           |
|
|
FIZIKA POLUVODIČKOG DIODNOG LASERA
|
|
|
Diodni laser (laserska dioda, poluvodički laser ili
injekcioni laser) radi se vrlo složenim fizičko-kemijskim postupkom od
kombinacija poluvodiča. Kristal poluvodiča sastoji se od velikog broja periodično smještenih atoma čiji se energetski nivoi cijepaju u gusto složeni veliki broj susjednih stanja. Takva energetska stanja zovu se vrpcama, koje su odijeljene energetskim procjepom ("band gap", vidi sliku). U osnovnom stanju vrpce su popunjene (prema Paulijevom principu) počinjući od najniže energije. Najviša potpuno popunjena vrpca zove se valentna ("valence band"), a slijedeća je vodljiva vrpca ("conduction band").
|
|
|
|
Vodljiva vrpca u poluvodiču u osnovnom stanju nije naseljena, pa je po tome
on sličan izolatoru, ali je energetski procjep između valentne i vodljive
vrpce znatno manji nego kod izolatora, oko 1 eV. Elektroni mogu biti pobuđeni
u vodljivu vrpcu vanjskom pobudom, npr. toplinskom. Kad se nađu u vodljivoj
vrpci elektroni se mogu slobodno gibati, pa je poluvodič tada sličan metalu.
Intrinsična vodljivost poluvodiča može se pojačati dodavanjem određenih atoma-nečistoća. Primajući strane atome ("dopiranje poluvodiča") čisti poluvodički kristal stvara višak ili manjak elektrona u rešetci kristala. Poluvodiči s viškom elektrona su tzv. n-tipa, a oni s manjkom elektrona (viškom "šupljina") su p-tipa. Dovodeći u kontakt p- i n-tip poluvodiča stvara se vrlo tanki pn-spoj koji ima lokalno pomaknute energetske vrpce. Da bi ostvarili inverziju naseljenosti - nužnu za ostvarivanje laserskih oscilacija - moramo na diodu narinuti vanjsko električno polje. |
|
|
|
Spojimo li lasersku diodu na izvor napajanja tako da bude propusno polarizirana (pozitivni pol na p-, a negativni pol na n-sloj) šupljine iz p-sloja i elektroni iz n-sloja bit će injektirani u pn-spoj gdje se stvara inverzija naseljenosti. Elektroni i šupljine rekombiniraju se u pn-spoju (vidi sliku lijevo) uz emisiju fotona (spontana emisija). Dolazi do stvaranja fotonske lavine jer svaki ovako stvoreni foton uzrokuje stvaranje slijedećih koji imaju iste optičke osobine (istu frekvenciju, smjer, stanje polarizacije), pa dolazi do pojave tzv. stimulirane emisije. Budući da se pn-spoj nalazi u optičkoj šupljini (rezonatoru) koju tvore kristalne ravnine po kojima je kristal kalan fotoni nastali stimuliranom emisijom doživljavati će višestruke refleksije unutar ovog rezonatora. Ako pojačanje emisije svjetlosti (kao posljedica stimulirane emisije) uspije kompenzirati gubitak fotona usljed apsorpcije i difuzije iz pn-spoja može se pojaviti laserski efekt, odn. laserska emisija. |
|
|
Laserski efekt javlja se u ravnini pn-spoja ako kroz njega teče struja elektrona dovoljno velike gustoće. Poluvodički diodni laser nema vanjskih zrcala. Višestruka refleksija unutar rezonatora lasera događa se na izlaznim ravninama kristala poluvodiča čija je prirodna refleksivnost samo oko 30%. Međutim, veliko pojačanje kojim se ovaj laserski medij odlikuje ipak, i sa zrcalima tako niske refleksije, omogućava lasiranje.Treba napomenuti da je laserski efekt u smjeru okomitom na os lasiranja ugušen tako što se dvije bočne ravnine naprave hrapavima, i tako onemogući refleksija svjetla u tom smjeru koja bi inače vodila na dodatne gubitke i smanjenje efikasnosti. |
| |
| Slika dolje lijevo prikazuje realnu strukturu jednog In-Ga-As-P poluvodičkog lasera. Slika je dobivena skenirajućim elektronskim mikroskopom, i na njoj se lijepo vidi struktura laserskog čipa. Radi što boljeg objašnjenja realne strukture na slici desno dana je skica te iste strukture. Lako se uočava da je aktivni sloj mikronskih dimenzija, oko 0.3 x 3 mikrona (duljina čipa je 200-300 mikrona). |
|
|
|
|
|
Slika realne strukture poluvodičkog lasera. Slika je dobivena skenirajućim elektronskim mikroskopom. Najčešći postupak dobivanja laserskih struktura je tzv. MOCVD (metallo-organic chemical vapor deposition). |
Skica iste strukture s objašnjenjem. Širina aktivnog laserskog sloja (crveno) je oko 3 mikrometra, a debljina oko 0.3 mikrometra. Duljina aktivnog laserskog sloja je 200-300 mikrometara. |
|
|
Kako izgledaju laserske diode >
|
|
|
|
|
|
|