Лазерный диод ( LD , также инжекционный лазерный диод или ILD или полупроводниковый лазер или диодный лазер ) — это полупроводниковый прибор, похожий на светодиод, в котором диод, накачиваемый непосредственно электрическим током, может создавать условия генерации на переходе диода . [1] : 3
Под действием напряжения легированный p–n-переход допускает рекомбинацию электрона с дыркой . Из-за падения электрона с более высокого энергетического уровня на более низкий генерируется излучение в виде испускаемого фотона. Это спонтанное излучение. Вынужденное излучение может быть получено, когда процесс продолжается и далее генерирует свет с той же фазой, когерентностью и длиной волны.
Выбор полупроводникового материала определяет длину волны испускаемого луча, которая в современных лазерных диодах варьируется от инфракрасного до ультрафиолетового (УФ) спектра. Лазерные диоды являются наиболее распространенным типом производимых лазеров с широким спектром применения, включая волоконно-оптическую связь , считыватели штрих-кодов , лазерные указки , чтение/запись дисков CD / DVD / Blu-ray , лазерную печать , лазерное сканирование и освещение световым лучом . При использовании люминофора, подобного тому, что используется в белых светодиодах , лазерные диоды могут использоваться для общего освещения.
Лазерный диод электрически является PIN-диодом . Активная область лазерного диода находится в собственной (I) области, и носители (электроны и дырки) накачиваются в эту область из областей N и P соответственно. В то время как первоначальные исследования диодных лазеров проводились на простых P–N диодах, все современные лазеры используют реализацию двойной гетероструктуры, где носители и фотоны ограничены, чтобы максимизировать их шансы на рекомбинацию и генерацию света. В отличие от обычного диода, цель лазерного диода состоит в том, чтобы рекомбинировать все носители в области I и производить свет. Таким образом, лазерные диоды изготавливаются с использованием полупроводников с прямой запрещенной зоной . Эпитаксиальная структура лазерного диода выращивается с использованием одного из методов выращивания кристаллов , обычно начиная с подложки, легированной N , и выращивая активный слой, легированный I, за которым следует оболочка, легированная P , и контактный слой. Активный слой чаще всего состоит из квантовых ям , которые обеспечивают более низкий пороговый ток и более высокую эффективность. [1]
Лазерные диоды образуют подмножество более широкой классификации полупроводниковых диодов с p - n -переходом. Прямое электрическое смещение через лазерный диод приводит к тому, что два вида носителей заряда — дырки и электроны — инжектируются с противоположных сторон p - n -перехода в обедненную область. Дырки инжектируются из p -легированного в n -легированный полупроводник, а электроны — наоборот. ( Область обеднения , лишенная каких-либо носителей заряда, образуется в результате разницы в электрическом потенциале между полупроводниками n- и p -типа везде, где они находятся в физическом контакте.) Из-за использования инжекции заряда при питании большинства диодных лазеров этот класс лазеров иногда называют инжекционными лазерами или инжекционными лазерными диодами (ИЛД). Поскольку диодные лазеры являются полупроводниковыми приборами, их также можно классифицировать как полупроводниковые лазеры. Любое обозначение отличает диодные лазеры от твердотельных лазеров .
Другой метод питания некоторых диодных лазеров — использование оптической накачки . Оптически накачиваемые полупроводниковые лазеры (OPSL) используют кристалл полупроводника III-V в качестве среды усиления и другой лазер (часто другой диодный лазер) в качестве источника накачки. OPSL обладают рядом преимуществ по сравнению с ILD, в частности, в выборе длины волны и отсутствии помех от внутренних электродных структур. [2] [3] Еще одним преимуществом OPSL является неизменность параметров пучка — расхождения, формы и наведения — при изменении мощности накачки (и, следовательно, выходной мощности), даже при соотношении выходной мощности 10:1. [4]
Когда электрон и дырка присутствуют в одной и той же области, они могут рекомбинировать или аннигилировать, производя спонтанное излучение — т. е. электрон может повторно занять энергетическое состояние дырки, испуская фотон с энергией, равной разнице между исходным состоянием электрона и состоянием дырки. (В обычном полупроводниковом диоде энергия, высвобождаемая при рекомбинации электронов и дырок, уносится в виде фононов , т. е. колебаний решетки, а не в виде фотонов.) Спонтанное излучение ниже порога генерации создает свойства, похожие на свойства светодиода . Спонтанное излучение необходимо для инициирования лазерной генерации, но это один из нескольких источников неэффективности, когда лазер колеблется.
