Говорячи про лазерах, в чому різниця між світлодіодом і твердотільним лазером? Є деякі відмінності, але обидва пристрої працюють за тим же принципом, що мають надлишкові електрони в зоні провідності напівпровідника і розташовують його так, що електрони рекомбінуються з дірками випромінювальним способом, виділяючи світло в процесі. Чим відрізняється лазер? У світлодіоді електрони рекомбінуються випадковим і неорганізованим чином. Вони виділяють світло тим, що відомо як спонтанне випромінювання, що просто означає, що точний час і місце, де фотон виходить з пристрою, залежить від кожного окремого електрона, і все відбувається випадковим чином.

Існує ще один спосіб, за допомогою якого збуджений електрон може випромінювати фотон, однак. Якщо поле світла (або набір фотонів) проходить повз електрон у стані високої енергії, це світлове поле може спонукати електрон випромінювати додатковий фотон через процес, який називається стимульованим випромінюванням. Фотонне поле стимулює електрон випромінювати свою енергію як додатковий фотон, який виходить у фазі зі стимулюючим полем. Це велика різниця між некогерентним світлом (що виходить від світлодіода або ліхтарика) і когерентним світлом, який виходить від лазера. При когерентному світлі всі електричні поля, пов'язані з кожним фононом, знаходяться точно в фазі. Ця когерентність - це те, що дозволяє нам утримувати лазерний промінь у щільному фокусі та дозволяти йому проїхати велику відстань без особливих розбіжностей або поширення.

Отже, як ми реструктуризуємо світлодіод так, щоб світло генерувалося стимульованим випромінюванням, а не спонтанним випромінюванням? По-перше, ми будуємо те, що називається гетероструктурою. Все це означає, що ми будуємо сендвіч з дещо інших матеріалів, з різними характеристиками. У цьому випадку ми розміщуємо дві широкі зони пропускання навколо області з більш вузьким зазором. Найважливішою системою, де це робиться, є\(\mathrm{AlGaAs} / \mathrm{GaAs}\) система. Діаграма смуг для такої установки показана на малюнку\(\PageIndex{1}\). \(\mathrm{AlGaAs}\)(вимовляється «Al-Gas») має більшу смугу пропускання, то робить\(\mathrm{GaAs}\). Потенційна «свердловина», утворена GaAs, означає, що електрони і дірки будуть обмежені там, і вся рекомбінація буде відбуватися в дуже вузькій смузі. Це значно збільшує шанси на те, що носії можуть взаємодіяти, але нам все одно потрібен певний спосіб, щоб фотони поводилися належним чином.

Подвійний гетероструктурний лазер з широкою смуговим зазором (N-AlGaAs) зліва, вузькою смугою (GaAs) посередині та широкою смугою (P-AlGaAs) праворуч. Енергетичні рівні N-AlGaAs щілини нижчі, ніж рівні p-AlGaAs щілини. Як електрон рекомбінується з діркою шляхом перетину від провідності до смуги балансу в області GaAs, він випромінює фотон. Рекомбінації не відбуваються в інших регіонах.
Малюнок\(\PageIndex{1}\): Подвійний\(\mathrm{GaAs} / \mathrm{AlGaAs}\) лазер гетероструктури

Малюнок\(\PageIndex{2}\) являє собою картину того, як може виглядати справжній діод. У нас є активний\(\mathrm{GaAs}\) шар, затиснутий між двома гетероструктурними утриманнями шарів, з контактом зверху та знизу. На будь-якому кінці пристрою кристал був «розщеплений» або розбитий вздовж площини кристалічної решітки. Це призводить до блискучої «дзеркальної» поверхні, яка буде відображати фотони. Задню поверхню (яку ми тут не бачимо) також сколюється, щоб вийшла дзеркальна поверхня. Інші поверхні навмисно шорсткі, щоб вони не відбивали світло.

Лазерний діод, що складається з сендвіча з контактами зовні, шару P-AlGaAs на нижньому контакті, активного шару GaAs над ним і шару N-AlGaAs над ним. Близьке до глядача обличчя бутерброда було розщеплено по площині кристалічної решітки.
Малюнок\(\PageIndex{2}\): Лазерний діод

Тепер подивимося на пристрій збоку, і намалюємо якраз діаграму смуг для\(\mathrm{GaAs}\) області (рис.\(\PageIndex{3}\)). Ми починаємо речі з електрона і дірки, що рекомбінуються спонтанно. Це випромінює фотон, який прямує до одного з дзеркал. Однак, оскільки фотон йде іншими електронами, це може призвести до розпаду одного з них шляхом стимульованого випромінювання. Два (у фазі) фотони потрапляють у дзеркало і відбиваються і починають назад в інший бік. Коли вони пропускають додаткові електрони, вони також стимулюють їх у перехід, і оптичне поле всередині лазера починає накопичуватися.

У лазерному діоді спочатку виділяється один фотон з електронно-діркової рекомбінації. Фотон рухається через діод і змушує інший електрон рекомбінувати стимульованим випромінюванням. Ці два фотони потрапляють в одну з відбивних розщеплених граней і рухаються назад через діод в іншому напрямку, викликаючи іншу рекомбінацію та вивільнення фотонів за рахунок стимульованого випромінювання.
Малюнок\(\PageIndex{3}\): Нарощування фотонного поля в лазерному діоді

Через трохи фотони спускаються на інший кінець порожнини. Розщеплена грань, хоча вона діє як дзеркало, не є ідеальною. Деякий світло не відбивається, а скоріше «протікає»; правда, і так стає вихідним променем від лазера. Деталі пошуку того, що таке відношення відбитого до проданого світла, доведеться почекати пізніше в курсі, коли ми говоримо про діелектричні інтерфейси. Решта фотонів відбиваються назад в порожнину і продовжують стимулювати випромінювання електронів, які продовжують надходити в область посилення через зміщення вперед на діоді.

Оскільки повторювані цикли відбиття від кінців діода і стимуляція рекомбінацій створюють велику кількість фотонів, як тільки вони дійдуть до кінця діода, вони вже не будуть відображатися назад. Деякі фотони будуть виходити з діода, стаючи вихідним променем лазера.
Малюнок\(\PageIndex{4}\): Вихідна муфта

Насправді фотони не рухаються вперед-назад у великій «грудці», як ми описали тут, скоріше вони розподілені рівномірно вздовж області посилення. Поле всередині порожнини буде нарощуватися до того моменту, коли втрата енергії від світла, що витікає з дзеркал, просто дорівнює швидкості, з якою енергія замінюється рекомбінуючими електронами.