Laserové diody – část 1. Základní principy Mgr. Michal Lukáš, Infineon Technologies Trutnov 1. Úvod Laserové diody (LD) – polovodičové lasery jsou nové typy zdrojů optického záření s kvalitativně novými, lepšími vlastnostmi ve srovnání s nekoherentními zdroji (např. luminiscenční diodou LED). Optické záření generované laserem je soustředěno do velmi úzkého intervalu vlnových délek, samotný laser se vyznačuje vysokou zářivostí a malou rozbíhavostí (divergencí) laserového svazku. 2. Generace světla Při přechodech elektronů ze stavu s větší energií do stavu s menší energií během emise fotonů je generováno záření. Soustavami, jež emitují fotony, jsou atomy ve volném stavu (v plynu), ionty ve volném stavu nebo zabudované v krystalové mřížce krystalu látky, dále molekuly, poruchy v krystalové mřížce nebo atomy příměsí v monokrystalech. V dalším textu bude výklad omezen pouze na elektrony. 2.1 Absorpce energie Elektrony se dostávají do stavu excitace (vybuzení) v důsledku absorpce (pohlcování) energie. V případě laserových či luminiscenčních diod jde o elektrickou energii (dále např. optická či tepelná energie). K vysvětlení absorpce energie fotonu je možné využít energetický model polovodiče na obr. 1.  Obr. 1. Energetický model polovodiče (W je energie) Vlivem absorpce energie (dopadající „foton“ – kvantum světelné energie) přeskočí elektron na vyšší energetickou hladinu. Je důležité si uvědomit, že foton je absorbován (elektron přeskočí na hladinu s větší energií) jen tehdy, je-li jeho energie rovná rozdílu mezi energií odpovídající té hladině, na niž se elektron dostává, a energií hladiny, na níž se elektron před skokem pohyboval. Pro případ uvedený na obr. 2 musí platit hf01 = W1 – W0 kde f01 je frekvence absorbovaného fotonu a h Plancova konstanta. Pro absorpci i emisi viditelného světla nebo infračerveného záření jsou vhodné látky, šířka jejichž zakázaného pásu je několik (1 až 4) elektronvoltů, tedy polovodiče. Elektrony setrvávají v excitovaném stavu velmi krátkou dobu (10–3 až 10–7s), poté se vracejí zpět za současné emise fotonu, popř. fononu (kvantum tepelné energie). Při emisi fotonu jde o zářivý přeskok. Emise může proběhnout jako spontánní (samovolná – luminiscenční diody), nebo stimulovaná (vynucená – laserový režim). 2.2 Spontánní emise záření Podle obr. 2 je v okamžiku t1 absorbován foton neboli kvantum světelné energie určité vlnové délky. V okamžiku t2 přejde elektron zpět do základního stavu. Protože jde o přeskok elektronu mezi stejnými (stejně vzdálenými) energetickými hladinami (W1 a W0), vyzáří se světelné kvantum mající stejnou energii jako to, které bylo v okamžiku t1 absorbováno. Platí f01 = f10. To znamená, že absorbované i emitované světlo mají stejnou frekvenci, resp. vlnovou délku l; l = c/f, kde c je rychlost světla ve vakuu. Jde o tzv. spontánní emisi záření.  Obr. 2. Schéma spontánní emise optického záření Časový interval Dt = t2 – t1 se při opakovaných excitacích v určitém rozmezí mění. Změny jsou důsledkem dalších probíhajících dějů (např. interakce s fotony, elektrostatické vlivy kmitající krystalické mřížky či pružné srážky volných atomů). Protože uvažovaná soustava má pouze dvě energetické hladiny, může absorbovat i emitovat pouze fotony jediné velikosti energie. Znamená to, že při dopadu záření obsahujícího celé pásmo frekvenčních složek (např. slunečního světla) využije kvantová soustava jen jedinou složku budicího