Semiconductor Laser अर्धचालक लेसर

                        Semiconductor Laser

अर्धचालक लेसर

Fig 1

The main component of a LASER are

Active medium

Pumping source

Resonant cavity

लेसर के मुख्य घटक है

सक्रिय माध्यम

पम्पिंग स्रोत

गुंजयमान गुहा

In semiconductor laser we can clearly understand that semiconducting material is active medium, Doping works as a pumping source and depletion layer works as resonant cavity. 

अर्ध चालक लेसर में हम स्पष्ट रूप से समझ सकते हैं कि अर्ध चालक पदार्थ सक्रिय माध्यम है, डोपिंग, पम्पिंग स्रोत का कार्य करता है, और अवक्षय परत, गुंजयमान गुहा का कार्य करता है.

LASER is light amplification by stimulated emission of radiation. So, to get laser light we get population inversion by pumping process and stimulate emission by photons, the place where the photon moves to stimulate the emission is known as resonant cavity. 

लेसर है light amplification by stimulated emission of radiation. अत: लेसर प्रकाश प्राप्त करने के लिए हम पम्पिंग प्रक्रिया द्वारा संख्या उत्क्रमण प्राप्त करते हैं, और फोटाॅन के द्वारा उद्दीपित उत्सर्जन कराते हैं. जिस स्थान पर फोटाॅन, उद्दीपित उत्सर्जन कराने के लिए गति करता है उस स्थान को गुंजयमान गुहा कहते हैं.

Semiconductor LASER works exactly like LED with the difference that in LED, emission is spontaneous hence the light emitted is not directional, not monochromatic, not intense and not coherent but in semiconductor laser emission is stimulated hence photons emitted are in phase and light is directional, monochromatic, intense and coherent. Like LED in semiconductor LASER we get a forward biased PN junction of appropriate semiconducting material ( for example GaAs gallium arsenide, CdS Cadmium sulphide ) . 

अर्ध चालक लेसर, LED की भांति ही इस भिन्नता के साथ कार्य करता है कि LED में स्वत: उत्सर्जन होता है अतः उत्सर्जित प्रकाश न दिशात्मक, न एकवर्णी, न तीव्र, और न कला सम्बद्ध होगा. अर्ध चालक लेसर में उद्दीपित उत्सर्जन होता है अतः उत्सर्जित फोटाॅन समान कला में होंगे और प्रकाश दिशात्मक, एकवर्णी, तीव्र तथा कला सम्बद्ध होगा. LED की भांति अर्ध चालक लेसर में भी उचित पदार्थ (उदाहरण GaAs गैलियम आर्सेनाइड, CdS कैडमियम सल्फाइड ) का बना हुआ अग्र अभिनत PN संधि डायोड होता है.

Semiconducting material is active medium, Doping works as a pumping source . The electron from the conduction band of N type semiconductor of PN junction recombines with hole in the valance band of P Type semiconductor during forward biasing and emits photons corresponding to the Eg , the energy of forbidden energy gap. The energy of the photons emitted may be equal to or greater than Eg , the energy of forbidden energy gap. 

अर्ध चालक पदार्थ, सक्रिय माध्यम है , डोपिंग पम्पिंग स्रोत का कार्य करता है. अग्र अभिनत के समय, PN संधि के N टाइप अर्ध चालक के चालन बैंड से इलेक्ट्रान, P टाइप अर्ध चालक के संयोजन बैंड के कोटर से पुनर्संयोजन करते हैं, और निषेधित ऊर्जा अंतराल के संगत ऊर्जा Egका फोटाॅन उत्सर्जित करते हैं. इस उत्सर्जित फोटाॅन की ऊर्जा Eg के बराबर या इससे अधिक हो सकती है.

In the depletion layer of this PN junction if a light photon of energy equal to or greater than Eg is introduced then there is the possibility of one of the following processes

1- one electron of the valance band may absorb this photon to reach to the conduction band leaving behind one hole. 

2- this photon may stimulate an electron in conduction band to emit photon that is in phase with the stimulating photon and then electron falls to valance band and recombine with a hole. 

यदि Eg के बराबर या इससे अधिक ऊर्जा का प्रकाश फोटाॅन, इस PN संधि के अवक्षय परत में प्रवेश कराते हैं तो निम्न में से एक प्रक्रिया की सम्भावना होगी.

1- संयोजी बैंड का एक इलेक्ट्रान, इस फोटाॅन को अवशोषित करके चालन बैंड में पहुँच जाएगा और पीछे संयोजी बैंड में एक कोटर छोड़ जाएगा.

2- यह फोटाॅन चालन बैंड के इलेक्ट्रान को, अपने समान कला का फोटाॅन उत्सर्जित करने के लिए उद्दीपित कर सकता है और तब इलेक्ट्रान संयोजी बैंड के कोटर से संयोजन करता है.

In PN junction due to heavy doping we achieve population inversion that is almost all the free electrons are in conduction band of N type semiconductor only a few are in the valance band of P type semiconductor. Hence the possibility of stimulated emission is more. 