Разница между фотонно-излучающим полупроводниковым лазером и обычным фононно-излучающим (не излучающим свет) полупроводниковым переходным диодом заключается в типе используемого полупроводника, чья физическая и атомная структура дает возможность для излучения фотонов. Эти фотонно-излучающие полупроводники являются так называемыми полупроводниками с «прямой запрещенной зоной» . Свойства кремния и германия, которые являются одноэлементными полупроводниками, имеют запрещенные зоны, которые не выстраиваются так, как необходимо для излучения фотонов, и не считаются прямыми . Другие материалы, так называемые составные полупроводники, имеют практически идентичные кристаллические структуры, как кремний или германий, но используют чередующиеся расположения двух различных видов атомов в шахматном порядке, чтобы нарушить симметрию. Переход между материалами в чередующемся рисунке создает критическое свойство прямой запрещенной зоны . Арсенид галлия , фосфид индия , антимонид галлия и нитрид галлия — все это примеры сложных полупроводниковых материалов, которые можно использовать для создания диодов, излучающих свет.
При отсутствии условий стимулированного излучения (например, лазерной генерации) электроны и дырки могут сосуществовать в непосредственной близости друг от друга, не рекомбинируя, в течение определенного времени, называемого временем жизни верхнего состояния или временем рекомбинации (около наносекунды для типичных материалов диодного лазера), прежде чем они рекомбинируют. Близлежащий фотон с энергией, равной энергии рекомбинации, может вызвать рекомбинацию посредством стимулированного излучения . Это генерирует другой фотон той же частоты, поляризации и фазы , движущийся в том же направлении, что и первый фотон. Это означает, что стимулированное излучение вызовет усиление оптической волны (правильной длины волны) в области инжекции, и усиление увеличивается по мере увеличения числа электронов и дырок, инжектированных через соединение. Процессы спонтанного и стимулированного излучения значительно более эффективны в полупроводниках с прямой запрещенной зоной, чем в полупроводниках с непрямой запрещенной зоной ; поэтому кремний не является распространенным материалом для лазерных диодов.
Как и в других лазерах, область усиления окружена оптическим резонатором для формирования лазера. В простейшей форме лазерного диода оптический волновод сделан на поверхности этого кристалла, так что свет ограничивается относительно узкой линией. Два конца кристалла расколоты, чтобы сформировать идеально гладкие, параллельные края, образуя резонатор Фабри-Перо . Фотоны, испускаемые в моду волновода, будут перемещаться по волноводу и отражаться несколько раз от каждой торцевой поверхности, прежде чем они выйдут. Когда световая волна проходит через резонатор, она усиливается за счет вынужденного излучения , но свет также теряется из-за поглощения и неполного отражения от торцевых граней. Наконец, если усиление больше потерь, диод начинает генерировать лазер .
Некоторые важные свойства лазерных диодов определяются геометрией оптического резонатора. Как правило, свет содержится в очень тонком слое, а структура поддерживает только одну оптическую моду в направлении, перпендикулярном слоям. В поперечном направлении, если волновод широк по сравнению с длиной волны света, то волновод может поддерживать несколько поперечных оптических мод , и лазер известен как многомодовый . Эти поперечно-многомодовые лазеры подходят в случаях, когда требуется очень большое количество мощности, но не малый дифракционно-ограниченный луч TEM00; например, при печати, активации химикатов, микроскопии или накачке других типов лазеров.
