Напівпровідникові лазери є квантовимигенераторами на основі напівпровідникової активної середовища, в якій оптичне посилення створюється вимушеним випромінюванням при квантовому переході між енергетичними рівнями при великій концентрації носіїв заряду у вільній зоні.
У звичайному стані більшість електроніврозташоване на рівні валентності. При підведенні фотонами енергії, що перевищує енергію зони розриву, електрони напівпровідника приходять у стан збудження і, подолавши заборонену зону, переходять у вільну зону, концентруючись у її нижнього краю. Одночасно дірки, що утворилися на валентном рівні, піднімаються до її верхньої межі. Електрони в вільній зоні рекомбинируют з дірками, випромінюючи енергію, рівну енергії зони розриву, у вигляді фотонів. Рекомбінація може бути посилена фотонами з достатнім рівнем енергії. Чисельне опис відповідає функції розподілу Фермі.
Устройство полупроводникового лазера представляет собою лазерний діод, що накачується енергією електронів і дірок в зоні р-n-переходу - місці зіткнення напівпровідників з провідністю p- і n-типу. Крім того, існують лазери напівпровідникові з оптичним підведенням енергії, в яких пучок формується при поглинанні фотонів світла, а також квантові каскадні лазери, робота яких заснована на переходах всередині зон.
Стандартні з'єднання, використовувані як в напівпровідникових лазерах, так і в інших оптоелектронних пристроях, такі:
Ці сполуки - прямозоні напівпровідники. Непрямозонних (кремній) світла з достатньою силою і ефективністю не випромінюють. Довжина хвилі випромінювання діодного лазера залежить від ступеня наближення енергії фотона до енергії зони розриву конкретного з'єднання. В 3- і 4-компонентних з'єднаннях напівпровідників енергія зони розриву може безперервно змінюватися в широкому діапазоні. У AlGaAs = AlзGa1-хAs, наприклад, збільшення вміст алюмінію (збільшення х) має наслідком зростання енергії зони розриву.
У той час як найбільш поширенінапівпровідникові лазери працюють в ближній ІЧ частини спектру, деякі випромінюють червоний (фосфід галій-індію), синій чи фіолетовий (нітрид галію) кольору. Середнє інфрачервоне випромінювання створюють лазери напівпровідникові (селенід свинцю) і квантові каскадні лазери.
Крім вищезгаданих неорганічних сполук,можуть застосовуватися й органічні. Відповідна технологія все ще перебуває в стадії розробки, але її розвиток обіцяє значно здешевити виробництво квантових генераторів. Поки лише розроблені органічні лазери з оптичним підведенням енергії, а високоефективна електрична накачування ще не досягнута.
Створено безліч напівпровідникових лазерів, що відрізняються параметрами і прикладним значенням.
Малі лазерні діоди виробляють якіснийпучок торцевого випромінювання, потужність якого коливається від декількох до п'ятисот милливатт. Кристал лазерного діода є тонкою пластинку прямокутної форми, яка служить волноводом, так як випромінювання обмежене невеликим простором. Кристал легується з двох сторін для створення p-n-переходу великої площі. Поліровані торці створюють оптичний резонатор Фабрі - Перо. Фотон, проходячи через резонатор, викличе рекомбінацію, випромінювання буде зростати, і почнеться генерація. Застосовуються в лазерних покажчиках, CD- і DVD-програвачах, а також в оптоволоконного зв'язку.
Малопотужні монолітні лазери і квантові генератори із зовнішнім резонатором для формування коротких імпульсів можуть робити синхронізацію мод.
Лазери напівпровідникові із зовнішнім резонаторомскладаються з лазера-діода, що грає роль підсилює середовища в складі більшого лазер-резонатора. Здатні змінювати довжини хвиль і мають вузьку смугу випромінювання.
Інжекційні напівпровідникові лазери маютьобласть випромінювання у вигляді широкої смуги, можуть генерувати пучок низької якості потужністю кілька ват. Складаються з тонкого активного шару, розташованого між p- і n-шаром, утворюючи подвійний гетероперехід. Механізм утримання світла в бічному напрямку відсутній, що має наслідком високу еліптичності пучка і неприйнятно високі порогові струми.
Потужні діодні лінійки, що складаються з масиву широкосмугових діодів, здатні виробляти промінь посередньої якості потужністю в десятки ватт.
Потужні двовимірні масиви діодів можуть генерувати потужність в сотні і тисячі ватт.
Поверхнево-випромінюючі лазери (VCSEL) випускаютьякісний пучок світла потужністю в кілька милливатт перпендикулярно до пластини. На поверхні випромінювання наносять дзеркала резонатора у вигляді шарів в ¼ дини хвилі з різними показниками заломлення. На одному кристалі можна виготовити кілька сотень лазерів, що відкриває можливість їх масового виробництва.
Лазери VECSEL c оптичним підведенням енергії і зовнішнім резонатором здатні генерувати пучок хорошої якості потужністю в кілька ват при синхронізації мод.
Робота напівпровідникового лазераквантово-каскадного типу заснована на переходах всередині зон (на відміну від междузонних). Ці пристрої випромінюють в середній області інфрачервоній частині спектра, іноді в терагерцевому діапазоні. Їх використовують, наприклад, в якості газоаналізаторів.
Потужні діодні лазери з високоефективної електричної накачуванням при помірних напругах використовуються в якості засобів підведення енергії високоефективних твердотільних лазерів.
Напівпровідникові лазери можуть працювати в великомудіапазоні частот, який включає видиму, ближню інфрачервону і середню інфрачервону частину спектру. Створені пристрої, що дозволяють також змінювати частоту іздученія.
Лазерні діоди можуть швидко перемикати і модулювати оптичну потужність, що знаходить застосування в передавачах оптоволоконних ліній зв'язку.
Такі характеристики зробили лазери напівпровідникові технологічно найбільш важливим типом квантових генераторів. Вони застосовуються:
Більшість напівпровідникових лазерів генеруєбезперервний пучок. Через короткої тривалості перебування електронів на рівні провідності вони не дуже підходять для генерації імпульсів з модуляцією добротності, але квазінепереривних режим роботи дозволяє значно підвищити потужність квантового генератора. Крім того, напівпровідникові лазери можуть бути використані для формування надкоротких імпульсів з синхронізацією мод або перемиканням коефіцієнта посилення. Середня потужність коротких імпульсів, як правило, обмежується декількома мілівата, за винятком VECSEL-лазерів з оптичним накачуванням, вихід яких вимірюється многоваттнимі пикосекундной імпульсами частотою в десятки гігагерц.
Перевагою короткочасного перебуванняелектрона в зоні провідності є здатність напівпровідникових лазерів до високочастотного модулювання, яке у VCSEL-лазерів перевищує 10 ГГц. Це знайшло застосування в оптичній передачі даних, спектроскопії, стабілізації лазерів.
