לייזר מוליך למחצה באורכי גל שונים (660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm, 405 nm)
לייזר דיודה (באנגלית: diode laser; קרוי גם לייזר מוליך-למחצה, לייזר הזרקה) הוא רכיב הפולט קרן לייזר על ידי שימוש בתכונות החשמליות והאופטיות של הדיודה. לעיתים הרכיב נקרא דיודת לייזר (באנגלית: laser diode).
רקע פיזיקלי
דיודה
דיודה עשויה ממוליך למחצה המחולק לשני אזורים המאולחים על ידי אטומים של יסודות אחרים כך שחלק אחד מאולח באטומים להם יש אלקטרון עודף בפס ההולכה (הפס החיצוני) אשר יכול לנוע בחופשיות בין אטומים (אלקטרונים חופשיים) - חלק זה נקרא מוליך למחצה מסוג n; וחלק שני מכיל אטומים להם אלקטרון חסר בשכבה החיצונית היוצר חור – חלק זה נקרא מוליך למחצה מסוג p. חיבור של שני האזורים האלה גורם לאלקטרונים החופשיים מהחלק הראשון לעבור לחלק השני כתוצאה מפעפוע ולהיכנס לחורים בתהליך הנקרא רקומבינציה (התאחות). מעבר האלקטרונים יוצר אזור שלילי בצד ה־p וחיובי בצד ה־n וביחד הם יוצרים את אזור הדלדול. הפרש הפוטנציאלים באזור המחסור יוצר שדה חשמלי הגורם לתנועה של אלקטרונים (זרם סחיפה) בכיוון ההפוך לכיוון הדיפוזיה (מ-p ל-n) עד שמגיעים למצב של שיווי משקל בין הדיפוזיה לסחיפה, ומתקבל צומת שהוא מחסום מתח המונע ממטענים לעבור. מקור מתח חיצוני המחובר כך שהוא יוצר מתח בין שני האזורים של הדיודה הגדול ממחסום המתח (ממתח קדמי) משחרר את המחסום ומאפשר מעבר של מטענים דרך הצומת וגורם לזרם. במעבר של אלקטרונים דרך הדיודה ממשיכה להתרחש רקומבינציה בין חורים לאלקטרונים אשר גורם לפליטה של אנרגיה.
סכמה של מבנה של לייזר דיודה. ניתן לראות שהתווך הפעיל (באדום) נמצא בחיבור בין חומר ה-n לחומר ה-p. שכבות A הן בעלות מקדם שבירה נמוך משל שכבות B ליצירת החזרה פנימית מלאה
תנאים ליצירת לייזר (לזירה)
לייזר דיודה בנוי ממוליך למחצה ויסודות מזהמים מיוחדים כך שבעת רקומבינציה האנרגיה המשתחררת תהייה בצורת אור (פוטון) ולא בצורת חום. אנרגיה זו תלויה בהרכב הכימי של הדיודה ושווה לפער האנרגיה בין הרמה המוליכה (מעוררת), בה נמצא האלקטרון, לרמה הלא מוליכה בה נמצא החור (רמת הערכיות). הרקומבינציה מתרחשת בצורה ספונטנית וגורמת לפליטה ספונטנית של אור ובכך מתקבלת דיודה פולטת אור (LED).
פוטונים שנפלטו בצורה ספונטנית המכילים אנרגיה השווה להפרש רמות האנרגיה של האלקטרונים יכולים לפגוע באלקטרון הנמצא ברמה המעוררת ולגרום לו "ליפול" לרמת הערכיות ולפלוט עוד פוטון בנפילה. תהליך זה נקרא פליטה מאולצת. על מנת שתהייה פליטה מאולצת שתגרום ללזירה הזרם העובר דרך הדיודה צריך לעבור זרם סף מסוים שיגרום לכניסה מרובה של אלקטרונים לדיודה אשר תביא להיפוך אוכלוסין, תנאי הכרחי ללזירה אשר בו ישנם יותר אטומים במצב מעורר מאשר במצב יציב. במצב של היפוך אוכלוסין ההסתברות שפוטון יפגע באלקטרון מעורר גבוהה מאוד וכך נוצרת תגובת שרשרת שגורמת לעוד ועוד פוטונים המכילים את אותה אנרגיה ובעלי אותן תכונות להשתחרר בעוד אספקת הזרם החיצונית דואגת להחזיר את האלקטרונים למצב מעורר. כך מקבלים לייזר -מקור אור האחיד בתכונותיו האופטיות.
האזור בדיודה בו מתבצעת הפליטה המאולצת והעירור מחדש של האלקטרונים נקרא התווך הפעיל. כדי ליצור הגבר לתופעה ניתן לבנות את הדיודה כך שמצדדיו של התווך הפעיל יתווסף עוד סוג של זיהום למוליך למחצה אשר יגרום לשינוי במקדם השבירה שלו כך שיהיה נמוך יותר מהתווך ובכך תיווצר כליאה של האור כתוצאה מהחזרה פנימית מלאה הנובעת מחוק סנל (Snell's law). בנוסף ניתן להוסיף מראה המחזירה 100% מהאור בקצה הדיודה ממנו לא נרצה שיצא אור כדי להגביר את אפקט השרשרת. ההגברה המתקבלת בלייזר הדיודה מאוד גבוהה ולכן מספיק תווך פעיל קצר מאוד לקבלת לזירה.
רכיב לייזר דיודה ארוז מוצב ליד מטבע חמישה סנט להמחשת גודלו
B. Van Zeghbroeck's Principles of Semiconductor Devices( for direct and indirect band gaps)
Saleh, Bahaa E. A. and Teich, Malvin Carl (1991). Fundamentals of Photonics. New York: John Wiley & Sons. ISBN 0-471-83965-5. ( For Stimulated Emission )
Koyama et al., Fumio (1988), "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser", Trans. IEICE, E71(11): 1089–1090( for VCSELS)
Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser—Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6(6): 1201–1215(for VECSELS)
Duarte, F. J. (2016), "Broadly tunable dispersive external-cavity semiconductor lasers", in Tunable Laser Applications. New York: CRC Press. ISBN 9781482261066. pp. 203–241 (For external cavity diode lasers).
