de Chris Woodford. Ultima actualizare: 26 iulie 2023.

Sunt șanse să fi folosit un laser cu semiconductor în ultimele zile fără să știi. Dacă ai urmărit un DVD, te-ai „cautat prin” unul; dacă ați fost într-un magazin alimentar și ați trecut un produs cu coduri de bare prin casă pe care l-ați cumpărat cu unul; dacă ați făcut un apel telefonic la distanță lungă prin cablu de fibră optică ați „vorbit prin” unul; și dacă ați imprimat ceva cu o imprimantă laser imprimarea dvs. a trecut foarte aproape de una. Laserele cu semiconductori produc fascicule de lumină puternice și precise (cum ar fi laserele obișnuite), dar au aproximativ aceeași dimensiune cu LED-urile simple – micile lămpi colorate pe care le vezi pe panourile de instrumente electronice.

Diodele laser timpurii puteau declanșa doar un singur fascicul relativ mic, dar ingenioșii ingineri electronici au găsit curând modalități de a le face considerabil mai puternice. Începând cu anii 1990, o abordare comună a fost montarea unui număr de diode laser una peste alta (cum ar fi un bloc de apartamente) și apoi focalizarea fasciculelor lor individuale într-un singur fascicul de ieșire folosind un
colimator și/sau lentilă. Acest tip de aranjament este denumit diferit stivă laser semiconductor, diodă laser stivuită sau doar stivă de diode. Pe lângă faptul că produce mai multă putere decât o singură diodă laser, o stivă deschide posibilitatea de a genera mai multe lungimi de undă diferite în același timp (deoarece fiecare laser din stivă poate face unul diferit). În loc de o singură joncțiune PN, există mai multe, iar fasciculele de lumină laser ies din straturile active dintre ele; de obicei, există și cel puțin o joncțiune de tunel între straturile stivuite. O singură pereche de terminale (uneori numite contacte ohmice) alimentează cu energie electrică întreaga stivă.

Artă: O diodă laser simplă stivuită, care cuprinde două lasere cu diodă una peste alta și realizată din straturi dopate de arseniură de aluminiu și galiu. Terminalele (contacte ohmice) sunt afișate cu gri în partea de sus și de jos, substratul (materialul de bază) este verde, straturile de tip P sunt afișate în albastru și straturile de tip N în roșu. Joncțiunea tunelului este etichetată J2. Opera de artă prin amabilitatea Oficiului de brevete și mărci comerciale din SUA, de la Patent SUA nr. 5.212.706: Ansamblu de diode laser cu joncțiuni de tunel și care oferă fascicule multiple de Faquir C. Jain, Universitatea din Connecticut, 18 mai 1993.

Cui îi mulțumim pentru această invenție fantastică? General Electric Dr Robert N. Hallcare și-a depus brevetul pentru idee („Dispozitive cu semiconductor cu emisie stimulată”) la 24 octombrie 1962 (a fost acordat ca Brevetul SUA nr. 3.245.002 la 5 aprilie 1966). Iată unul dintre desenele din acel brevet, care arată aranjamentul de bază al pieselor descrise mai sus. Numerotarea este originala lui Hall, dar am adăugat colorarea și descrierile simplificate pentru a fi mai ușor de urmărit:

Artă: brevetul original al diodei laser al lui Robert Hall, prin amabilitatea Oficiului de brevete și mărci comerciale din SUA.

1. O diodă laser cu semiconductor PN tipic.
2. Regiunea de tip P (albastru).
3. Regiunea de tip N (roșu).
4. Regiunea de joncțiune PN (cavitatea rezonantă) unde lumina este produsă prin emisie stimulată. Acest lucru nu este desenat la scară! În brevetul original al lui Hall, este descris ca având o grosime de 0,1 microni (0,1 milionatimi de metru, 0,1μm sau 1000 Angstroms).
5. Electrodul superior.
6. Lipire care fixează electrodul superior la regiunea de tip p.
7. Electrodul inferior.
8. Lipire care fixează electrodul inferior la regiunea de tip n. (Acest lucru acoperă întreaga bază a regiunii de tip n, nu doar conturul exterior gri prezentat aici.)
9. Conector electrod superior.
10. Conector electrod inferior.
11. Suprafața frontală foarte lustruită.
12. Suprafața din spate foarte lustruită, care trebuie să fie exact paralel cu suprafața frontală pentru a asigura undele de radiație electromagnetică (lumină laser) sunt produse și emise eficient în cavitatea rezonantă dintre regiunile de tip p și de tip n. Suprafețele 11 și 12 pot fi acoperite cu oglinzi sau un strat metalic pentru a îmbunătăți efectul de rezonanță.
13. Suprafața laterală tăiată în unghi (sau aspru) pentru a preveni formarea undelor de lumină în alte direcții.
14. Cealaltă suprafață laterală tăiată la un unghi similar sau rugoasă într-un mod similar.

