Полупроводниковый лазер — это особый тип лазера, в котором активной средой, генерирующей излучение, служит полупроводниковый кристалл. По своей сути это генератор когерентного света на основе полупроводников. Его фундаментальное отличие от других лазеров (газовых, твердотельных) заключается в природе излучательных переходов. Если в традиционных лазерах излучение возникает при переходах электронов между дискретными энергетическими уровнями отдельных атомов или ионов, то в полупроводниковом лазере этот процесс происходит между целыми энергетическими зонами кристаллической решетки — валентной зоной и зоной проводимости.
Ключевые особенности и преимущества
Поскольку в излучении участвуют атомы самой кристаллической структуры, это определяет главное практическое достоинство таких устройств — их исключительную компактность. Активная область лазера может быть чрезвычайно малой. Благодаря высоким коэффициентам оптического усиления в полупроводниках (достигающим 104 на сантиметр), для запуска генерации часто достаточно очень короткого активного элемента.
К другим важным эксплуатационным преимуществам полупроводниковых лазеров относятся:
- Высокое быстродействие и малая инерционность: Это позволяет осуществлять прямую модуляцию интенсивности излучения на очень высоких частотах, превышающих 1 ГГц, что критически важно для волоконно-оптической связи и обработки информации.
- Высокий КПД: Устройства эффективно преобразуют электрическую энергию накачки в энергию когерентного светового пучка, достигая рекордных значений в 30–50%.
- Широкий спектральный диапазон: Существует большое разнообразие полупроводниковых материалов (арсенид галлия, нитрид галлия, фосфид индия и др.), что позволяет создавать лазеры, работающие в диапазоне длин волн от ультрафиолета (0.32 мкм) до дальнего инфракрасного излучения (32 мкм). Многие из них допускают перестройку длины волны.
- Простота конструкции и надежность: Отсутствие громоздких систем накачки и компактные размеры делают эти лазеры идеальными для интеграции в различные электронные и оптические устройства.
Благодаря этому сочетанию характеристик полупроводниковые лазеры нашли широчайшее применение в телекоммуникациях, потребительской электронике (CD/DVD/Blu-ray приводы, лазерные указки), медицине, метрологии и системах обработки материалов.