Полупроводнико́вый ла́зер, один из типов лазера, в котором рабочим веществом служит полупроводниковая среда. В полупроводниковом лазере используются излучательные переходы между энергетическими зонами или подзонами кристалла. Существует несколько разновидностей полупроводникового лазера: инжекционный лазер, гетеролазер, лазер на квантовых точках, квантовый каскадный лазер. В большинстве полупроводниковых лазеров излучение происходит за счёт рекомбинации электронов и дырок. Накачку в таких лазерах осуществляют электрическим током, электронным пучком, оптическим излучением. Большинство полупроводниковых лазеров, например инжекционный, работают при накачке электрическим током. Важнейшими преимуществами полупроводникового лазера являются высокий кпд, миниатюрные размеры, малая инерционность, простота конструкции и малое электропотребление. Полупроводниковый лазер – единственный тип лазеров, допускающий монолитную интеграцию с элементной базой обычной полупроводниковой электроники. Поэтому полупроводниковые лазеры – самые популярные и широко распространённые лазеры в науке и технике.

Принцип действия

Во всех полупроводниковых лазерах, за исключением квантовых каскадных, фотоны электромагнитного поля генерируются при межзонных переходах в результате излучательной рекомбинации избыточных электронов в зоне проводимости и избыточных дырок в валентной зоне. Состояние инверсной населённости создаётся интенсивной накачкой, и при наличии обратной связи, осуществляемой с помощью оптического резонатора, генерируется излучение.

Квантовые каскадные лазеры принципиально отличаются от инжекционных, поскольку в них используются носители заряда одного знака. В квантовых каскадных полупроводниковых лазерах фотоны излучаются без участия дырок при переходах электронов между подзонами разрешённой зоны в полупроводниковой сверхрешётке. При соответствующих составе квантовых ям сверхрешётки, толщине слоёв и достаточном токе накачки возникает инверсия населённости в подзонах и, как следствие, генерация излучения. Движение электронов при лазерной генерации представляет собой каскад переходов между соседними квантовыми ямами, сопровождающихся вынужденным испусканием фотонов.

По типу активной среды полупроводниковые лазеры можно разделить на лазеры с объёмной активной областью (3D), на основе квантовых ям (2D), квантовых проволок (1D) и квантовых точек (0D). По типу вывода излучения полупроводниковые лазеры подразделяются на лазеры, излучающие с торцов полупроводникового чипа, и поверхностно излучающие лазеры (с вертикальным резонатором). По типу резонатора полупроводниковые лазеры можно разделить на лазеры с внешним резонатором и с собственным резонатором (монолитные), с резонаторами Фабри – Перо, с резонаторами с распределённой обратной связью, с брэгговскими распределёнными зеркалами. Активная область в полупроводниковом лазере может состоять либо из одного излучающего элемента, либо представлять собой набор излучающих элементов в виде фазированной линейки или двумерной матрицы для увеличения мощности и энергии излучения. Мощность излучения различных полупроводниковых лазеров лежит в диапазоне от 1 мВт до единиц и десятков киловатт. Разные полупроводниковые лазеры излучают как в непрерывном режиме, так и в импульсном, генерируя ультракороткие импульсы длительностью до 100 фс (10^–13 с).

Полупроводниковые материалы для активной среды

В полупроводниковом лазере в качестве активной среды используются прямозонные полупроводники, в которых созданные накачкой электроны и дырки имеют примерно одинаковый квазиимпульс. Они занимают энергетические состояния в соответствующих экстремумах валентной зоны и зоны проводимости и затем рекомбинируют с излучением. Другие частицы в этом процессе не участвуют, и вероятность межзонных переходов, которой пропорциональна интенсивность излучения, велика. В непрямозонных полупроводниках, например таких, как кремний или германий, для рекомбинации носителей заряда необходимо участие других частиц или квазичастиц, например фононов. Это на много порядков уменьшает вероятность излучательных переходов, и межзонная люминесценция существенно подавлена. Попытки создать эффективные полупроводниковые лазеры на непрямозонных полупроводниках закончились неудачей. Все созданные полупроводниковые лазеры используют прямозонные полупроводники, относящиеся либо к бинарным соединениям $\text{A}^\text{III}\text{B}^\text{V}$, $\text{A}^\text{IV}\text{B}^\text{VI}$, $\text{A}^\text{II}\text{B}^\text{VI}$, либо к твёрдым растворам трёх или четырёх полупроводников. Композиции полупроводников с различной шириной запрещённой зоны позволяют получать излучение различных длин волн от УФ- до далёкого ИК-диапазона. К самым распространённым полупроводниковым лазерам относятся лазеры на основе $\text{InGaN/GaN}$ (длина волны 405–450 нм), $\text{AlGaInP}$ (635–670 нм), $\text{GaAlAs}$ (785–808 нм), $\text{GaAs/AlGaAs}$ (850–890 нм), $\text{InGaAs}$ (980 нм), $\text{InGaAsP}$ (1300–1600 нм). Кроме неорганических полупроводников, для полупроводниковых лазеров используют также органические полупроводники.

Применение

Полупроводниковые лазеры широко применяются в различных областях, что обусловлено целым рядом их достоинств: компактностью, высокой эффективностью преобразования подводимой энергии, возможностью плавной перестройки длины волны излучения, широким диапазоном длин волн генерации (от 0,3 до 30 мкм). В волоконно-оптических линиях связи наиболее широко используются полупроводниковые лазеры, излучающие на длинах волн 1300 и 1550 нм и обеспечивающие работу таких популярных служб, как Интернет и мобильная телефония. Второе массовое применение полупроводниковых лазеров – оптическая память, запись и воспроизведение аудио- и видеоинформации. Все компьютерные компоненты и бытовые звуко- и видеовоспроизводящие устройства [устройства записи и чтения компакт-дисков, DVD-дисков и дисков с повышенной плотностью записи (формата Blue-Ray)] используют полупроводниковые лазеры. К другим важным применениям полупроводниковых лазеров относятся накачка твердотельных и волоконных лазерных систем, медицина и биофотоника, обработка материалов, индустрия развлечений, оптические сенсоры и дальномеры, приборостроение и научные исследования.