(Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)


A félvezető lézerek – nevezik őket lézerdiódának is  –, a LED-ekhez hasonló elven működnek. A fő működésbeli különbség a lézerdiódák és a LED-ek közötti abban van, hogy a LED által kibocsátott elektromágneses hullámok (fény) inkoherensek, amíg a lézersugár időben és térben koherens[1]. Célja szerint a lézersugár csaknem párhuzamos hullámokból áll (nagyon kicsi a szóródási szögük), így nagy az energiasűrűségük. A lézersugár egyszínű, monokromatikus[2], azaz a sugárban csaknem ugyanazzal a hullámhosszal rendelkezik valamennyi hullám.

A lézerdiódák általában két vagy több komponensű vegyület félvezetők pl. a gallium-arzenid (GaAs, GaAlAs stb.). A szilíciumkristály nem alkalmas LED vagy lézerdióda készítésre, aminek az oka az lyuk, illetve a gerjesztett elektronok energiaállapotai közötti viszony[3].
A lézerdiódák esetében mind a p-, mind az n-szennyezet réteg alapkristálya a GaAs[4], de ehhez egyéb szennyezőanyagokat adalékolnak. A leggyakrabban használt szennyezőanyagok a szelén, alumínium, szilícium, foszfor, indium.

A lézer előállításának legfontosabb szempontja, hogy a lézerdióda koherens fényt bocsásson ki. Ez három lépésben valósul meg a lézer előállítása során: energiafelvétel (abszorpció-elnyelődés), spontán emisszió és indukált emisszió (gerjesztett kibocsátás).

1. Az energiafelvétel egy külső energiaforrásból történik, mint például egy egyenfeszültségű feszültségforrás. A megfelelően nagy energiaforrás esetében a kovalens kötés elektronjai kiszakadnak az atommag vonzásából (kovalens kötésből, másképpen vegyértéksávból), és delokalizálttá válnak (vezetési sávba jutnak). Az elektron gerjesztésének következményeként a kovalens kötésben (vegyérték sávban) a gerjesztett elektron helyén egy lyuk marad, amely lyukhoz olyan értékű energiát rendelünk, mint a még kötésben lévő elektroné volt, töltése pedig az elektronéval ellentétes értelmű, azonos értékű, azaz +1. A gerjesztett állapot nagyon rövid idejű állapot, és spontán emisszióval szűnik meg.
2. A spontán emisszió során az (vezetési sávban lévő) gerjesztett elektronok rekombinálódnak a (vegyérték sávban lévő) lyukakkal, ami következtében az elektronok alacsonyabb energiaállapotba kerülnek, miközben az energiájukat egy foton formájában bocsátják ki.


Eddig ugyanazok a folyamatok játszódnak le, mint a LED esetében.

Einstein vetette fel először egy harmadik folyamat szükségességét az energia elnyelés és a spontán kibocsátás mellett.

3.A harmadik folyamatot indukált emissziónak nevezzük. Ez utóbbi egy mesterségesen létrejött folyamat. Minden indukált emissziót létrehozó foton keresztülhalad a néhány mikrométer vastag zárórétegen (aktív rétegen), ahol az indukált emisszió jön létre, azaz végső soron a lézersugár. Noha a spontán emisszióban résztvevő atomok gerjesztett állapotának időtartama rendkívül rövid, az indukált emisszió ezen idő vége előtt történik meg a folyamatot indukáló foton hatására. Az indukáló foton tulajdonképpen egy a spontán emisszió során kibocsátott foton, amely indukált emisszióban játszik azután főszerepet.
Az indukált emisszió során a (vezetési sávban lévő) gerjesztett elektron olyan energiájú fotonnal kerül kölcsönhatásba, mint, amilyen energiájút maga is ki tud bocsátani (miközben a vezetési sávból a vegyérték sávba ugrik, azaz a rekombináció során kibocsát). Az indukált emisszió során is rekombináció jön létre, amely során a gerjesztett elektron visszaugrik a lyukba sajátfoton kibocsátás kíséretében. Ugyanakkor ezen folyamat során az indukáló foton is távozik a rekombináció során kibocsátott sajátfotonnal együtt. Tehát minden egyes indukált emisszió során két foton távozik – az indukáló és az ennek hatására a rekombináció során kibocsátott sajátfoton –, amelyek térben és időben koherensek, azaz mindkét foton azonos frekvenciájú, azonos irányban halad és minden pontban megegyezik a fázisuk.
Az indukált emisszió során kilépő fotonok a záróréteggel párhuzamosan lépnek ki a félvezető kristályból.
A lézersugár létrejöttének feltétele az, hogy a spontán emisszió során kilépő foton nem hagyja el rögtön a záróréteget[5] anélkül, hogy indukált emisszióban részt venne, amivel biztosítva van az a feltétel, hogy elég nagy legyen az áramsűrűség[6] a megfelelő energiaviszonyok[7] teljesüléséhez.
Ahhoz, hogy a foton ne hagyja el indukálás nélkül az aktív réteget és hatékonyan erősítése a folyamatokat, egy ún. rezonátorra is szükség van. A félvezető diódáknál a rezonátort[8] az aktív réteg két párhuzamos oldala jelenti, amelyet a kristály hasításával hoznak létre. Ezekről a tökéletesen sima és párhuzamos oldalakról a kívánt frekvenciájú fotonok visszaverődnek  (mint a tükrökről) az aktív rétegbe, és a fotonok indukált emisszióban vesznek részt.
A LED-lézerdiódák működésének és fényteljesítményének függése az áramerősségtől
A küszöbáram alatt is van fénykibocsátás, de az eszköz viselkedése a LED viselkedéséhez hasonló.
A  lézediódából kilépő lézersugár elliptikusan széttartó, mert az aktív réteg mérte azonos nagyságrendű a kilépő hullám hullámhosszáéval, így nagymértékű a hullámelhajlás (diffrakció).  Ezt egy kollimátor lencsével irányítják párhuzamos hullámokból álló nyalábbá.
A félvezető lézerek előnyei:
Egyszerű szerkezetűek
Kis méretűek
Könnyűek
Olcsók
Megbízhatóak más lézertípusokhoz viszonyítva
Hosszú üzemidejűek
Nagy a hatékonyságúk
Nincs szükség rezonátorként tükrökre
Alacsony az energiafogyasztásuk

