Лазерний світлодіод

Лазерний світлодіод принципово відрізняється від звичайного наявністю вбудованого світлодіода резонатора, який дозволяє отримати індуковане випромінювання високої міри когерентності (узгодженості між фазами оптичних коливань).

В напівпровідниковому лазері випромінювання викликається вимушеної рекомбінацією. Це дає можливість керувати випромінюванням за допомогою електромагнітних хвиль і генерувати когерентний потік світла.

Розберемося: як це працює?

Уявімо собі плоский p-n-перехід, зміщений у прямому напрямку (малюнок 1). В цьому випадку відбувається інжекція дірок в область n і навпаки – електронів в область p. Під час цього переходу в граничній (активної) області може статися рекомбінація, яка буде супроводжуватися випусканням кванта. Таке випромінювання називається спонтанним. На основі спонтанного випромінювання працюють звичайні світлодіоди. Якщо ж електрон і дірка знаходяться на близькій відстані в активній зоні і через цю область пройде квант світла певної (резонансної) частоти, то рекомбінація відбудеться вимушено. При цьому виділиться ще один квант світла, з такими ж параметрами, як і квант, викликав рекомбінацію. Для того щоб збільшити вимушену рекомбінацію торці напівпровідникового кристала паралельними і поліруються (на малюнку 1 вони позначені як «оптично рівна межа»). Таким чином, створюється так званий оптичний резонатор. Кванти, багаторазово відбиваючись від полірованих поверхонь, літають уздовж переходу, провокуючи процеси вимушеної рекомбінації. Зрештою, вони виходять назовні у напрямку строго перпендикулярно оптично рівним гранях. Коли кількість квантів з’явилися в результаті такої стимуляції значно перевищить кількість з’явилися спонтанно – почнеться лазерна генерація.

e043a67a5431c0b635fc0973b1fa6b66 Лазерний світлодіод

Малюнок 1

Інтенсивність випромінювання залежить від сили струму, що протікає через p-n-перехід. При малих струмах лазер працює, як малоефективний звичайний світлодіод, оскільки відбуваються тільки спонтанні випромінювання. Коли струм перевищує деяке граничне значення – випромінювання стає вимушеним і його потужність різко зростає. Цей спосіб стимуляції лазерного випромінювання часто називають накачуванням електричним струмом. Існує також метод оптичного накачування, коли атоми напівпровідника порушуються квантами від потужного (не обов’язково когерентного) випромінювача.

Виходячи з кристалу напівпровідника когерентний світло, внаслідок дифракції, розсіюється у всі сторони. Тому для формування вузьконаправленого пучка доводиться застосовувати збираючі лінзи.

Діапазон довжин хвиль, в якому можливе створення напівпровідникового лазера охоплює більшу частину видимого спектру, а також ближню і середню область інфрачервоного діапазону.

Звичайно, лазерний світлодіод на сьогоднішній день зазнав безліч змін і поліпшень в своїй конструкції, він вже являє собою більш складну структуру, а не простий p-n-перехід, але основний принцип його роботи залишився таким як описано вище.

Основними матеріалами, які використовуються при виробництві лазерних діодів, є арсенід галію GaAs, арсенід галію алюмінію AlGaAs, фосфід галію GaP, нітрид галію GaN, нітрид галію індія InGaN та інші.

3f6afc0556f7329da3aaecfdc112c9e1 Лазерний світлодіод

Малюнок 2

Лазерні світлодіоди або напівпровідникові лазери знаходять широке застосування в самих різних областях. Вони застосовуються у волоконно-оптичних системах зв’язку, в считывателях штрих-коду. У різних побутових пристроях: комп’ютерних мишок, програвачах компакт дисків, проекторах, ну і, звичайно, в лазерних указках.

Лазерні потужні світлодіоди використовуються для накачування твердотільних лазерів, дозволяючи отримувати дуже високий ККД.

Ще одне застосування – лазерна спектроскопія, де застосування лазерів дало можливість використання принципово нових методів дослідження речовин. Лазери незамінні в наукових дослідженнях, активно впроваджуються в медицині, як для діагностичних, так і для терапевтичних цілей.