světla. Tuto frekvenční složku soustava opět vyzáří. Vyzařované světlo je tedy monochromatické, se spektrem obsahujícím pouze jedinou spektrální čáru. Je důležité si uvědomit nahodilost, časovou i prostorovou nesouhlasnost emise zářivých kvant. Excitované elektrony přecházejí do stavu s minimální energií samovolně, spontánně v různých časových okamžicích. Světelná kvanta vystupující z látky proto mají různé fáze i různou polarizaci kmitů. Výsledné světlo je nekoherentní. Popsané děje nastávají ve většině světelných zdrojů (v žárovkách, výbojkách, luminiscenčních diodách). Luminiscenční dioda LED LED (light emitting diode) je zdroj nekoherentního záření. Princip luminiscenční diody je založen na rekombinaci, tzn. rekombinuje-li elektron s dírou, odevzdává energii zhruba rovnou šířce zakázaného pásu. Injekcí majoritních nosičů do polovodiče opačné vodivosti při přiložení napětí na PN přechod v propustném směru se zvýší pravděpodobnost rekombinace, a často k ní také dochází. Při rekombinaci každého páru elektron-díra se uvolní určité kvantum energie, které se může buď vyzářit mimo krystal, nebo být absorbováno v mříži. To se projeví zvýšenou teplotou krystalu. Vhodnými materiály jsou polovodiče s tzv. přímým přechodem (nevzniká fonon) a větší šířkou zakázaného pásu. Používané kombinace materiálů jsou GaAsP GaP, GaAlAs (červená), InGaP, SiC (zelená a modrá). Při aplikaci LED stačí zapojit diodu v propustném směru přes vhodný rezistor na zdroj napětí. Velikost proudu procházejícího diodou, jenž je zapotřebí k dosažení vhodné intenzity světla, je třeba vyčíst z katalogu; řádově jde o proudy desítek miliampérů. Využije-li se LED k indikaci střídavého napětí, je nutné dbát na to, že maximální povolené závěrné napětí těchto diod bývá malé; proto se doporučuje do série s LED zapojit usměrňovací diodu. Diody emitující světlo se používají k indikaci (nahrazení nespolehlivých žárovek), v zobrazovačích informací (sedmisegmentový či maticový zobrazovač), ve směrových světlech automobilů. Perspektivní aplikací LED se světlem vhodných barev (model RGB; R – red, G – green, B – blue) mohou být ploché obrazovky. 2.3 Stimulovaná emise záření V soustavě se dvěma energetickými hladinami v okamžiku t1 nastane excitace elektronu. Po uplynutí určitého časového intervalu Dt by elektron spontánně přešel zpět do základního stavu, přičemž by byl vyzářen foton s energií W1 – W0 nahodilého směru šíření a nahodilé fáze i polarizace vlnění. Je-li do soustavy přiveden foton s energií rovnou energetickému rozdílu uvažovaných hladin v časovém okamžiku t2 (obr. 3), který předchází okamžik vzniku spontánní emise, přejde elektron do základního stavu již v okamžiku t2. Foton, který svou přítomností tento přechod způsobil, se nazývá stimulující.  Obr. 3. Schéma stimulované emise optického záření Přechod elektronu do stavu s menší energií, vyvolaný stimulujícím fotonem, je doprovázen vyzářením fotonu, který má stejnou energii, stejný směr šíření, stejnou fázi i polarizaci vlnění jako stimulující foton. Stimulující foton se uvažovanou kvantovou soustavou nepohltil, pouze soustavou prošel a k němu se přidal stimulovaný foton (do soustavy vstupuje jeden foton – vystupují dva fotony). Odpovídající záření jsou navzájem koherentní. Popsaný jev, nazývaný stimulovaná emise záření, se využívá k zesilování světla. V běžných podmínkách (v termodynamické rovnováze) probíhá v látce, do níž je přiváděna energie, jak