Laser półprzewodnikowy jest szczególnym rodzajem diody LED. Często jest nazywany laserem diodowym lub diodą laserową. Charakteryzuje się niewielkimi rozmiarami i jednocześnie bardzo wysokoą wydajnością. Koszt wyprodukowania takiej diody jest bardzo niski, dlatego jet to najczęściej wykorzystywany rodzaj lasera.
Podczas przepływu niewielkich prądów dioda laserowa zachowuje się identycznie jak zwykła dioda LED. Natomiast przepływ prądu o dużej wartości wywołuje w niej tzw. akcję laserową, w wyniku której następuje wzmocnienie emitowanego strumienia światła, a dioda zaczyna pracować jako laser.
promieniowania o określonej długości fali zależnej od rodzaju materiału półprzewodnika i zajmuje miejsce dziury na poziomie walencyjnym E, (orbicie walencyjnej atomu). Taki sposób emitowania promieniowania nazywa się emisją spontaniczną. Podczas emisji spontanicznej powstające fotony promieniowania (kwanty światła zachowujące się jak cząstki materialne) mają przypadkowy kierunek ruchu i przypadkową fazę. Częstotliwość emitowanych fotonów jest zbliżona, a nawet jeśli taka sama, fale światła każdego z fotonów nie nakładają się na siebie i nie wzmacniają się, gdyż ich drgania nie są zgodne w fazie. Z tego względu moc optyczna wytworzonej wiązki światła jest niewielka. Taką wiązkę światła nazywamy światłem monochromatycznym niespójnym (niekoherentnym). Aby nastąpiło wzmocnienie promienia światła, w złączu p-n diody należy wywołać akcję laserową. Czynnikiem wywołującym akcję laserową w laserach półprzewodnikowych są odpowiednio duże wartość i gęstość prądu płynącego przez złącze p-n. Podczas akcji laserowej, w atomach substancji roboczej lasera (czyli w złączu p-n) zachodzą rów- nocześnie trzy zjawiska, które opisano poniżej.
-
Absorpcja rezonansowa. W wyniku zderzenia elektronu będącego w stanie podstawowym (znajdującego się na powłoce walencyjnej atomu) z fotonem pochodzącym z emisji spontanicznej następuje zwiększenie energii elektronu i jego przejście ze stanu podstawowego do stanu wzbudzenia (rys. 14.72).
-
Inwersja obsadzeń poziomów energetycznych. Zgodnie z naturalnym porządkiem ilość elektronów na poziomie walencyjnym jest zawsze większa niż na poziomie przewodzenia. Inwersja obsadzeń polega na odwróceniu naturalnego porządku koncentracji elektronów na poziomach energetycznych. W stanie inwersji obsadzeń więcej elektronów znajduje się w stanie wzbudzenia niż w stanie podstawowym. Zwiększenie ilości elektronów w stanie wzbudzenia następuje na skutek przepływu prądu o dużym natężeniu i gęstości, a także wskutek absorpcji rezonansowej. Proces zwiększania ilości elektronów na poziomie prze- wodzenia nazywa się pompowaniem lasera. W wyniku procesu inwersji więcej występuje przypadków emisji promieniowania niż przypadków absorpcji. Emisja wymuszona. W tym procesie występuje duża liczba zderzeń elektronów będą- cych w stanie wzbudzonym z fotonami powstałymi podczas rekombinacji dziur i elek- tronów. Jeżeli częstotliwość i faza uderzającego w elektron fotonu będzie taka sama jak fotonu, który wcześniej wzbudził ten elektron, to uderzony elektron powróci na powłokę walencyjną do stanu podstawowego i jednocześnie wyemituje foton o iden- tycznej częstotliwości oraz fazie jak foton bombardujący.
~ wskutek absorbcji rezonansowej. Proces zwiększania ilości elektronów na poziomie przewodzenia nazywa się pompowaniem lasera. W wyniku procesu inwersji więcej występuje przypadków emisji promieniowania niz przypadków absorbcji.
Emisja wymuszona - W tym procesie wystepuje duża liczba zderzeń elektronów będących w stanie wzbudzonym z fotonami powstałymi podczas rekombinacji dziur i elektronów. Jeżeli częstotliwość i faza uderzającego w elektron fotonu będzie taka sama jak fotonu, który wcześniej wzbudził ten elektron, to uderzony elektron powróci na powłokę walencyja do stanu podstawowego i jednocześnie wyemituje foton o identycznej częstotliwości oraz fazie jak foton bombardujący. Foton bombardujący nie jest pochłaniany przez elektron, lecz tylko przyspiesza jego przejście na orbitę walencyjną.
W ten sposób powstają dwa fotony o tej samej fazie i częstotliwości.