Лазерний діод

Лазерний діод — лазер, в якому активним середовищем є електронно-дірковий газ, а робочою областю напівпровідниковий p-n перехід, аналогічний p-n переходу звичайного світлодіода.

Для випромінювання кванту світла, електрон повинен перейти з більш високого енергетичного стану у більш низький. Надлишок енергії при такому переході і випромінюється у вигляді кванту світла (фотону).

Випромінювальні квантові переходи можуть відбуватися спонтанно та вимушено. Накачування матеріалу - дірки з p-області інжектуються в n-область p-n переходу, а електрони з n-області інжектуються в p-область. Спонтанне випромінювання: електрон і дірка виявляються на відстані, коли можливо тунелювання, вони можуть рекомбінувати з виділенням енергії у вигляді фотона певної довжини хвилі і фонона (через збереження імпульсу). Не є когерентним.

Вимушені переходи відбуваються під дією зовнішнього поля певної частоти, що відповідає частоті випромінювання, що збуджується. Фотони, які випромінюються, мають ту ж саму частоту, поляризацію та фазу, що і фотони стимулюючого випромінювання; співпадають і напрями їх розповсюдження. Є когерентним.

Напівпровідниковий кристал виготовляють у вигляді дуже тонкої прямокутної пластинки. По суті є оптичним хвилеводом. Верхній шар кристала легується для створення p-області, а в нижньому шарі створюють n-область = плоский p-n перехід великої площі. Торці кристала поліруються для утворення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор Фабрі-Перо.

Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.

Загальна схема напівпровідникового лазера.

Нижньою межею кута розбіжності служить дифракційний кут, який зумовлений хвилевою природою світла та не залежить від джерела випромінювання. Ширина активного шару лазерного діоду здебільшого складає десятки або сотні мікрон, тому кут розбіжності випромінювання в площині p-n переходу на один-два порядки менша, ніж в площині, перпендикулярній до неї. Для високоякісних лазерних діодів, що працюють в одномодовому режимі, кут розбіжності випромінювання в площині p-n переходу порядку 1^о. При багатомодовій генерації, промінь стає широким і в цій площині. В площині, перпендикулярній до площини p-n переходу, кут розбіжності складає 10^о і більше. (загалом 1-5°; 10-35°).

Інжекційні лазери за своїми розмірам близькі до точкових джерел світла. Тому кут розбіжності лазерного пучка з допомогою оптичних систем можна різко зменшити або сфокусувати промінь на малу площадку (циліндричні лінзи).

При струмі, що менший за порогове значення, лише спонтанне випромінювання. (Світлодіод) Вихідна потужність зазвичай не перевищує 5 мкВт/мА. Спектральна характеристика є досить широкою. Як тільки струм інжекції перевищує пороговий, то працює як лазер. Потужність різко зростає зі збільшенням струму. Типове значення струму, при якому у приладі виникає лазерний ефект знаходиться в інтервалі 50...150 мА.

Ват-амперна характеристика напівпровідникового лазера

Напівпровідникові лазери повинні підключатися до генератору струму, а не до генератора напруги. На генераторі струму можна задати певну величину струму, і вона буде незмінною при зміні опору навантаження.