LASERY PÓŁPRZEWODNIKOWE

Laser półprzewodnikowy – nazywany również laserem diodowym lub diodą laserową - laser, którego obszarem czynnym jest półprzewodnik. Najczęściej laser półprzewodnikowy ma postać złącza p-n w którym obszar czynny jest pompowany przez przepływający przez złącze prąd elektryczny. Są to najbardziej perspektywiczne lasery z punktu widzenia ich zastosowań w fotonice ze względu na małe wymiary, dość wysokie moce, łatwość modulacji prądem sterującym o wysokiej częstotliwości (rzędu gigaherców) i możliwość uzyskania promieniowania od pasma bliskiej podczerwieni (diody laserowe dla telekomunikacji światłowodowej) do skraju fioletowego pasma widzialnego.

Laser ten jest wielowarstwową strukturą półprzewodników typu n (nadmiar elektronów w paśmie przewodnictwa) i p (więcej dziur w paśmie walencyjnym). Przejście elektronu do pasma przewodzenia na skutek zasilania prądem (pompowanie) połączone jest z odwrotnym procesem spontanicznym, zwanym rekombinacją promienistą. Proces ten prowadzi do uwolnienia fotonu. Przy dostatecznie dużym prądzie może powstać inwersja obsadzeń, pozwalająca wywołać akcję laserową.

Do wad tych laserów należy zaliczyć szersze widmo promieniowania w porównaniu np. z laserem He-Ne i silny wpływ zmiany temperatury na moc wiązki i długość generowanej fali. Wady te można wyeliminować (a co najmniej, istotnie ograniczyć) stosując odpowiednio rozbudowany układ zasilający z ujemnym sprzężeniem zwrotnym.

Lasery półprzewodnikowe są źródłami promieniowania spójnego, w których funkcję ośrodka czynnego pełni półprzewodnik.

Można je podzielić na dwie grupy:

• półprzewodnikowe lasery złączowe ( diodowe)

• półprzewodnikowe lasery bezzłączowe- wykonane z jednorodnego materiału.

W półprzewodnikowym laserze złączowym proces emisji promieniowania jest zlokalizowany w obszarze przylegającym do złącza diody półprzewodnikowej. Aby nastąpiła akcja laserowa, podobnie jak w innych laserach muszą nastąpić odpowiednie warunki, wynikające przede wszystkim ze struktury poziomów energetycznych. W półprzewodnikach rozpatruje się stany energetyczne półprzewodnika jako całości, a nie poziomy poszczególnych atomów. Inwersja obsadzeń odbywa się nie w całej objętości ośrodka czynnego, ale w ścisłym otoczeniu złącza.

Lasery półprzewodnikowe.

Pierwsze lasery półprzewodnikowe uruchomiono na krysztale arsenku galu w 1962 roku. Od tego czasu liczba półprzewodników, których można doprowadzić do emisji promieniowania laserowego, uległa zwielokrotnieniu.

Lasery półprzewodnikowe coraz częściej stosuje się w technice cywilnej i wojskowej, ze względu na ich zalety:

• Proste przekształcenia energii prądu elektrycznego w promieniowanie laserowe,

• Łatwość modulacji promieniowania w szerokim paśmie częstotliwości,

• Wysoka sprawność energetyczna,

• Małe wymiary,

• Prosta konstrukcja,

• Stabilność generowanej częstotliwości.

• Niewielki koszt kupna

Zasada działania lasera półprzewodnikowego.

Działanie lasera półprzewodnikowego jest odwróceniem działania fotodiody półprzewodnikowej. W obszarze złącza między półprzewodnikami o nadmiarze dziur (typu p), a półprzewodnikiem o przewadze elektronów (typu n) powinny wystąpić warunki niezbędne do generacji promieniowania koherentnego, czyli:

Wyższy metastabilny plan energetyczny z dużym prawdopodobieństwem emisji fotonu podczas powrotu do stanu niższego.

