Просмотр исходного текста страницы Лазерный диод

'''Лазерный диод''' — [[лазер]], в котором активной средой является [[электрон]]но-[[Дырка (квазичастица)|дырочный]] газ, а рабочей областью — [[полупроводник]]овый [[p-n переход]], аналогичный [[p-n переход]]у обычного [[светодиод]]а.
{| width="100%"
|valign=top|__TOC__
|valign=top|[[Изображение:800px-Diode laser.jpg|right|thumb|300px|Лазерный диод]]
|}

== Принцип действия ==
Когда на [[анод]] обычного [[диод]]а подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод ''смещён в прямом направлении''. При этом дырки из p-области [[инжекция|инжектируются]] в n-область [[p-n переход]]а, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно [[туннелирование]]), то они могут [[рекомбинация|рекомбинировать]] с выделением энергии в виде [[фотон]]а определённой [[длина волны|длины волны]] (в силу сохранения энергии) и [[фонон]]а (в силу сохранения ''импульса'', потому что импульс фотона мал). 
Такой процесс называется [[спонтанное излучение|спонтанным излучением]] и является основным источником излучения в [[светодиод]]ах.

Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной частоты (резонансной частоты), он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор [[поляризация|поляризации]] и [[фаза]] будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим [[волновод]]ом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла [[легирование|легируется]] для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый [[резонатор Фабри-Перро|резонатором Фабри-Перро]]. 
Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызвать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм [[вынужденное излучение|вынужденного излучения]]). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым ({{lang-en|«multi-mode»}}. Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). 
Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми [[дифракция|дифракцией]]. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в оптоволоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть могут излучать на разных длинах волн одновременно.

Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины [[Запрещённая зона|запрещённой зоны]] между энергетическими уровнями p- и n-областей [[полупроводник]]а.

В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, благодаря дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие [[линза (оптика)|линзы]]. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.

В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов — изменения силы тока, внешней температуры и т. 
д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

== Виды лазерных диодов ==
Конструкция лазерного диода, описанная выше, имеет название «Диод с n-p гомоструктурой», смысл которого станет понятен чуть позже. К сожалению, такие диоды крайне неэффективны. Они требуют такой большой входной мощности, что могут работать только в импульсном режиме; в противном случае они расплавляются. Несмотря на простоту конструкции и историческую значимость, на практике они не применяются.

=== Лазеры на двойной гетероструктуре ===
В этих устройствах, слой материала с более узкой [[запрещённая зона|запрещённой зоной]] располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют [[арсенид галлия]] (GaAs) и [[арсенид алюминия-галлия]] (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется [[гетероструктура|гетероструктурой]], а устройство — «диод с двойной гетероструктурой» (ДГС). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». <!-- double heterojunction laser тоже применяют --> Описанная в начале статьи конструкция называется «диод на гомопереходе» как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.

Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

=== Диод с квантовыми ямами ===
Если средний слой диода ДГС сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнет [[квантование|квантоваться]]. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение.

=== Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием ===
Основная проблема гетероструктурных лазеров с тонким слоем — невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура, напоминающая [[световод]], более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются ''гетероструктурами с раздельным удержанием'' («separate confinement heterostructure», SCH)

Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с [[1990|1990-го]] года, изготовлены по этой технологии.

=== Лазеры с распределённой обратной связью ===
Лазеры с распределённой [[обратная связь|обратной связью]] (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной оптоволоконной связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n перехода создаётся поперечная насечка, образующая [[дифракционная решётка|дифракционную решётку]]. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. 
Такие лазеры — основа современных оптических телекоммуникационных систем.

=== VCSEL ===
[[VCSEL]] — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

=== VECSEL ===
[[VECSEL]] — небольшой настраиваемый полупроводниковый лазер, аналогичный VCSEL.

== Применение лазерных диодов ==
Лазерные диоды — важные [[электронный компонент|электронные компоненты]]. Они находят широкое применение как управляемые источники света в оптоволоконных линиях связи. Также, они используются в различном измерительном оборудовании, например [[лазерный дальномер|лазерных дальномерах]]. Другое распространённое применение — считывание [[штрих-код]]ов. Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зелёные — в [[лазерный целеуказатель|целеуказателях]]. Инфракрасные и красные лазеры — в проигрывателях [[компакт-диск|CD-]] и [[DVD]]-дисков. Синие лазеры — в выходящих в настоящее время на рынок устройствах [[HD-DVD]] и [[Blu-Ray]]. 
Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для [[спектроскопия|спектроскопии]].

До момента разработки надёжных полупроводниковых лазеров, в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие [[гелий-неоновый лазер|гелий-неоновые лазеры]].
== См. также ==
* [[Светоизлучающий диод]] ([[БСЭ]])
* [[Расчёт спектров лазерных диодов]]
* [[Коллиматор]]
* [[Суперлюминесцентный диод]]

== Ссылки ==
* [http://nobelprize.org/physics/laureates/2000/alferov-lecture.pdf Нобелевская лекция Ж. И. Алфёрова]
* [http://data.ufn.ru//ufn69/ufn69_6/Russian/r696c.pdf М. Пилкун Инжекционные лазеры]

[[Категория:Лазеры]]
[[Категория:Оптоэлектроника]]
[[Категория:Полупроводниковые диоды]]
{{Википедия2|http://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%B0%D0%B7%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B4%D0%B8%D0%BE%D0%B4|Лазерный диод}}
<!--

[[ca:Díode làser]]
[[da:Laserdiode]]
[[de:Laserdiode]]
[[en:Laser diode]]
[[es:Diodo láser]]
[[fr:Diode laser]]
[[id:Dioda laser]]
[[ja:半導体レーザー]]
[[uk:Лазерний діод]]
[[vi:Diod laser]]
[[zh:半导体激光器]]
-->