Введение
Диодный лазер (полупроводниковый лазер) — это компактный и эффективный источник когерентного излучения, широко применяемый в телекоммуникациях, медицине, промышленности и бытовой электронике. Его работа основана на явлении вынужденного излучения в полупроводниковом p-n-переходе.
1. Устройство диодного лазера
Основные компоненты диодного лазера:
- Активная среда — полупроводниковый кристалл (обычно арсенид галлия GaAs, фосфид индия InP или нитрид галлия GaN).
- P-n-переход — область, где происходит рекомбинация электронов и дырок с излучением фотонов.
- Оптический резонатор — формируется зеркальными гранями кристалла или внешними зеркалами для усиления света.
- Источник энергии — электрический ток, инжектирующий носители заряда в активную зону.
2. Физические принципы работы
2.1. Инверсия населённостей
Для генерации лазерного излучения необходимо создать инверсию населённостей — состояние, при котором количество электронов на высоком энергетическом уровне превышает их количество на низком. В полупроводниковом лазере это достигается за счёт:
- Инжекции носителей — при пропускании тока через p-n-переход электроны и дырки рекомбинируют, выделяя фотоны.
- Использования гетероструктур — слои с разной шириной запрещённой зоны (например, в лазерах на квантовых ямах) повышают эффективность.
2.2. Вынужденное излучение
Когда фотон с энергией, равной разности уровней, проходит через активную среду, он вызывает вынужденное излучение — процесс, при котором возбуждённый электрон переходит на нижний уровень, испуская идентичный фотон. Это приводит к когерентному усилению света.
2.3. Оптический резонатор
Для формирования лазерного луча используются:
- Торцевые зеркала — естественные грани кристалла (коэффициент отражения ~30%).
- Дифракционные решётки (в DFB- и DBR-лазерах) для селекции длины волны.
Фотоны многократно отражаются, усиливаясь, пока не достигнут порога генерации и не выйдут через полупрозрачное зеркало в виде лазерного луча.
3. Режимы работы
- Непрерывный (CW) — постоянный ток обеспечивает стабильное излучение.
- Импульсный — короткие мощные импульсы (используется в лазерной дальнометрии, медицине).
4. Преимущества диодных лазеров
- Высокий КПД (до 50%).
- Компактность и долгий срок службы.
- Широкий диапазон длин волн (от УФ до ИК).
- Простота модуляции (важно для оптоволоконной связи).
5. Применение
- Телекоммуникации — передача данных по оптоволокну.
- Медицина — лазерная хирургия, косметология.
- Потребительская электроника — DVD/Blu-ray, лазерные указки.
Заключение
Диодные лазеры сочетают высокую эффективность, надёжность и миниатюрность, что делает их ключевым элементом современных оптических технологий. Их работа основана на инжекционной накачке, вынужденном излучении и оптической обратной связи, что позволяет получать мощное когерентное излучение с точной длиной волны.