Inwersja obsadzeń między poziomami,

Rezonator optyczny, gdyż jest on niezbędny do generacji światła spójnego.

Warunek pierwszy jest spełnione przez wszystkie materiały półprzewodnikowe, gdyż istnieje w nich pasmo przewodnictwa, będące wyższym stanem energetycznym. Przenoszone do tego pasma elektrony będą wracać do pasma podstawowego z dużym prawdopodobieństwem emisji fotonu. Duże gęstości prądu elektrycznego mogą wywołać inwersję obsadzeń i jest to drugi warunek. Trzeci warunek również może być spełniony, dzięki łatwości łupania kryształów na równoległe płytki. Powierzchnie tych płytek mogą stanowić zwierciadła rezonatora.

Źródłem pobudzającym laser półprzewodnikowy jest płynący prąd, kiedy to dziury i elektrony są wstrzykiwane do obszaru złącza, zaburzając równowagę elektronów i dziur. Istnienie rezonatora umożliwia proces lawinowego narastania drgań koherentnych wymuszonych przez jakiś jeden foton inicjujący.

Rys. 13. Konstrukcja lasera półprzewodnikowego.

Laser półprzewodnikowy czyli dioda laserowa działa podobnie jak diody świecące LED (skrót od angielskiego light emitting diode). LED zamieniają energię elektryczną na światło widzialne lub promieniowanie podczerwone. Źródłem światła jest złącze półprzewodnikowe n-p. Światło powstaje w wyniku tego, że elektrony w paśmie przewodnictwa są pobudzane do rekombinacji z dziurami w paśmie walencyjnym. Gdy zachodzi to zjawisko, elektrony oddają energię odpowiadającą przerwie wzbronionej i następuje świecenie. Do tych celów przydatne są takie materiały jak arsenek galu lub azotek galu, a obecnie częściej cienkie warstwy półprzewodników. Diody LED wysyłają światło niespójne i nie do końca monochromatyczne. Aby powstał laser należy tak uformować układ aby powstał rezonator optyczny. Gdy do złącza będą wstrzykiwane duże ładunki to może w nim powstać proces laserowy i w wyniku wymuszonych przejść z pasma przewodnictwa do walencyjnego generuje się spójna wiązka światła. Zwierciadłami lasera mogą być krawędzie kryształu. Lasery półprzewodnikowe mogą być miniaturowe i nie przekraczają długości 1 mm. Nie jest to na ogól jednak wiązka skupiona i o stosunkowo małej mocy.
Omówimy obecnie budowę najprostszego lasera półprzewodnikowego dostępnego w sklepach elektrycznych.
Średnica soczewki (około 5 mm) określa maksymalną średnicę skolimowanej wiązki. Dioda ma ustalone położenie, położenie soczewki może być regulowane przez zmianę położenia wkręcanej przesłony kołowej (przesłona ta ogranicza również średnicę wiązki do około 2,5-3 mm). Zewnętrzna, wymienna nasadka służy do wyświetlania rozmaitych rysunków. Działa na zasadzie siatki dyfrakcyjnej (kwadratowa sieć jednakowych symboli graficznych). Podstawowym elementem konstrukcyjnym lasera jest metalowy korpus, w którym umocowana jest płytka drukowana z diodą laserową, a z przedniej strony wkręcona jest przesłona kołowa i nakręcona wymienna nasadka. We wnętrzu korpusu umieszczona jest soczewka (dociskana do przesłony kołowej za pomocą sprężyny). Korpus umocowany jest na wcisk w aluminiowej rurce stanowiącej obudowę zewnętrzną. Dioda jest zasilana napięciem 4,5 V z trzech baterii pastylkowych przez sprężynę kontaktową, niestabilny mikrowyłącznik i rezystor.

Istnieje wiele innych rodzajów laserów takich jak: jonowe, molekularne, barwnikowe, chemiczne, których tutaj nie omawiamy.