PN संधि में उच्च डोपिंग के कारण हमे संख्या उत्क्रमण प्राप्त होता है अर्थात N टाइप अर्ध चालक के लगभग सभी मुक्त इलेक्ट्रान चालन बैंड में है, P टाइप अर्ध चालक के संयोजी बैंड में कुछ ही है, अत: उद्दीपित उत्सर्जन की सम्भावना अधिक है.

The front side of PN junction diode is partially polished and back side is fully polished and these two sides are parallel. Here depletion layer works as resonant cavity, here the photons move to stimulate more and more emission. When the intensity of photons rises they comes out from the front side as laser beam. The other two faces are made rough to suppress the oscillations in unwanted directions. 

This type of laser is also called injection laser. 

The laser action also occur in intrinsic and extrinsic semiconductors but this injection laser is normally explained as a semiconductor laser. Its dimension is very small; it is found to be 1mm x 1mm x 20 micrometer. 

PN संधि डायोड के सामने के भाग को आंशिक रूप से पालिश किया गया है और पीछे के भाग को पूर्ण रूप से पालिश किया गया है. यह दोनों पृष्ठ एक दूसरे से समान्तर. यहाँ अवक्षय परत गुंजयमान गुहा की भांति कार्य करती है, जहाँ फोटाॅन ज्यादा से ज्यादा उत्सर्जन को उद्दीपित करने के लिए गतिमान रहते हैं. जब फोटाॅन की तीव्रता बढ़ जाती है तो वह सामने के पृष्ठ से लेसर किरण के रूप मे बाहर आते हैं. अवांछित दिशाओं में दोलनों का दमन करने के लिए अन्य पृष्ठों को खुरदरा रखा जाता है.

इस प्रकार के लेसर को इंजक्शन लेसर भी कहते हैं. आन्तरिक और वाह्य अर्ध चालक मे भी लेसर क्रिया देखने को मिलती है. किन्तु सामान्यतः इंजक्शन लेसर को ही अर्ध चालक लेसर कहते हैं. इसका आकार बहुत छोटा होता है, जो कि 1मि मी x1मि मीx20 माइक्रोमीटर होता है.

Differences in semiconductor laser over the other type of laser 

Generally the semiconductor laser are like other lasers in hyper coherence, in intensity, in monochromatic, directional, spatial and temporal forms.  Still the semiconductor lasers are different from other lasers in some other ways. 

1- It's size is very small and hence used in quantum amplifier. 

2- It's efficiency is very high. 

3- To form optoelectronic circuits, these laser can integrated with FET, BJT. 

4- Semiconductor laser are economical as compared to other laser. 

5- Construction of semiconductor laser is simple. 

6- power consumption of these laser is low. 

7- Radiation obtained by Semiconductor laser are less monochromatic ( in few angstrom range of wavelengths) as compared to radiation obtained by other lasers ( equal to a fraction of one angstrom) . As electron transition is related to band structure in semiconductor lasers whereas in other laser transition lie between discrete energy level. 

8- Due to extremely narrow active area of semiconductor laser, its divergence is too much as compared to other lasers. 

अन्य लेसर की तुलना में अर्ध चालक लेसर मे भिन्नता- 

सामान्यतः अर्ध चालक लेसर कला सम्बद्धता, तीव्रता, एकवर्णिता, दिशात्मकता, आकाशीय और सामयिक रूपों में दूसरे लेसर की भांति ही होते हैं. फिर भी अर्ध चालक लेसर अन्य लेसर से कुछ रूपों में भिन्न होता है.

1- इसका आकार बहुत छोटा होने के कारण, क्वांटम प्रवर्धक में इसका प्रयोग किया जाता है.

2- इसकी दक्षता उच्च होती है.

3- आप्टोइलेक्ट्रानिक परिपथ में FET और BJT के साथ लेसर का संयोजन किया जाता है.

4- अन्य लेसर की अपेक्षा अर्ध चालक लेसर सस्ते होते हैं.

5- अर्ध चालक लेसर की संरचना बहुत सामान्य होती है.

6- अर्ध चालक लेसर में ऊर्जा की खपत बहुत कम होती है.

7- अन्य लेसर की विकिरण (एक एंगस्ट्राम के भिन्न के बराबर) अपेक्षा अर्ध चालक लेसर से प्राप्त विकिरण ( तरंगदैर्ध्य में कुछ एंगस्ट्राम तक) कम एकवर्णी होती है. क्योंकि अन्य लेसर में संक्रमण ऊर्जा स्तरों के मध्य होता है जबकि अर्ध चालक लेसर में संक्रमण ऊर्जा बैंड पर निर्भर करता है.

8- अर्ध चालक लेसर का सक्रिय क्षेत्र बहुत संकरा होने के कारण अन्य लेसर की तुलना में इसका अपसरण बहुत अधिक होता है.

For more information use the video link given. 

डॉ कल्पना सिंह