Лазерный светодиод

Лазерный светодиод принципиально отличается обычного светодиода наличием встроенного резонатора, который позволяет получить индуцированное излучение высокой степени когерентности (согласованности между фазами оптических колебаний).

В полупроводниковом лазере  излучение вызывается вынужденной рекомбинацией.  Это дает возможность управлять излучением с помощью электромагнитных волн и генерировать когерентный поток света.

Разберемся: как это работает?

Представим себе плоский p-n-переход, смещенный в прямом направлении (рисунок 1). В этом случае происходит инжекция дырок в область n и наоборот – электронов в область p. Во время этого перехода в граничной (активной) области может произойти рекомбинация, которая будет сопровождаться испусканием кванта. Такое излучение называется спонтанным. На основе спонтанного излучения работают обычные светодиоды. Если же электрон и дырка находятся на близком расстоянии в активной зоне и через эту область пройдет квант света определенной (резонансной) частоты, то рекомбинация произойдет вынужденно. При этом выделится еще один квант света, с такими же параметрами, как и квант, вызвавший рекомбинацию. Для того чтобы увеличить вынужденную рекомбинацию торцы полупроводникового кристалла делаются параллельными и полируются (на рисунке 1 они обозначены как «оптически ровная грань»). Таким образом, создается так называемый оптический резонатор. Кванты, многократно отражаясь от полированных поверхностей, «летают» вдоль перехода, провоцируя процессы вынужденной рекомбинации. В конце концов, они выходят наружу в направлении строго перпендикулярном оптически ровным граням. Когда количество квантов появившихся в результате такой стимуляции значительно превысит количество появившихся спонтанно – начнется лазерная генерация.

Интенсивность излучения зависит от силы тока, протекающего через p-n-переход. При малых токах лазер работает, как малоэффективный обычный светодиод, поскольку происходят только спонтанные излучения. Когда ток превышает некоторое пороговое значение – излучение становится вынужденным и его мощность резко вырастает. Этот способ стимуляции лазерного излучения часто называют накачкой электрическим током. Существует также метод оптической накачки, когда атомы полупроводника возбуждаются квантами от мощного (не обязательно когерентного) излучателя.

Выходя из кристалла полупроводника когерентный свет, вследствие дифракции, рассеивается во все стороны. Поэтому для формирования узконаправленного пучка приходится применять собирающие линзы.

Диапазон длин волн, в котором возможно создание полупроводникового лазера охватывает большую часть видимого спектра, а также ближнюю и среднюю область инфракрасного диапазона.

Конечно, лазерный светодиод на сегодняшний день претерпел множество изменений и улучшений в своей конструкции, он уже представляет собой более сложную структуру, а не простой p-n-переход, но основной принцип его работы остался таким как описано выше.

Основными материалами, используемыми при производстве лазерных диодов, являются арсенид галлия GaAs, арсенид галлия алюминия AlGaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, нитрид галлия индия InGaN и другие.

Лазерные светодиоды или полупроводниковые лазеры находят широкое применение в самых различных областях. Они применяются в волоконно-оптических системах связи, в считывателях штрих-кода. В различных бытовых устройствах: компьютерных мышках, проигрывателях компакт дисков, проекторах, ну и, конечно, в лазерных указках.

Лазерные мощные светодиоды используются для накачки твердотельных лазеров, позволяя получать очень высокий КПД.

Еще одно применение – лазерная спектроскопия, где применение лазеров дало возможность использования принципиально новых методов исследования веществ. Лазеры незаменимы в научных исследованиях, активно внедряются в медицине, как для диагностических, так и для терапевтических целей.