بسيار دقيقي كار مي‌كند. مثلا ، ليزرهاي پسخوري توزيع يافته (DFB) كه معمولا با قرار دادن يك شبكه گزينشگر درون حفره ليزر ، براي صاف كردن طول موجهاي مطلوب ، ساخته مي‌شوند، به عنوان حسگرهاي شيميايي ارزان قيمت در نظارت بر انتشار آلاينده‌ها و كنترل فرآيند، بالقوه مفيدند.

گروه من در دانشگاهها درزفييد ، براي استفاده از ليزرهاي ديودي در كنترل فرآيند در خط از طريق نظارت در محل ، به ويژه در محيطهاي خطرناك كه در آن باريكه ليزر با استفاده از تار نوري به درون واكنشگاه هدايت مي‌شود، فنوني را توسعه داده است. براي كنترل فرآيند و بهبود كارايي ، مي‌توان تجزيه سريع محتوي واكنشگاه را به يك حلقه پسخور متصل كرد. با همكاري مارتين پمبل از دانشگاه سالفورد ، توانستيم به واكنشهايي كه درون واكنشگاهها به طريق رسوب دهي شيميايي بخار انجام مي‌گيرند نظر بيندازيم. گفتني است اين واكنشها ، فهم مهمي براي توليد بسياري از پوشش دهيهاي ظريف سطحي را فراهم مي‌سازند.

محدويتهاي طيف بيني با ليزر ديودي

يكي از محدويتهاي طيف بيني با ليزر ديودي آن است كه به علت باريكي گستره تنظيم طول موج ، يك ليزر معمولا فقط مي‌تواند يك گونه شيميايي را شناسايي كند. رانالد هانسون و همكاران در دانشگاه استانفورد با بكار گيري روشي موسوم به تقسيم چندگانه طول موج (WDM) بر اين مشكل غلبه كردند و توانستند در يك اتاقك احتراق ، چند گونه مختلف و خواص آنها را مشاهده كنند. روش WDM عبارت است از ارسال همزمان چند طول موج مختلف از درون يك تار نوري. هانسون و گروهش با استفاده از سه ليزر ديودي با تنظيبم جداگانه ، توانستند بطور همزمان غلظت H₂O ، O₂ و نيز دما و فشار را در شعله H₂ _ O₂.

مسئله ديگر در آشكار سازي همزمان چند گونه شيميايي ، احتمال "خط روي خط افتادن" يا تداخل علائم است. دانشمندان CSO Mesure در فرانسه ، براي اجتناب از اين مشكل به هنگام اندازه گيري تابش زير قرمز در فضا ، از يك ليزر ديودي IR نزديك كه روي مقادير جذبي چرخشي - ارتعاشي C₂H₂ (در حدود 1530nm) تثبيت شده بود، به عنوان منبع مرجع استفاده كرده‌اند.

كار آنها بخشي از يك پژوهش 5 ساله مربوط به تداخل سنج زير قرمز ارزيابي اتمسفري (IASI) اما مهندسان مخابرات براي جلوگيري از مشكل خط روي افتادن ، وقتي كه چند طول موج مدوله شده كم فاصله در فركانسهاي GHz از درون يك تار نوري ارسال مي‌شود، از همين رويكرد استفاده مي‌كنند. "قفل كردن" طول موج ليزر روي استانداردهاي مولكولي نظير HCN و C₂H₂ ، هر گونه تداخل بين علائم مختلف را متوقف مي‌كند.

خروجي پر انرژي

دانشمندان دانشگاه كاليفرنيا در سانتريابارا با استفاده از بلورهاي ليتيم نيوبات (LiNbOsub>3) يا پتاسيم فسفات. فركانساي خروجي از ليزرهاي ديودي را در انتهاي پر انرژي‌تر طيف الكترومغناطيسي دو برابر كرده‌اند. اين كار مي‌تواند در ناحيه آبي فرابنفش طيف الكترومغناطيسي ، توانهاي خروجي در حد 0,1mW توليد كند. در اين طول موجها ، ليزرهاي ديودي قادرند عناصري مانند آلومينيم (394nm) ، گاليم (403nm) و اينديم (410nm) را شناسايي و رشد لايه‌هاي نيمرسانا ، از جمله ساخت ساير ليزرهاي ديودي را تعقيب كنند. در مقايسه با لامپهاي كاتد تو خالي متداول كه در طيف بين جذب اتمي بكار مي‌روند.