В приложениях, где требуется небольшой сфокусированный луч, волновод должен быть сделан узким, порядка оптической длины волны. Таким образом, поддерживается только одна поперечная мода, и в итоге получается дифракционно-ограниченный луч. Такие устройства с одной пространственной модой используются для оптических накопителей, лазерных указок и волоконной оптики. Обратите внимание, что эти лазеры могут по-прежнему поддерживать несколько продольных мод и, таким образом, могут одновременно генерировать лазерное излучение на нескольких длинах волн. Излучаемая длина волны является функцией ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и мод оптического резонатора. В общем, максимальный коэффициент усиления будет иметь место для фотонов с энергией, немного превышающей энергию запрещенной зоны, и моды, ближайшие к пику кривой усиления, будут генерировать лазерное излучение наиболее сильно. Ширина кривой усиления будет определять количество дополнительных боковых мод , которые также могут генерировать лазерное излучение, в зависимости от условий эксплуатации. Лазеры с одной пространственной модой, которые могут поддерживать несколько продольных мод, называются лазерами Фабри-Перо (FP). Лазер FP будет генерировать лазерное излучение на нескольких модах резонатора в пределах полосы усиления лазерной среды. Число мод генерации в лазере ФП обычно нестабильно и может колебаться из-за изменений тока или температуры.
Одночастотные диодные лазеры с пространственной модой могут быть спроектированы так, чтобы работать на одной продольной моде. Эти одночастотные диодные лазеры демонстрируют высокую степень стабильности и используются в спектроскопии и метрологии, а также в качестве частотных эталонов. Одночастотные диодные лазеры классифицируются как лазеры с распределенной обратной связью (DFB) или лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR).
Из-за дифракции луч быстро расходится (расширяется) после выхода из чипа, обычно на 30 градусов по вертикали и на 10 градусов вбок. Для формирования коллимированного луча, подобного тому, который создается лазерной указкой, необходимо использовать линзу . Если требуется круглый луч, используются цилиндрические линзы и другая оптика. Для лазеров с одной пространственной модой, использующих симметричные линзы, коллимированный луч в конечном итоге становится эллиптическим по форме из-за разницы в вертикальной и боковой расходимости. Это легко заметить с помощью красной лазерной указки . Длинная ось эллипса расположена под прямым углом к плоскости чипа.
Описанный выше простой диод в последние годы был существенно модифицирован с целью приспособить его к современным технологиям, что привело к появлению различных типов лазерных диодов, описанных ниже.
После теоретических разработок MG Bernard, G. Duraffourg и William P. Dumke в начале 1960-х годов когерентное излучение света из полупроводникового диода на основе арсенида галлия (GaAs) (лазерного диода) было продемонстрировано в 1962 году двумя американскими группами под руководством Роберта Н. Холла в исследовательском центре General Electric [5] и Маршалла Натана в исследовательском центре IBM TJ Watson [6] . Продолжаются дебаты о том, кто изобрел первый лазерный диод, IBM или GE, которые в значительной степени основывались на теоретической работе William P. Dumke в Kitchawan Lab IBM (в настоящее время известной как исследовательский центр Thomas J. Watson) в Йорктаун-Хайтс, штат Нью-Йорк. Приоритет отдается группе General Electric, которая получила и представила свои результаты раньше; они также пошли дальше и создали резонансную полость для своего диода. [7] Первоначально Бен Лакс из Массачусетского технологического института среди других ведущих физиков предположил, что кремний или германий могут быть использованы для создания лазерного эффекта, но теоретический анализ убедил Уильяма П. Дамке, что эти материалы не будут работать. Вместо этого он предложил арсенид галлия в качестве хорошего кандидата. Первый лазерный диод с видимой длиной волны был продемонстрирован Ником Холоньяком-младшим позднее в 1962 году; он использовал сплав арсенида галлия и фосфида. [8]
Другие команды из MIT Lincoln Laboratory , Texas Instruments и RCA Laboratories также были вовлечены и получили признание за свои исторические первые демонстрации эффективного излучения света и лазерной генерации в полупроводниковых диодах в 1962 году и позже. GaAs-лазеры также были произведены в начале 1963 года в Советском Союзе группой под руководством Николая Басова . [9]
В начале 1960-х годов Герберт Нельсон из RCA Laboratories изобрел жидкофазную эпитаксию (ЖФЭ). Наслаивая кристаллы высочайшего качества различного состава, он позволил демонстрировать высококачественные гетеропереходные полупроводниковые лазерные материалы в течение многих лет. ЖФЭ была принята всеми ведущими лабораториями по всему миру и использовалась в течение многих лет. В конце концов, в 1970-х годах она была вытеснена молекулярно-лучевой эпитаксией и металлоорганическим химическим осаждением из паровой фазы .
