Принцип работы. Физика работы полупроводникового лазера базируется на фундаментальных свойствах полупроводников

Физика работы полупроводникового лазера базируется на фундаментальных свойствах полупроводников. Генерация света в полупроводниковых лазерах, так же как и в других типах лазерных устройств, осуществляется за счет двух основных механизмов: 1) за счет эффекта усиления интенсивности световой волны в рабочем пространстве лазера; 2) за счет резонансных оптических свойств рабочей полости.

Если первый механизм осуществляется за счет увеличения неравновесных электронно-дырочных пар в выделенной области полупроводникового лазерного диода при приложении к диоду напряжения смещения, то второй механизм связан непосредственно с конструктивными особенностями рабочей области лазера. Механизм генерации световой волны осуществляется в процессе излучательной рекомбинации (стимулированная эмиссия света) избыточных электронов и дырок, при этом длина световой волны определяется энергетическим зазором (шириной запрещенной зоны) полупроводника в выделенной области лазерного диода (рис.1).

рис.1. Схема генерации света в лазерном диоде.

Избыточные электроны и дырки могут возникать посредством инжекции этих носителей заряда в рабочую область диода, т.е. путем прямого электрического смещения гетероперехода (например, как это осуществляется в двойном гетеропереходе n-AlGaAs-GaAs-p-AlGaAs). Сама конструкция двойного гетероперехода, предложенная Ж. И. Алферовым, и технологическое воплощение этой идеи в полупроводниковой структуре (ФТИ, с. Петербург), генерирующим когерентный световой поток при комнатных температурах, было отмечено Нобелевской Премией по физике за 2000 г, что вызвало громадный поток экспериментальных и теоретических работ, посвященных этому вопросу.

Для того чтобы эффективность генерации света была максимальной, активная область полупроводникового лазера должна представлять собой «прямозонный» полупроводник (GaAs). При этом примыкающие к этой области (n, p-AlGaAs) полупроводники имеют ширину запрещенной зоны существенно большую, чем активная область, т.е. лазерная структура представляет собой двойной гетеропереход с потенциальными барьерами, препятствующими уход электронов и дырок из рабочей области, что намного порядков увеличивает эффективность работы полупроводникового лазера, и это позволяет генерировать интенсивные световые потоки при комнатных или более высоких чем комнатная температурах.

Для практической реализации лазера, полупроводниковые области, примыкающие к рабочей области должны обладать показателем преломления меньшим, чем показатель преломления рабочей области. Пример подобной структуры показан на рис.2.

рис.2. Схематическое изображение простой двойной гетероструктуры полупроводникового лазера.

Такая конструкция позволяет удерживать световое излучение в границах активной области генерации света за счет эффекта полного внутреннего отражения в такой структуре, что необходимо для эффективной работы лазера. Если одновременно обеспечить практически полное отражение света от заднего торца лазерного диода, то эффективность генерации света приближается к своему максимальному значению.

Эффективность (КПД) современных лазеров приближается к 50 %, т.е. приблизительно половина затрачиваемой электрической мощности может преобразоваться в световой поток.