ليزرهاي ديودي ، كوك پذيرند (شناسايي چند گونه‌اي امكان پذير مي‌سازند)، پر شدت ترند (بنابراين داده‌ها را سريعتر كسب مي‌كنند) و كنترل دقيقتري را مقدور مي‌سازند. انتهاي آبي طيف الكترومغناطيسي ، يكي از فعالترين حوزه‌هاي پژوهشي درباره ليزرهاي ديودي است كه در آن ، ليزرهاي بر پايه GaN ، شدت و سرعت انتقال داده‌هاي ذخيره شده را به حداكثر مي‌رسانند. براي شيميدانان ، ليزرهاي آبي ، عملا براي دستيابي به گذارهاي الكتروني مولكولهايي مانند O₃ و NO₂ مفيد است و به ساخت سيستمهاي قابل حمل نظارت اتمسفري مي‌انجامد.

حسگرهاي تار نوري

گسترش سريع صنعت مخابرات ، جدا از كابلهاي تار نوري براي انتقال داده‌ها ، به توسعه حسگرهاي تار نوري براي ارسال نور به مكانهاي دور دست منجر شده است. حسگرهاي تار نوري مي‌توانند يا ذاتي باشند يا عارضي ، در اولي ، تغييرات در محيط مستقيما بر خواص تار اثر مي‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغيير در محيط مستقيما بر خواص تار اثر مي‌گذارد. مثلا در تنش سنجها ، تار ، تغيير شكل ناشي از خمش خود را حس مي‌كند. بر اثر خم شدن تار ، نور به بيرون از آن نشت مي‌كند. از طرف ديگر ، حسگرهاي عارضي تغيير محيطي را به تغيير در خواص عبور نور در تار تبديل مي‌كنند.

تارهاي نوري بر اساس بازتاب دروني كلي باريكه نور عمل مي‌كنند، بنابراين هرگاه ضريب شكست نور در تار تغيير كند، نور مي‌تواند به بيرون نشت كند. از اين مسئله مي‌توانيم براي آشكار سازي تغيير ارتفاع سطح مايع يا براي اندازه گيري با تفكيك پايين فشار درون مايع استفاده كرد. بخشي از ميدان الكترومغناطيسي نور ليزر به خارج از تار هم گسترش مي‌يابد و مولكولهاي در سطح يا نزديك تار مي‌توانند اين موج محو شونده را جذب كنند.

در سال 1997، يواخيم كاستز و ماوروس تا كه از مؤسسه فرانهوفر در آلمان از اين پديده براي آشكار سازي هيدروكربنها در آب استفاده كردند. روشي كه آنها استفاده كردند يعني تجزيه موج محو شونده با ليزرهاي ديودي (Ewald) ، عبارت است از استفاده از تارهاي نقره هاليد در IR ميانه كه با فيلم بسياري نازكي روكش شده است. هيدروكربنها درون اين اندود بسپاري نفوذ مي‌كنند و از روي جذبهاي اثر انگشتي‌شان شناسايي مي‌شوند. به علت جذب قوي آب در ناحيه IR استفاده از طيف بيني معمولي عبوري IR امكان پذير نيست.

حكايتهاي دروني

طيف بيني جذب درون حفره اي ليزر (Iclas) فناوري حساسي است كه طيف بيني سال با ليزرهاي گازي بزرگ و ليزرهاي رنگينه‌اي بكار برده مي‌شده است. اين روش شامل تقويت جذب نور ليزر ، با قرار دادن نمونه درون حفره ليزر به جاي خارج آن است. فوتونهاي ليزر بين دو آينه انتهايي سازنده حفره ليزر به جلو و عقب بازتابيده مي‌شوند و عملا طول مسير جذب را هزاران مرتبه افزايش مي‌دهند. پيترتوشك و والري بف در دانشگاه هامبورگ ، از اين اصل براي ساختن يك آشكار ساز بسيار كوچك و حساس آلودگي گازي استفاده كرده‌اند.

ليزر ديودي مورد استفاده ، عملا براي تأمين توان ليزر 20cm آنهاست كه از يك تار نوري فلوئور و زيركوناتي دوپه شده با اتمهاي پروزئوديميم و ايتربيم تشكيل شده بود. نور ليزر ديودي در 850nm ، اتمهاي دوپه كننده را در تار برانگيخته و نور مرئي نشر مي‌كند. گفتني است همانطوري كه كه تقويت مي‌شود، اگر نمونه يك گاز در يك انتهاي حفره در جلوي آينه نيم باز تابيده قرار داده شود، متخصصان طيف بيني مي‌توانند طيف جذبي تقويت شده را آشكار كنند.

منبع: رشد

:: موضوعات مرتبط: لیزر های دیودی، ،
:: برچسب‌ها: لیزر دیودی, انواع لیزر, مکانیسم لیزر دیودی, ساختار لیزر دیودی, لیزر های دیودی, مقاله در مورد لیزر های دیودی,

مجله علم و فناوری