Диодные лазеры той эпохи работали с пороговой плотностью тока 1000 А/см 2 при температуре 77 К. Такая производительность позволила продемонстрировать непрерывную генерацию лазеров уже на самых ранних этапах. Однако при работе при комнатной температуре, около 300 К, пороговая плотность тока была на два порядка больше, или 100 000 А/см 2 в лучших устройствах. Главной задачей на оставшуюся часть 1960-х годов было получение низкой пороговой плотности тока при 300 К и, таким образом, демонстрация непрерывной генерации лазера при комнатной температуре от диодного лазера.
Первые диодные лазеры были диодами с гомопереходом. То есть материал (и, следовательно, ширина запрещенной зоны) волноводного слоя сердцевины и окружающих оболочек были идентичны. Было признано, что существует возможность, в частности, предоставленная использованием жидкофазной эпитаксии с использованием арсенида алюминия-галлия, для введения гетеропереходов. Гетероструктуры состоят из слоев полупроводникового кристалла с различной шириной запрещенной зоны и показателем преломления. Гетеропереходы (образованные из гетероструктур) были признаны Гербертом Кремером , работавшим в RCA Laboratories в середине 1950-х годов, как имеющие уникальные преимущества для нескольких типов электронных и оптоэлектронных устройств, включая диодные лазеры. LPE предоставила технологию создания диодных лазеров с гетеропереходом. В 1963 году он предложил лазер с двойной гетероструктурой .
Первые гетеропереходные диодные лазеры были лазерами с одним гетеропереходом. Эти лазеры использовали инжекторы арсенида галлия алюминия p -типа, расположенные над слоями арсенида галлия n -типа, выращенными на подложке методом жидкофазной эпитаксии. Примесь алюминия заменила галлий в полупроводниковом кристалле и увеличила ширину запрещенной зоны инжектора p -типа по сравнению с таковой у слоев n -типа, расположенных ниже. Это сработало; пороговые токи 300 К снизились в 10 раз до 10 000 ампер на квадратный сантиметр. К сожалению, это все еще не было в необходимом диапазоне, и эти одногетероструктурные диодные лазеры не работали в непрерывном режиме при комнатной температуре.
Инновацией, которая справилась с задачей комнатной температуры, стал двойной гетероструктурный лазер. Хитрость заключалась в быстром перемещении пластины в аппарате LPE между различными расплавами арсенида галлия алюминия ( p- и n -типа) и третьим расплавом арсенида галлия. Это нужно было сделать быстро, поскольку область ядра арсенида галлия должна была быть значительно меньше 1 мкм в толщину. Первым лазерным диодом, достигшим непрерывной работы, была двойная гетероструктура, продемонстрированная в 1970 году по существу одновременно Жоресом Алферовым и его коллегами (включая Дмитрия З. Гарбузова ) из Советского Союза , а также Мортоном Панишем и Идзуо Хаяши, работавшими в Соединенных Штатах. Однако широко признано, что Жорес И. Алферов и его команда достигли этой вехи первыми. [10]
За свои достижения и достижения своих коллег Алферов и Кремер разделили Нобелевскую премию по физике 2000 года.
Простая структура лазерного диода, описанная выше, неэффективна. Такие устройства требуют так много энергии, что могут работать только в импульсном режиме без повреждений. Хотя они исторически важны и просты в объяснении, такие устройства непрактичны.
В этих устройствах слой материала с низкой шириной запрещенной зоны зажат между двумя слоями с высокой шириной запрещенной зоны. Одной из часто используемых пар материалов является арсенид галлия (GaAs) с арсенидом галлия алюминия (Al x Ga (1-x) As). Каждый из переходов между материалами с различной шириной запрещенной зоны называется гетероструктурой , отсюда и название лазер с двойной гетероструктурой (DH). Тип лазерного диода, описанный в первой части статьи, можно назвать лазером с гомопереходом , для контраста с этими более популярными устройствами.
Преимущество DH-лазера заключается в том, что область, где свободные электроны и дырки существуют одновременно — активная область — ограничена тонким средним слоем. Это означает, что гораздо больше пар электрон-дырка могут способствовать усилению — не так много пар остается на слабо усиливающей периферии. Кроме того, свет отражается внутри гетероперехода; следовательно, свет ограничен областью, где происходит усиление.
