Полупроводниковый лазер


Многие из нас знают слово "лазер", знают что лазер применяется во многой аппаратуре как источник излучения (в считывающих устройствах CD/DVD проигрывателей, дальномерах, устройствах световых эффектов и т.п.), но лишь немногие имеют представление что такое лазер и как он работает...
В этой статье мы постараемся (в О-О-ОЧЕНЬ упрощенной форме...) рассказать что такое лазер, как устроен лазер и как работает полупроводниковый лазер.

Название лазер - это аббревиатура английской фразы: Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (LASER) . усиление света с помощью вынужденного излучения.

Еще в начале ХХ века Энштейн высказал теорию о том, что атомы вещества могут работать как аккумулятор энергии. То есть в исходном состоянии все атомы вещества имеют определенный энергетический уровень. Но при внешнем воздействии (например светом) атомы начинают вбирать в себя энергию внешнего источника, повышая при этом свой энергетический уровень.
В таком состоянии, конечно-же, атомы долго находиться не могут и практически сразу-же эту энергию начинают отдавать, причем в том-же направлении что и получили.
Таким образом получается два параллельно идущих пучка энергии.

Это и послужило основой для изобретения лазера:
Вещество (которое назвали "рабочее тело") облучают источником энергии (этот источник условно назвали " Источник накачки").

Причем вариантов для получения вынужденного излучения очень много:
Рабочим телом могут быть вещества в любом физическом состоянии (как в твердом, так в жидком и даже газообразном...) и источником накачки может быть любой источник энергии: как источник света, так и химическая реакция.

Ну а дальше начинатся самое интересное: полученные таким образом дополнительные кванты света усиливаются при помощи системы зеркал (это назвали "оптический резонатор"):
Облучение рабочего тела происходит при помощи мощного источника света, мерцающего с определенной частотой. Расстояние-же между зеркалами выбирается таким образом чтобы квант света, отражался в зеркале с то-же частотой. Таким образом происходит усиление квантовой световой энергии.

устройство лазера
В полупроводниковом-же лазере ситуация практически такая-же, но с небольшими отличиями: там нет источника накачки (поэтому его сделать проще и дешевле...)
А работает полупроводниковый лазер так:
Если мы вспомним о P-N переходе, то мы увидим что ток в полупроводнике может возникнуть лишь в одном направлении: если приложить положительный заряд к P-области, а отрицательный к N-области.
В этом случае отрицательно заряженные электроны побегут к "плюсу", а положительно-заряженные "дырки" направятся к "минусу".
Так вот: на пути своего "путешествия" электроны и "дырки" непременно встретятся!! Причем (так как они имеют разную полярность) между ними возникнет взаимодействие с образованием энергии.

Так как происходит это достаточно быстро, то в простых диодах это момент взаимодействия может просто сопровождаться незначительным внутренним нагревом. Но при определенных условиях время взаимодействия можно увеличить и тогда происходит выброс излишка энергии в виде фотона.
Так работает обычный светодиод.
В лазере-же этот самый фотон света усиливается с помощью уже знакомого нам оптического резонатора: системы зеркал. Таким образом в полупроводниковом лазере источник накачки не требуется- им служит проходящий во время работы ток.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла 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 и образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо.
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 вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

ОБСУДИТЬ НА ФОРУМЕ
интернет-магазин


немного теории