Диодный лазер

Диодный лазер — это тип твердотельного лазера, в котором в качестве активной среды используется полупроводниковый p-n-переход (или гетероструктура), а накачка осуществляется электрическим током. Относится к классу инжекционных лазеров и является одним из наиболее распространённых и компактных источников когерентного излучения, применяемых в науке, технике, медицине и быту.

История

Идея создания лазера на полупроводниковом переходе была высказана в 1957 году Николаем Басовым и независимо — в 1961 году Робертом Холлом. Первый работающий полупроводниковый лазер был продемонстрирован в 1962 году группой под руководством Роберта Холла в США (лаборатории General Electric). Он работал на основе гомоперехода из арсенида галлия (GaAs) в импульсном режиме при температуре жидкого азота (77 К).

Значительный прогресс произошёл в 1970 году, когда Жорес Алферов и его команда в СССР разработали технологию двойной гетероструктуры (позже Нобелевская премия 2000 года за полупроводниковые гетероструктуры). Это позволило снизить пороговый ток и обеспечить непрерывную генерацию при комнатной температуре. С 1970-х годов началось массовое производство диодных лазеров, а к 1990-м годам они стали доступны в компактных корпусах для лазерных указок и считывателей штрих-кодов. Развитие технологий тонкоплёночных эпитаксий (MOCVD и MBE) во второй половине XX века позволило создавать диодные лазеры в широком диапазоне длин волн — от ближнего ультрафиолета (405 нм) до среднего инфракрасного (до 20 мкм).

Устройство и принцип действия

Основные элементы

Диодный лазер состоит из:

1. Полупроводниковой структуры на основе p-n-перехода или гетероперехода. Обычный материал — арсенид галлия (GaAs), фосфид индия (InP), нитрид галлия (GaN) и твёрдые растворы на их основе.
2. Обкладок — контактов для инжекции носителей заряда (электронов и дырок).
3. Резонатора Фабри — Перо — торцевые сколы кристалла, образующие два параллельных зеркала (часто одно из них имеет более высокий коэффициент отражения, другое — частично пропускающее).
4. Корпуса с теплоотводом (для пассивного или активного охлаждения), а также коллимирующей оптикой (линзы или волноводы) для фокусировки излучения.

Принцип генерации

При подаче прямого напряжения на p-n-переход из области p в область n идёт инжекция дырок, а из n-области — электронов. В активной зоне (вблизи гетероперехода) происходит их рекомбинация: электрон переходит из зоны проводимости в валентную зону, излучая фотон с энергией, равной ширине запрещённой зоны полупроводника. Если выполнены условия:

• оптическое усиление (больше носителей в зоне проводимости, чем в валентной — инверсия населённостей);
• обратная связь (резонатор отражает фотоны),

возникает лазерная генерация: фотоны, испущенные при рекомбинации, стимулируют последующие переходы, создавая когерентное излучение.

В отличие от газовых или твёрдотельных лазеров, накачка в диодном происходит электрическим током, что позволяет достигать эффективности преобразования электрической энергии в оптическое излучение до 50–70 % (так называемый квантовый выход). КПД значительно выше, чем у других типов лазеров (0.1–5 %).

Классификация и виды

Диодные лазеры классифицируют по нескольким признакам.

По мощности

• Маломощные (до 10 мВт): используются в лазерных указках, считывателях штрих-кодов, оптической записи (CD/DVD).
• Средней мощности (от 10 мВт до 10 Вт): применяются в лазерных принтерах, медицинской косметологии, волоконно-оптической связи, лазерной подсветке.
• Мощные (от 10 Вт до сотен ватт) — обычно в виде лазерных диодных линеек или массивов: для твердотельной накачки друлис (Nd:YAG, иттербиевых лазеров), промышленной резки и сварки металлов, лазерной закалки, военных применений (ослепление, наведение).

По длине волны

• Фиолетовый/синий (405–460 нм): нитрид галлия (GaN) — Blu-ray диски, микроскопия, фотолитография.
• Красный (635–690 нм): алюмогаллий-арсенид (AlGaAs) — лазерные указки, сканеры, проекторы.
• Ближний инфракрасный (780–980 нм): GaAs/InGaAs — связь (CD, DVD), принтеры, хирургия, накачка волоконных усилителей (Er-легированных, Yb-легированных).
• Инфракрасный (1.3–1.55 мкм): InGaAsP — телекоммуникационные волоконно-оптические системы (SOA, EDFA).
• Средний и дальний ИК (2–20 мкм): квантово-каскадные лазеры (QCL) на основе InP или GaSb — спектроскопия, анализ газов, метрология.

По структуре

• Одиночный диод — одно излучающее полосковое окно (одна мода).
• Полосковые диоды с узким полоском (single-mode, одномодовые).
• Многоэмиттерные линейки (bar arrays, до нескольких десятков эмиттеров на одной подложке) — высокая мощность, многомодовое излучение (poor spatial coherence).

По типу резонатора

• Фабри — Перо — простейший, торцевые сколы; широкая спектральная полоса (2–10 нм).
• Распределённая обратная связь (DFB) — периодическая решётка (Bragg grating) внутри активного слоя; узкая линия (<0.1 нм), стабильность по температуре.
• Распределённый брэгговский отражатель (DBR) — решётка вне активной области, на одном из концов.

По режиму работы

• Непрерывный (CW-режим): лазер горит постоянно.
• Импульсный: модуляция тока (квантовые режимы, наносекундные пиксеки — до пиковой мощности в сотни ватт от импульсных массивов).

Применение

Диодные лазеры нашли широчайшее применение благодаря малому размеру, высокой эффективности, дешевизне и надёжности.