Если средний слой сделать достаточно тонким, он будет действовать как квантовая яма . Это означает, что вертикальное изменение волновой функции электрона , а значит и компонента его энергии, квантуется. Эффективность лазера с квантовой ямой выше, чем у объемного лазера, поскольку функция плотности состояний электронов в системе квантовой ямы имеет резкий край, который концентрирует электроны в энергетических состояниях, которые способствуют действию лазера.
Лазеры, содержащие более одного слоя квантовых ям, известны как лазеры с несколькими квантовыми ямами . Несколько квантовых ям улучшают перекрытие области усиления с оптической волноводной модой .
Дальнейшее повышение эффективности лазера было также продемонстрировано путем уменьшения слоя квантовых ям до квантовой проволоки или до моря квантовых точек .
В квантовом каскадном лазере для лазерного перехода вместо запрещенной зоны используется разница между уровнями энергии квантовой ямы. Это позволяет лазерному воздействию работать на относительно длинных волнах , которые можно настраивать, просто изменяя толщину слоя. Это гетеропереходные лазеры.
Межполосный каскадный лазер (ICL) — это тип лазерного диода, способный генерировать когерентное излучение в значительной части средней инфракрасной области электромагнитного спектра.
Проблема с простым квантовым диодом, описанным выше, заключается в том, что тонкий слой просто слишком мал, чтобы эффективно ограничивать свет. Для компенсации добавляются еще два слоя, снаружи первых трех. Эти слои имеют более низкий показатель преломления, чем центральные слои, и, следовательно, эффективно ограничивают свет. Такая конструкция называется лазерным диодом с раздельным ограничением гетероструктуры (SCH).
Почти все коммерческие лазерные диоды с 1990-х годов были диодами с квантовыми ямами SCH. [ необходима цитата ]
Распределенный лазер с отражателем Брэгга (DBR) — это тип одночастотного лазерного диода. [11] Он характеризуется оптическим резонатором, состоящим из электрически или оптически накачиваемой области усиления между двумя зеркалами для обеспечения обратной связи. Одно из зеркал является широкополосным отражателем, а другое зеркало является селективным по длине волны, так что усиление благоприятствует одной продольной моде, что приводит к генерации на одной резонансной частоте. Широкополосное зеркало обычно покрыто покрытием с низкой отражательной способностью, чтобы обеспечить излучение. Селективное по длине волны зеркало представляет собой периодически структурированную дифракционную решетку с высокой отражательной способностью. Дифракционная решетка находится в ненакачиваемой или пассивной области резонатора. Лазер DBR представляет собой монолитное однокристальное устройство с решеткой, вытравленной в полупроводнике. Лазеры DBR могут быть лазерами с краевым излучением или VCSEL . Альтернативные гибридные архитектуры, которые имеют ту же топологию, включают диодные лазеры с расширенным резонатором и лазеры с объемной решеткой Брэгга, но они не называются лазерами DBR.
Лазер с распределенной обратной связью (DFB) — это тип одночастотного лазерного диода. [11] DFB являются наиболее распространенным типом передатчика в DWDM -системах. Для стабилизации длины волны генерации дифракционная решетка протравливается вблизи p–n-перехода диода. Эта решетка действует как оптический фильтр, заставляя одну длину волны возвращаться в область усиления и лазер. Поскольку решетка обеспечивает обратную связь, необходимую для генерации, отражение от граней не требуется. Таким образом, по крайней мере одна грань DFB имеет антибликовое покрытие . Лазер DFB имеет стабильную длину волны, которая устанавливается во время изготовления шагом решетки и может лишь слегка настраиваться с температурой. Лазеры DFB широко используются в оптических коммуникационных приложениях, где точная и стабильная длина волны имеет решающее значение.
Пороговый ток этого DFB-лазера, исходя из его статической характеристики, составляет около 11 мА. Соответствующий ток смещения в линейном режиме может быть взят в середине статической характеристики (50 мА). Было предложено несколько методов для улучшения одномодовой работы в этих типах лазеров путем вставки однофазного сдвига (1PS) или многофазного сдвига (MPS) в однородную решетку Брэгга. [12] Однако многофазные DFB-лазеры представляют собой оптимальное решение, поскольку они имеют комбинацию более высокого коэффициента подавления боковой моды и уменьшенного пространственного выжигания провалов.
