Понятие о лазерах и лазерных диодах

Среди полупроводниковых компонентов не только светодиоды могут излучать свет. На основе кристаллов с электронной проводимостью из арсенида галлия можно создавать полупроводниковые лазерные диоды. Принцип работы лазеров сводится к индуцированно­му либо вынужденному монохроматическому излучению. Монохроматический свет - это излучение строго опреде­ленной длины волны. Генерирование квантов происходит вследствие перехода электронов с дальних электронных орбит на более близкие к ядру. Электроны стремятся занять орбиты близкие к ядру. Чтобы переместить электро­ны на более дальние энергетические уровни, требуется затратить энергию. Излучение квантов происходит когерентно по отношению к возбуждающему электро­ны воздействию. Под когерентностью подразумевается воздействие и его результат с одной фазой, направлен­ностью, частотой и поляризацией. Монохроматическое излучение исходит из активной среды лазера, которая преобразует энергию, подводимую к ней от генератора накачки в энергию электромагнитного поля. Генератор накачки берет энергию от источника питания. Чтобы получить излучение, необходимо соединить оптический резонатор с активной средой. От исполнения оптического резонатора и от способа получения излучения зависит когерентность. Оптический резонатор Фабри-Перо может состоять из двух стекол — прозрачного и непрозрач­ного, между которыми размещена активная среда из рубина или сапфира. Излучение проходит сквозь прозрачное стекло и излучается в пространство. Так как вырабатываемые лазером колебания когерентны во вре­мени и пространстве, можно сконцентрировать энергию в чрезвычайно тонком луче, что позволяет значительно увеличить дальность действия лазера.

В полупроводниковых лазерных диодах возникает инжекция дырок и электронов на границе p-n перехода, сопровождаемая монохроматическим излучением. Полупроводниковые лазерные диоды обладают высокой надежностью, малыми габаритами и массой и могут быть подключены к низковольтному источнику питания с на­пряжением всего несколько вольт. Благодаря указанным достоинствам лазерные диоды широко используют в лазер­ных головках считывания и записи CD и DVD приводов к компьютерам, оптических микросхемах, волоконно - оптических системах передачи информации на расстояние. Узкий луч невидимой глазом длины волны весьма трудно обнаружить. Лазерные системы позволяют извлекать информацию из дрожащего от звука голоса стекла и дру­гих веществ, что используют в работе соответствующие службы и органы. Однако узко направленный луч про­блематично точно навести на объект, поэтому применяют специальные устройства наведения. Так как типичные частоты лазерных систем составляют от 10¹⁴ до 10¹⁸ Гц, а в радиосистемах 10¹⁰ Гц то через лазерные системы можно пропустить значительно больше информации за фиксированный промежуток вре­мени, поэтому волоконно-оптические системы используют для связи модемов на больших расстояниях. Так как луч лазера монохроматический, можно, применяя систему узкополосных фильтров, многократно повысить помехо­защищенность системы связи относительно радиосвязи. В оптоволоконном кабеле на лазерное излучение не влияет свечение Солнца, звезд, фонарей и других ис­точников квантового шума, что позволяет минимизировать искажения информации при передаче.

К основным параметрам лазеров относят длину волны излучения, КПД, когерентность, габариты и массу. Лазерные системы подразделяют на следующие виды:

1. с прохождением излучения в открытом пространс­тве недалеко от поверхности Земли;

2. волоконно-оптические системы передачи больших массивов информации, например, между пользова­телем Интернета и провайдером;

3. научного изучения других планет, астероидов, ес­тественного спутника Земли;

4. инструменты хирургов для проведения бескровных операций вследствие разрезания с одновременным прижиганием тканей, применяемые чаще всего в офтальмологии, полостной и нейрохирургии;

5. военные системы лазерного оружия, например, для точного наведения ракет на цель.