Полупроводниковые лазеры

С явлением, при котором энергия электрона уменьшается, а избыток ее излучается в виде света, вы встречались в газовом разряде, происходящем в лампах дневного света, в люминофорном экране кинескопа, в p-n-переходах светодиода. Отличительной особенностью таких сбросов энергии электрона являлось то, что они не вызывались никакой внешней причиной, что в терминах физики называется спонтанным переходом. Для электрона, имеющего избыточную энергию, есть определенная вероятность эту энергию потерять. Очевидно, что такие энергетические переходы независимы друг от друга. Независимы и моменты излучения. Излучаемые фотоны никак не связаны по направлению вылета. Они излучаются во все стороны. Если переход происходит в твердом теле, а в нем электроны повышенной энергии могут иметь энергию не строго определенную, а принадлежащую некоторому диапазону, то излучаются фотоны, энергия которых тоже лежит в некотором диапазоне.

Если рассматривать свет как электромагнитную волну, то в общем потоке света, испускаемого при спонтанном излучении, будут отдельные волны, не совпадающие по цвету света, с разным направлением распространения, с различной поляризацией, с разными значениями фазы.

Другой тип излучения - вынужденное излучение. Если в среду, в которой есть электроны с энергией, повышенной на значение Е, ввести фотон с такой же энергией, то он может вызвать массовый сброс этими электронами своей избыточной энергии и излучение новых фотонов с энергией Е.

Чтобы вводимые фотоны вызвали резонансное излучение, надо, чтобы электронов с избыточной энергией было очень много. Если обычно в диэлектрике или полупроводнике электронов с избыточной энергией много меньше, чем таких, у которых энергия соответствует состоянию их обычной связи со своим атомом, то для возникновения вынужденного излучения нужно, чтобы было много электронов с повышенной энергией. Такое состояние электронов в теле называется инверсной заселенностью. При инверсной заселенности вероятным становится вынужденное излучение. Поэтому вероятным становится резонансное излучение.

Резонансное излучение обладает свойствами прямо противоположными спонтанному. Фотоны при резонансном излучении испускаются одновременно в одном направлении, имея одну и ту же энергию. А если свет рассматривать как электромагнитную волну, то она имеет узкую направленность, все излучение имеет одну и ту же длину волны, одну и ту же фазу и один тип поляризации. Оно монохроматично.

Чтобы создать эффективный источник лазерного излучения, кроме инверсной заселенности, нужна еще система отражающих зеркал. Наиболее часто используется система, в которой тело с инверсной заселенностью с одной стороны ограничено зеркалом, с другой - полупрозрачным зеркалом. Отражаемые зеркалом фотоны многократно пробегают вдоль тела вперед и назад, везде на своем пути создавая лавину фотонов, возникающих при резонансном переходе. Появившиеся фотоны будут вызывать еще новые переходы. Часть фотонов при этом выходит через полупрозрачное зеркало, и это излучение можно использовать.

Для совместной работы с современными малогабаритными полупроводниковыми преобразователями токов и излучений более всего подходят полупроводниковые лазеры. Они очень малых размеров, и для работы их нужно низкое (несколько вольт) питающее напряжение, а режим работы просто регулируется изменением приложенного напряжения.

Полупроводниковый лазер по устройству напоминает светодиоды. Это тоже p-n-диод. Напряжение прикладывается к нему также в пропускающей ток полярности. Только ток, протекающий через лазер, должен быть больше для увеличения инжекции в такой степени, чтобы возникла инверсная заселенность. Чтобы фотоны многократно проходили вдоль такого лазера, зеркала не нужны. Материал лазера оптически плотный и поэтому на границе с воздухом от его грани отражается значительная часть фотонов.