Вертикально-резонаторные поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) имеют оптическую ось резонатора вдоль направления тока, а не перпендикулярно ему, как в обычных лазерных диодах. Длина активной области очень мала по сравнению с поперечными размерами, так что излучение выходит с поверхности резонатора, а не с его края, как показано на рисунке. Отражатели на концах резонатора представляют собой диэлектрические зеркала, изготовленные из чередующихся многослойных материалов с высоким и низким показателем преломления толщиной в четверть волны.
Такие диэлектрические зеркала обеспечивают высокую степень селективного по длине волны отражения при требуемой длине волны свободной поверхности λ, если толщины чередующихся слоев d 1 и d 2 с показателями преломления n 1 и n 2 таковы, что n 1 d 1 + n 2 d 2 = λ/2, что затем приводит к конструктивной интерференции всех частично отраженных волн на интерфейсах. Но есть и недостаток: из-за высокой отражательной способности зеркал VCSEL имеют более низкую выходную мощность по сравнению с лазерами с торцевым излучением.
Производство VCSEL имеет несколько преимуществ по сравнению с процессом производства лазеров с граничным излучением. Граничные излучатели не могут быть протестированы до окончания производственного процесса. Если граничный излучатель не работает, будь то из-за плохих контактов или низкого качества роста материала, то время производства и материалы для обработки были потрачены впустую.
Кроме того, поскольку VCSEL излучают луч перпендикулярно активной области лазера, а не параллельно, как в случае с краевым излучателем, на трехдюймовой пластине из арсенида галлия можно одновременно обрабатывать десятки тысяч VCSEL. Кроме того, хотя процесс производства VCSEL более трудоемкий и материалоемкий, выход продукции можно контролировать для получения более предсказуемого результата. Однако они обычно показывают более низкий уровень выходной мощности.
Вертикальные лазеры с внешним резонатором, или VECSEL , похожи на VCSEL. В VCSEL зеркала обычно выращиваются эпитаксиально как часть структуры диода или выращиваются отдельно и прикрепляются непосредственно к полупроводнику, содержащему активную область. VECSEL отличаются конструкцией, в которой одно из двух зеркал является внешним по отношению к структуре диода. В результате резонатор включает область свободного пространства. Типичное расстояние от диода до внешнего зеркала составляет 1 см.
Одной из самых интересных особенностей любого VECSEL является малая толщина области усиления полупроводника в направлении распространения, менее 100 нм. Напротив, обычный плоскостной полупроводниковый лазер влечет за собой распространение света на расстояния от 250 мкм вверх до 2 мм или более. Значение короткого расстояния распространения заключается в том, что оно приводит к минимизации эффекта антинаправляющих нелинейностей в области усиления диодного лазера. Результатом является одномодовый оптический луч большого поперечного сечения, который недостижим для плоскостных («излучающих с торца») диодных лазеров.
Несколько рабочих продемонстрировали оптически накачиваемые VECSEL, и они продолжают разрабатываться для многих приложений, включая источники высокой мощности для использования в промышленной обработке (резка, штамповка и т. д.) из-за их необычайно высокой мощности и эффективности при накачке многомодовыми диодными лазерными стержнями. Однако из-за отсутствия p–n-перехода оптически накачиваемые VECSEL не считаются диодными лазерами и классифицируются как полупроводниковые лазеры. [ необходима цитата ]
Также были продемонстрированы VECSEL с электрической накачкой. Приложения для VECSEL с электрической накачкой включают проекционные дисплеи, обслуживаемые удвоением частоты ближнего ИК-излучателя VECSEL для получения синего и зеленого света.
Внешнерезонаторные диодные лазеры — это перестраиваемые лазеры , которые в основном используют двойные гетероструктурные диоды типа Al x Ga (1-x) As. Первые внешнерезонаторные диодные лазеры использовали внутрирезонаторные эталоны [13] и простые настраиваемые решетки Литтроу. [14] Другие конструкции включают решетки в конфигурации скользящего падения, конфигурации многопризменных решеток и конфигурацию пьезопреобразующего диодного лазера. [15] [16]
Лазерные диоды имеют те же проблемы с надежностью и отказами, что и светодиоды . Кроме того, они подвержены катастрофическому оптическому повреждению (COD) при работе на более высокой мощности.
