Лазерные диоды: принцип работы и области применения¶

Лазерный диод — это полупроводниковый прибор, излучающий когерентный монохроматический свет в узком спектральном диапазоне за счет вынужденного излучения фотонов в p-n-переходе. Лазерные диоды относятся к классу инжекционных лазеров и являются наиболее распространенным типом твердотельных лазеров благодаря малым размерам, высокому КПД и низкой стоимости производства.

¶Принцип работы

Основой лазерного диода является полупроводниковый кристалл с p-n-переходом, обычно изготовленный из арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) или нитрида галлия (GaN). При подаче прямого напряжения в область p-n-перехода инжектируются электроны и дырки, которые рекомбинируют с испусканием фотонов. Этот процесс называется спонтанным излучением.

Для получения лазерного эффекта необходимо создать инверсию населенностей и оптическую обратную связь. Инверсия достигается при высокой плотности тока накачки, когда число электронов в зоне проводимости превышает число дырок в валентной зоне. Оптическую обратную связь обеспечивают торцы кристалла, которые скалываются по кристаллографическим плоскостям и образуют резонатор Фабри-Перо. Отражающая способность торцов составляет около 30%, что достаточно для возникновения генерации.

Ключевое отличие лазерного диода от светодиода заключается в наличии вынужденного излучения: испущенный фотон стимулирует рекомбинацию другой электронно-дырочной пары с испусканием идентичного фотона. Это обеспечивает когерентность и узкую спектральную линию излучения. Пороговый ток — минимальный ток, при котором начинается лазерная генерация, — является важнейшим параметром прибора.

¶Конструкция и типы

¶Гетеролазеры

Наиболее распространенная конструкция — двойная гетероструктура, где активный слой (тонкая пленка полупроводника с меньшей шириной запрещенной зоны) заключен между слоями материала с большей шириной зоны. Такая структура обеспечивает эффективное удержание носителей заряда и оптического поля в активной области, снижая пороговый ток.

¶VCSEL

Вертикально-излучающие лазеры (VCSEL) излучают свет перпендикулярно поверхности кристалла. Вместо сколотых торцов используются многослойные распределенные брэгговские зеркала. VCSEL отличаются низким пороговым током, круглым сечением пучка и возможностью тестирования непосредственно на пластине.

¶Лазеры с распределенной обратной связью

Лазеры DFB (distributed feedback) содержат дифракционную решетку вдоль всей активной области, обеспечивающую одночастотную генерацию. Они применяются в волоконно-оптических системах связи, где требуется стабильная длина волны.

По мощности различают маломощные диоды (менее 5 мВт), средней мощности (5–500 мВт) и мощные (свыше 1 Вт). Мощные лазеры часто выполняются в виде лазерных линеек или матриц с дополнительным охлаждением.

¶Характеристики

Основные параметры лазерных диодов:

• Длина волны — определяется материалом активной среды: GaAs излучает в ближнем ИК-диапазоне (780–980 нм), InP — 1300–1550 нм, GaN — сине-фиолетовый диапазон (405–450 нм);
• Выходная мощность — от долей милливатта до десятков ватт у непрерывных лазеров;
• Пороговый ток — у современных гетеролазеров составляет единицы-десятки миллиампер;
• Ширина спектральной линии — от долей нанометра у DFB-лазеров до нескольких нанометров у простых структур;
• Расходимость пучка — значительная (10–40 градусов) из-за малого размера излучающей области, требует коррекции коллимирующими линзами.

К недостаткам лазерных диодов относятся чувствительность к перегреву, деградация при высоких токах и температурный дрейф длины волны (около 0,3 нм/°C).

¶Области применения

Лазерные диоды занимают доминирующее положение на рынке лазерной техники, составляя более половины мировых продаж лазеров.

¶Оптическая запись и считывание информации

Красные лазерные диоды (650 нм) используются в приводах CD и DVD, сине-фиолетовые (405 нм) — в Blu-ray. Малый размер пятна фокусировки позволяет записывать до 25 ГБ данных на однослойный диск.

¶Волоконно-оптическая связь

Инжекционные лазеры с длинами волн 1310 нм и 1550 нм служат источниками излучения в системах передачи данных. Их высокая скорость модуляции (до десятков гигагерц) обеспечивает пропускную способность современных телекоммуникационных сетей.

¶Материалообработка

Мощные лазерные диоды применяются для сварки, резки и поверхностной закалки металлов. Их преимущество — компактность и высокий КПД (до 60%), недостаток — низкое качество пучка, поэтому для прецизионной обработки диоды часто используются как накачка для твердотельных лазеров.

¶Медицина

В хирургии и косметологии используются диоды с длинами волн 800–980 нм для коагуляции тканей и эндоскопических операций. Низкоинтенсивные лазеры применяются в физиотерапии.

¶Другие применения

Лазерные диоды входят в состав лазерных указок, дальномеров, сканеров штрих-кодов, оптических мышей, систем наведения и целеуказания, а также используются в лидарах для автономного транспорта и в принтерах.

¶История

Первый работающий лазерный диод был создан в 1962 году группой Роберта Холла в General Electric на основе арсенида галлия. Прибор работал в импульсном режиме при температуре жидкого азота. В 1970 году Жорес Алферов в СССР и Герберт Кремер в США независимо разработали теорию гетероструктур, за что в 2000 году получили Нобелевскую премию по физике. В 1970-е годы появились первые лазерные диоды непрерывного действия при комнатной температуре, что открыло путь к их коммерческому использованию.