Hátrányuk:
Kis teljesítményűek
Nagymértékben hőmérsékletfüggőek
Felhasználásuk:
Optikai adatátvitel – jelátvitel üvegszál; fényerősítő: több száz km-es adatátvitelhez szükséges
Optikai adattárolás: DVD, DVD ROM Blue-ray disc
Nyomtatásnál
Vonalkód-leolvasókban
Távolságmérésre
Anyagmegmunkálásban
Orvosi alkalmazásban
Szilárdtest lézerek gerjesztésénél
Lézeres abszorpciós spektrometriában
A széles körben használt lézerpointerek is félvezető lézerek, ezek fénye kb. 650 nm-es hullámhosszú és vörös színű.

 

[1] A kibocsátott sugár bármely keresztmetszeténél a hullámok fázisa azonos.
[2] A hullámhossz a p–n átmenet hőmérsékletétől függ, annak növekedésekor a keletkező sugárzás hullámhossza is növekszik. A változás általában nem folyamatosan megy végbe, hanem diszkrét ugrásokban jelentkezik. A hullámhossz stabilizálására többféle elektromos, termikus és optikai módszer van. (http://www.sasovits.hu/cnc/irodalom/lezer1.pdf)
[3] A GaAs direkt félvezető, amíg a Si indirekt félvezető. A direkt félvezetőben a felszabadult energiát közvetlen átmenettel egy nagy lendületű foton viszi el. A félvezetők többségében, pl. szilícium-félvezetőben a felszabadult energiát a foton nem tudja elvinni, mivel ebben az esetben a foton lendülete elhanyagolhatóan kicsi a gerjesztett elektron-lyuk lendületkülönbsége mellett. A lendület-megmaradást egy fonon részvétele is biztosítja a folyamatban. Így ebben az esetben a felszabadult energia rácsrezgéssé alakul, azaz melegíti a határréteget, így nem tud részt venni indukált emisszióban. (http://www.uni-miskolc.hu/~www_fiz/paripas/laseralap.htm)
[4] A félvezető lézerdiódák n- és p-rétege különböző arányú Ga1-xAlxAs (gallium-alumínium-arzenid) alkotja, amelynek a tiltott sáv szélessége nagyobb, mint a közöttük lévő aktív réteget alkotó GaAs tiltott sávszélessége, ezért az elektronok nem tudnak vissza-/tovább diffundálni sem az n-, sem a p-rétegbe.
[5] A GaAlAs optikai tulajdonságai különböznek a GaAs-étől. Az elrendezés szempontjából a törésmutató különbözőségének van döntő jelentősége. A GaAs törésmutatója ugyanis 6 %-kal nagyobb, mint a GaAlAs-é. Ezáltal a keletkező fény az aktív rétegben koncentrálódik (az optikailag sűrűbb-ritkább közeghatáron teljes visszaverődést szenvednek). Így tehát a GaAlAs nagyobb tiltott sávszerkezetével az elektronokat, kisebb törésmutatójával pedig a fényt koncentrálja az aktív rétegben.
[6] A lézerküszöb alatti áramsűrűség hatására a dióda LED-ként viselkedik, amíg afölött beindul a lézerműködés. Azonban a túl nagy áramsűrűség tönkreteszik az eszközt: károsodási küszöb.
[7] Populációinverzió: vezetési sáv alján több elektron tartózkodik, mint a vegyértéksáv tetején. Ehhez az aktív rétegben – zárórétegben – össze kell gyűlniük az elektronoknak. Ez olyan félvezetőkben jön létre, ahol az n- és p-régtegben a tiltott sáv szélessége nagyobb, mint a záróréteg anyagában. A félvezető diódák n- és p-rétege különböző arányú, nagyobb tiltott sávszélességű GaAlAs, amíg az aktív réteget a kisebb tiltott sávval rendelkező GaAs alkotja.
[8] Többféle rezonátor-megoldás létezik, mint pl. élsugárzó lézereknél, elosztott visszacsatolású lézereknél, felületsugárzó lézereknél stb.