Многие из достижений в надежности диодных лазеров за последние 20 лет остаются собственностью их разработчиков. Обратное проектирование не всегда способно выявить различия между более надежными и менее надежными продуктами диодных лазеров.
Полупроводниковые лазеры могут быть поверхностно-излучающими лазерами, такими как VCSEL, или лазерами с граничным излучением в плоскости. Для лазеров с граничным излучением краевое фасетное зеркало часто формируется путем скалывания полупроводниковой пластины для формирования зеркально отражающей плоскости. [1] : 24 Этот подход облегчается слабостью кристаллографической плоскости [110] в кристаллах полупроводников III-V (таких как GaAs , InP , GaSb и т. д.) по сравнению с другими плоскостями.
Атомные состояния в плоскости скола изменяются по сравнению с их объемными свойствами в кристалле из-за прекращения идеально периодической решетки в этой плоскости. Поверхностные состояния в плоскости скола имеют уровни энергии в пределах (иначе запрещенной) запрещенной зоны полупроводника.
В результате, когда свет распространяется через плоскость расщепления и переходит в свободное пространство внутри полупроводникового кристалла, часть световой энергии поглощается поверхностными состояниями, где она преобразуется в тепло посредством фонон - электронных взаимодействий. Это нагревает расколотое зеркало. Кроме того, зеркало может нагреваться просто потому, что край диодного лазера, который электрически накачивается, находится в не совсем идеальном контакте с креплением, которое обеспечивает путь для отвода тепла. Нагрев зеркала приводит к сужению запрещенной зоны полупроводника в более теплых областях. Сжатие запрещенной зоны приводит к тому, что больше электронных переходов зона-зона выравниваются с энергией фотона, вызывая еще большее поглощение. Это тепловой разгон , форма положительной обратной связи , и результатом может быть плавление грани, известное как катастрофическое оптическое повреждение , или COD.
В 1970-х годах эта проблема, которая особенно неприятна для лазеров на основе GaAs, излучающих волны длиной от 0,630 мкм до 1 мкм (в меньшей степени для лазеров на основе InP, используемых для дальней связи, которые излучают волны длиной от 1,3 мкм до 2 мкм), была выявлена. Майкл Эттенберг, исследователь, а затем вице-президент исследовательского центра Дэвида Сарноффа RCA Laboratories в Принстоне, штат Нью-Джерси , разработал решение. На грань наносился тонкий слой оксида алюминия . Если толщина оксида алюминия выбрана правильно, он функционирует как антибликовое покрытие , уменьшая отражение на поверхности. Это уменьшало нагрев и COD на грани.
С тех пор были использованы различные другие усовершенствования. Один из подходов заключается в создании так называемого непоглощающего зеркала (NAM), так что последние 10 мкм или около того перед тем, как свет испустится из сколотой грани, становятся непоглощающими на интересующей длине волны.
В самом начале 1990-х годов SDL, Inc. начала поставлять высокомощные диодные лазеры с хорошими характеристиками надежности. Генеральный директор Дональд Скифрес и технический директор Дэвид Уэлч представили новые данные о показателях надежности, например, на конференциях SPIE Photonics West того времени. Методы, используемые SDL для преодоления COD, считались строго запатентованными и по состоянию на июнь 2006 года все еще не были раскрыты публично.
В середине 1990-х годов IBM Research (Ruschlikon, Швейцария ) объявила, что разработала так называемый процесс E2 , который обеспечивает необычайную устойчивость к COD в лазерах на основе GaAs. Этот процесс также не был раскрыт по состоянию на июнь 2006 года.
Надежность мощных диодных лазерных накачивающих стержней (используемых для накачки твердотельных лазеров) остается сложной проблемой в различных приложениях, несмотря на эти запатентованные достижения. Действительно, физика отказа диодных лазеров все еще разрабатывается, и исследования по этой теме остаются активными, хотя и запатентованными.
Продление срока службы лазерных диодов имеет решающее значение для их дальнейшей адаптации к широкому спектру применений.
Лазерные диоды являются наиболее распространенным типом лазеров, в 2004 году их было продано около 733 миллионов единиц [17] по сравнению с 131 000 единиц других типов лазеров [18] .