stimulovaná, tak i spontánní emise. Spontánní emise však převládá. Inverzní populace V látce s termodynamickou rovnováhou převládá počet elektronů v základním stavu (schopných absorpce, N0) nad počtem excitovaných elektronů (schopných emise, N1). Ohledně intenzity procházejícího světla I(z) zde platí: I(z) = I0 exp(–az), kde I0 je počáteční intenzita světla, z délka průchodu a a součinitel absorpce (závisí na druhu látky a na vlnové délce záření). Znaménko činitele je určeno znaménkem rozdílu N0 – N1. V takovéto látce s tzv. rovnovážnou populací se intenzita procházejícího světla zeslabuje. Nastane-li však případ, že N0 < N1, bude se intenzita procházejícího světla zesilovat v závislosti na délce z průchodu látkou. Jedná se o základní podmínku funkce laseru. Požadovaného stavu látky může být dosaženo přiváděním vhodného množství energie, tzv. buzením či čerpáním. V důsledku absorpce budící energie se zmenšuje počet neexcitovaných elektronů N0. Při určitém tzv. prahovém výkonu budicího zdroje, kdy se ztráty vyrovnávají ziskům, je N0 = N1 a po dalším buzení převládne počet excitovaných elektronů N1. Látka je v nerovnovážném energetickém stavu, vzniká tzv. inverzní populace. Látka v tomto stavu tvoří tzv. aktivní laserové prostředí, jež je schopno zesilovat světlo. Po vyzáření energie se látka vrací do rovnovážného stavu. 2.4 Optické rezonátory a módy Základním stavebním prvkem každého laseru je rezonátor. Optickým rezonátorem se rozumí dutina obklopená odrazovými plochami, v níž je pasivní dielektrické prostředí. Odrazy záření v rezonátoru se využívají k dosažení inverzní populace. Nejjednodušším příkladem optického rezonátoru je soustava dvou rovnoběžných rovinných zrcadel obdélníkového tvaru v určité vzdálenosti, tzv. Fabryův-Perotův rezonátor. U polovodičových laserů se jako zrcadlo převážně využívá odštípnutí krystalu v krystalografických rovinách. Na hranicích krystalu se mění index lomu n vzhledem k okolí a je splněna podmínka pro vedení vlny v prostředí: nprostředí > nokolí (n/GaAs/ = 3,34; n/vzduch/ = 1). Pro kolmý dopad paprsku na rozhraní polovodič-vzduch platí z Fresnelových rovnic pro činitel odrazu R: R = ((n – 1)/(n + 1))2 Energetické pole v dutině rezonátoru má charakter stojatých vln. Vlivem destruktivní a nedestruktivní interference vln, které se odrážejí od stěn, se ustálí elektromagnetické pole tzv. módů (vidů). Módy mohou být tvořeny pouze zářením o takových vlnových délkách, že rozměry rezonátoru lze vyjádřit jako celistvý násobek jejich poloviny. Dělí se na podélné, příčné horizontální a příčné vertikální. Podélné módy tvoří základní vlnové spektrum laseru. Příčné módy vymezují vyzařovací charakteristiku laseru a profil emitovaného svazku. V polovodičových laserech se používají i složitější typy rezonátorů, kde se objevují selektivní optické prvky, např. difrakční mřížky, které jsou určeny ke zlepšení kvality generovaného záření. Obsah další části: Laserové diody – část 2. Funkce a základní typy LD. Literatura:
[1] MIŠEK, J.: Polovodičové zdroje optického záření. Praha, 1988.
[2] SALEH, B. – TEICH, M.: Základy fotoniky 1–1. Matfyzpress, Praha, 1994.
[3] STRUMBAN, E. J.: Lasery a optoelektronika. Praha, 1989.
[4] MAŤÁTKO, J.: Elektronika – lasery: kvantové generátory světla. Idea servis, Praha, 1998.
[5] HÁBOVČÍK, P.: Lasery a fotodetektory. Vysokoškolská učebnice pro elektrotechnické fakulty vysokých škol. Bratislava, 1990. | 