Промышленность и техника

• Оптическая связь: в волоконно-оптических линиях связи (DWDM, дата-центры) диодные лазеры генерируют сигналы в окнах прозрачности кварцевого волокна (1310 нм, 1550 нм). Скорости передачи данных достигают 400 Гбит/с и выше (многоканальные системы, когерентная связь).
• Лазерная локация (LIDAR): диодные лазеры в импульсном режиме (905 нм, 1550 нм) используются в беспилотных автомобилях, картографии, дистанционном зондировании.
• Лазерная запись/воспроизведение информации: CD, DVD, Blu-ray диски оснащаются диодными лазерами (780 нм, 650 нм, 405 нм соответственно). Также используются в лазерных принтерах (сканеры, OPC-барабан) и проекторах (DLP-чипы).
• Накачка других лазеров: мощные диоды (808 нм, 940 нм, 980 нм) накачивают твердотельные (Nd:YAG, Yb:YAG) и волоконные лазеры, что позволяет создавать компактные и эффективные источники высокомощного лазерного излучения.
• Материалообработка: сварка (пластика, тонких металлов в микроэлектронике), резка, гравировка, маркировка (в станках с ЧПУ), отверждение полимеров (3D-печать DLP).

Медицина и биология

• Хирургия и косметология: диодные лазеры (800–980 нм) эффективны для коагуляции сосудов, удаления эпиляции (фотоэпиляция), лечения варикоза, удаления доброкачественных новообразований, омоложения кожи (лазерная биостимуляция).
• Стоматология: для пломбирования (застывание светоотверждаемых композитов), дезинфекции корневых каналов.
• Офтальмология: низкоинтенсивные диодные лазеры для лечения ретинопатии, фотодинамической терапии.
• Микроскопия: лазерная конфокальная микроскопия, флуоресцентная спектроскопия, FISH (с использованием лазеров возбуждения 488, 532, 635 нм).
• Оптическая кохерентная томография (ОКТ): спектрально-управляемые диодные лазеры (860–1310 нм) для сканирования сетчатки глаза и коронарных артерий.

Бытовое использование

• Лазерные указки (красные, зелёные (работают на диодных лазерах с умножителем), синие).
• Сканеры штрих-кодов в супермаркетах и складах.
• Оптические сенсоры (лазерные мышки, дальномеры, теодолиты, рулетки).

Военное и специальное применение

• Лазерные целеуказатели и прицелы (для стрелкового оружия, боевых средств).
• Системы лазерного наведения (на авиабомбы, ракеты).
• Ослепляющее оружие (запрещённое в РФ — с 1995 года согласно Протоколу к Конвенции ООН).
• Системы лазерной дальнометрии и связи в условиях радиопомех.

Достоинства и недостатки

Преимущества

• Малые габариты и масса — возможность интеграции в микроэлектронику.
• Высокий КПД (до 50–70 %), низкое тепловыделение на единицу мощности.
• Низкое рабочее напряжение (2–3 В), прямое электрическое питание (идеально совместимо с аккумуляторами).
• Высокая частота прямой модуляции (до 40 ГГц) — для телекоммуникаций и оптических вычислений.
• Долговечность (срок службы до 100 000 часов в непрерывном режиме в телекоммуникационных диодах).
• Широкий спектральный диапазон (от УФ до среднего ИК) за счёт выбора материала.

Недостатки

• Пространственная когерентность: у многомодовых диодов низкое качество луча (M² >> 1), яркость недостаточна для многих задач (например, фокусировка в микронное пятно). Однако одномодовые диоды с M²~1.0 доступны для мощностей до ~10 Вт (с током).
• Температурная чувствительность: длина волны и выходная мощность сильно зависят от температуры (коэффициент ~0.2–0.3 нм/°C для DFB, до 0.5 нм/°C для FP). Требуется стабилизация температуры (Peltier-элементы).
• Оптические повреждения: зеркала диода разрушаются при высокой плотности мощности (выше ~0.1–1 МВт/см²) — проблема при импульсной работе.
• Высокое время когерентности (короткое): для спектроскопии во многих случаях требуется внешний резонатор (ECDL — лазер с внешней отражением).

Интересные факты

• В 2018 году мощность одиночного диода в непрерывном режиме достигла 100 Вт при общей эффективности 70 % (исследование ФИАН им. Лебедева, РФ, 2018) — рекорд для одномодовой лазерной диодной системы (кристалл с узким полоском).
• Самый мощный коммерческий лазерный диодный массив (установка с тепловодом) выдаёт до 1000 Вт CW при площади излучателя ~1 см², что используется для наплавки и сварки металлов.
• Диодные лазеры используются в некоторых системах квантовой криптографии (слабые когерентные импульсы на частоте 1550 нм) и в литиевых батарейных зарядных устройствах (для беспроводной передачи энергии на расстоянии).
• В 2022 году на основе GaN-диодов создан лазер с длиной волны 600–700 нм (желто-оранжевая область), что открыло путь к новым применениям в биомедицине (фотодинамическая терапия при раке).

См. также

• Полупроводниковый лазер
• Лазер на гетероструктурах
• DFB-лазер
• Квантово-каскадный лазер
• Лазерная накачка
• Оптическая связь по цифровому коду

Источники

1. Алферов Ж. И., «Гетероструктуры и лазеры», Успехи физических наук, 1970, T. 100, с. 125–135.
2. Петров В. В., «Физика полупроводниковых лазеров», М.: Наука, 1988.
3. Хаустова И. А., «Диодные лазеры: параметры и применение», Оптический журнал (Журнал технической физики), 2019, № 11, с. 44–52.
4. Справочник по лазерам под ред. А. В. Покровского, СПб: БХВ-Петербург, 2012.
5. R. Hall, «Injection Lasers», IEEE Spectrum, 1962, V. 1, P. 35–42.