Лазерные диоды широко используются в телекоммуникациях как легко модулируемые и легко соединяемые источники света для волоконно-оптической связи. Они используются в различных измерительных приборах, таких как дальномеры . Другое распространенное применение - в считывателях штрих-кодов . Видимые лазеры, как правило, красные, но позже также и зеленые , распространены как лазерные указки . Как маломощные, так и высокомощные диоды широко используются в полиграфической промышленности как в качестве источников света для сканирования (ввода) изображений, так и для производства печатных форм с очень высокой скоростью и высоким разрешением (вывода). Инфракрасные и красные лазерные диоды распространены в проигрывателях компакт-дисков , CD-ROM и технологии DVD . Фиолетовые лазеры используются в технологиях HD DVD и Blu-ray . Диодные лазеры также нашли множество применений в лазерной абсорбционной спектрометрии (LAS) для высокоскоростной и недорогой оценки или мониторинга концентрации различных видов в газовой фазе. Мощные лазерные диоды используются в таких промышленных приложениях, как термообработка, наплавка, сварка швов, а также для накачки других лазеров, например, твердотельных лазеров с диодной накачкой .
Применение лазерных диодов можно классифицировать различными способами. Большинство приложений могут обслуживаться более крупными твердотельными лазерами или оптическими параметрическими генераторами, но низкая стоимость серийно выпускаемых диодных лазеров делает их необходимыми для массового рынка. Диодные лазеры могут использоваться во многих областях; поскольку свет имеет много различных свойств (мощность, длина волны, спектральное и лучевое качество, поляризация и т. д.), полезно классифицировать приложения по этим основным свойствам.
Многие приложения диодных лазеров в первую очередь используют свойство направленной энергии оптического луча. В эту категорию можно включить лазерные принтеры , считыватели штрихкодов, сканирование изображений , осветители, целеуказатели, оптическую запись данных, зажигание горения , лазерную хирургию , промышленную сортировку, промышленную обработку, беспроводную передачу энергии (как силовое излучение) и оружие направленной энергии. Некоторые из этих приложений хорошо известны, в то время как другие только появляются.
Лазерная медицина : медицина и особенно стоматология нашли много новых применений для диодных лазеров. [19] [20] [21] [22] [23] [24] Уменьшение размера и стоимости [25] устройств и их растущее удобство для пользователя делают их очень привлекательными для врачей для небольших процедур на мягких тканях. Длина волны диода составляет от 810 до 1100 нм , плохо поглощается мягкими тканями и не используется для резки или абляции . [26] [27] [28] [29] Мягкие ткани не разрезаются лучом лазера, а вместо этого разрезаются при контакте с горячим обугленным стеклянным наконечником. [28] [29] Излучение лазера сильно поглощается на дистальном конце наконечника и нагревает его до 500 °C - 900 °C. [28] Поскольку наконечник настолько горячий, его можно использовать для разрезания мягких тканей и может вызвать гемостаз посредством прижигания и карбонизации . [28] [29] Диодные лазеры при использовании на мягких тканях могут вызывать обширные сопутствующие термические повреждения окружающих тканей. [28] [29]
Поскольку свет лазерного луча по своей сути когерентен , некоторые приложения используют когерентность лазерных диодов. К ним относятся интерферометрическое измерение расстояния, голография, когерентная связь и когерентный контроль химических реакций.
Лазерные диоды используются благодаря своим узким спектральным свойствам в таких областях, как определение расстояния, телекоммуникации, инфракрасные контрмеры, спектроскопическое зондирование , генерация радиочастотных или терагерцовых волн, подготовка состояния атомных часов, квантовая криптография ключей, удвоение и преобразование частоты, очистка воды (в УФ-диапазоне) и фотодинамическая терапия (где определенная длина волны света может заставить вещество, такое как порфирин, стать химически активным в качестве противоракового средства только в том случае, если ткань освещается светом).
Лазерные диоды используются из-за их способности генерировать сверхкороткие импульсы света с помощью метода, известного как синхронизация мод . Области использования включают распределение тактовой частоты для высокопроизводительных интегральных схем, источники высокой пиковой мощности для лазерно-индуцированной спектроскопии пробоотбора, генерацию произвольных форм волн для радиочастотных волн, фотонную выборку для аналого-цифрового преобразования и оптические системы кодового разделения множественного доступа для защищенной связи.
Лазерные диоды используются в качестве источника света для безмасочной фотолитографии .
