Полупроводниковите лазери са квантовигенератори на базата на полупроводникова активна среда, в която оптичното усилване се генерира чрез стимулирана емисия по време на квантов преход между енергийни нива при висока концентрация на носители на заряд в свободната зона.
В нормално състояние повечето електрониразположени на ниво валентност. Когато фотоните доставят енергия, надвишаваща енергията на зоната на прекъсване, полупроводниковите електрони влизат в състояние на възбуждане и, преодолявайки забранената зона, преминават в свободната зона, концентрирайки се в долния й ръб. В същото време дупките, образувани на нивото на валентност, се издигат до горната му граница. Електроните в свободната зона се комбинират с дупки, излъчвайки енергия, равна на енергията на зоната на прекъсване, под формата на фотони. Рекомбинацията може да бъде засилена от фотони с достатъчно ниво на енергия. Числовото описание съответства на функцията на разпределение на Fermi.
Полупроводниковото лазерно устройство представляваТова е лазерен диод, изпомпван от енергията на електрони и дупки в зоната на pn-кръстовището - мястото, където полупроводниците влизат в контакт с p- и n-тип проводимост. Освен това има полупроводникови лазери с оптично захранване, в които се образува лъч при поглъщане на светлинните фотони, както и квантови каскадни лазери, чието действие се основава на преходи вътре в лентите.
Стандартните съединения, използвани както в полупроводникови лазери, така и в други оптоелектронни устройства, са както следва:
Тези съединения са полупроводници с директна междина. Индиректна светлина (силиций) светлина с достатъчна здравина и ефективност не излъчва. Дължината на вълната на диодното лазерно излъчване зависи от степента на сближаване на енергията на фотоните с енергията на зоната на прекъсване на определена връзка. В 3- и 4-компонентните полупроводникови съединения енергията на зоната на процепа може непрекъснато да варира в широк диапазон. AlGaAs = AlсGa1-xКакто например увеличаването на съдържанието на алуминий (увеличаване на х) води до увеличаване на енергията на зоната на разкъсване.
Докато най-често срещанитеПолупроводниковите лазери работят в почти IR частта на спектъра, някои излъчват червени (галий-индий фосфид), сини или виолетови (галиев нитрид) цветове. Средно инфрачервено лъчение се произвежда от полупроводникови лазери (оловен селенид) и квантови каскадни лазери.
Освен гореспоменатите неорганични съединения,могат да се използват и органични. Съответната технология все още се разработва, но нейното разработване обещава значително намаляване на производствените разходи за квантови генератори. Досега са разработени само органични лазери с оптично захранване и все още не е постигната високоефективна електрическа помпа.
Създадени са много полупроводникови лазери, които се различават по параметри и приложна стойност.
Малките лазерни диоди произвеждат качестволъч на радиационно лъчение, чиято мощност варира от няколко до петстотин миливата. Лазерният диоден кристал е тънка правоъгълна плоча, която служи като вълновод, тъй като лъчението е ограничено от малко пространство. Кристалът е легиран от двете страни, за да се създаде голям pn кръстовище. Полираните краища създават оптичен резонатор на Фабри-Перо. Фотон, преминаващ през резонатора, ще предизвика рекомбинация, излъчването ще се увеличи и ще започне генерирането. Използва се в лазерни указатели, CD и DVD плейъри и оптични комуникации.
Монолитните лазери с малка мощност и квантовите генератори с външен резонатор за генериране на къси импулси могат да доведат до заключване на режима.
Полупроводникови лазери с външен резонаторсе състоят от лазерен диод, който играе ролята на усилваща среда в по-голяма лазерна кухина. Те са способни да променят дължините на вълните и имат тесен обхват на излъчване.
Инжекционни полупроводникови лазери иматзоната на излъчване под формата на широка лента може да генерира нискокачествен лъч с мощност от няколко вата Те се състоят от тънък активен слой, разположен между p- и n-слоевете, образувайки двойна хетеросъединение. Няма механизъм за ограничаване на светлината в странична посока, което води до елиптичност на дългите лъчи и неприемливо високи прагови токове.
Мощните диодни редици, състоящи се от масив широколентови диоди, са способни да произвеждат лъч с посредствено качество с мощност от десетки ватове.
Мощните 2D диодни решетки могат да генерират стотици и хиляди вата мощност.
Повърхностно излъчващи лазери (VCSEL) излъчватвисококачествен лъч светлина с мощност от няколко миливата перпендикулярно на плочата. На повърхността на лъчението резонаторните огледала се прилагат под формата на слоеве с ¼ дължини на вълната с различни показатели на пречупване. Няколкостотин лазера могат да бъдат произведени върху един кристал, което отваря възможността за масовото им производство.
Лазерите VECSEL с оптично захранване и външна кухина са способни да генерират лъч с добро качество с мощност от няколко вата с блокиране в режим.
Полупроводникова лазерна работаквантовият каскаден тип се основава на преходи в рамките на ленти (за разлика от междулентовите). Тези устройства излъчват в средната инфрачервена област на спектъра, понякога в терагерцовия диапазон. Те се използват например като газови анализатори.
Мощните диодни лазери с високоефективна електрическа помпа при умерено напрежение се използват като средство за подаване на енергия към високоефективни лазери в твърдо състояние.
Полупроводниковите лазери могат да работят в големи размеричестотен диапазон, който включва видимите, близки инфрачервени и средни инфрачервени части от спектъра. Създадени са устройства, които също дават възможност за промяна на честотата на публикуване.
Лазерните диоди могат бързо да превключват и модулират оптичната мощност, което намира приложение в оптичните предаватели.
Тези характеристики направиха полупроводниковите лазери технологично най-важният тип квантови генератори. Те се прилагат:
Повечето полупроводникови лазери генериратнепрекъснат лъч. Поради краткото време на престой на електроните на ниво на проводимост, те не са много подходящи за генериране на импулси с Q-превключване, но квазинепрекъснатият режим на работа може значително да увеличи мощността на квантовия генератор. В допълнение, полупроводниковите лазери могат да се използват за генериране на ултракоротки импулси с блокиране на режима или превключване на печалбата. Средната мощност на късите импулси обикновено е ограничена до няколко миливата, с изключение на оптично изпомпваните VECSEL лазери, чиято мощност се измерва в много ватови пикосекундни импулси с честота от десетки гигагерци.
Предимството на краткия престойелектронът в проводимата лента е способността на полупроводниковите лазери към високочестотна модулация, която при VCSEL лазерите надвишава 10 GHz. Това намери приложение в оптичното предаване на данни, спектроскопията и лазерната стабилизация.