Puteți citi mult mai multe detalii în brevetul lui Robert Hall, enumerat în referințele de mai jos.

Dezvoltarea recentă a
diode laser ultraviolete profunde indică calea către biosenzori mai mici și mai ieftini și numeroase alte aplicații biologice interesante, inclusiv sterilizarea alimentelor ieftine și a apei.

• Dioda laser albastră: povestea completă de Shuji Nakamura, Stephen Pearton, Gerhard Fasol. Springer, 2013. Un fizician laureat al Premiului Nobel își amintește cum a dezvoltat diode laser cu lungime de undă scurtă, cunoscute mai ales pentru utilizarea lor în playerele de filme Blu-ray.
• Fundamentele semiconductoare-laser de Weng W. Chow și Stephan W. Koch. Springer, 2013.
• Lasere cu diode de mare putere: noțiuni fundamentale, tehnologie, aplicații de Roland Diehl. Springer, 2003.
• Lasere cu semiconductor: trecut, prezent și viitor de Govind P. Agrawal. AIP Press/Institutul American de Fizică, 1995.

Articole

• Laserele cu diodă sar la ultraviolete adânci de Jeff Hecht. Spectrul IEEE. 9 ianuarie 2020. Un laser cu diodă cu semiconductor cu mult mai ultraviolete deschide calea către noi aplicații, cum ar fi biosenzorii mai mici și mai ieftini.
• Laser Li-Fi ar putea exploda 100 de gigabiți pe secundă de Neil Savage. Spectrul IEEE. 8 aprilie 2015. Rețelele „Wi-Fi” care folosesc lumină în loc de unde radio ar putea trimite informații mai rapid și mai eficient.
• Farurile laser BMW taie prin întuneric de Lawrence Ulrich. Spectrul IEEE. 25 octombrie 2013. Mașinile folosesc acum diode laser luminoase și eficiente în loc de LED-uri și becuri cu halogen.
• Amintind dioda laser: Nature Photonics, 30 noiembrie 2012, Volumul 6, pagina 795. Cum au schimbat lumea cu laserele cu diodă, eficiente cu costuri reduse.
• Nașterea revoluționară a laserului cu diodă de Jeff Hecht, Optics & Photonics News, iulie/august 2007. Povestea laserelor cu diode la 45 de ani. (cu plată)
• Laserul cu tranzistor de Nick Holonyak Jr. și Milton Feng. IEEE Spectrum, 1 februarie 2006. Putem aștepta cu nerăbdare o nouă eră a laserelor cu tranzistori care pot produce atât ieșiri optice, cât și electrice?

Videoclipuri

Brevete

Pentru detalii tehnice mult mai profunde, încercați aceste brevete reprezentative (și urmați linkurile din stadiul tehnicii și citatele din interiorul lor pentru a găsi altele):

• Brevetul SUA nr. 3.245.002: Dispozitive semiconductoare cu emisie stimulată de Robert N. Hall et al, General Electric. 5 aprilie 1966. Brevetul timpuriu al laserului semiconductor al lui Robert Hall. Aceasta este o descriere tehnică detaliată a modului în care au funcționat primele lasere semiconductoare prin crearea luminii în interiorul unei diode.
• Brevetul SUA nr. 3.303.432: Dispozitive laser cu semiconductor de mare putere de William E Engeler, Garfinkel Marvin, General Electric. 7 februarie 1967. Bazându-se pe brevetul lui Hall, acesta prezintă diode cu putere mai mare și eficiență mai mare.
• Brevetul SUA nr. 3.936.322: Metodă de realizare a unui laser cu diodă cu heterojoncție dublă de Joseph M. Blum şi colab., IBM. 3 februarie 1976. Descrie o metodă de fabricare a diodelor laser.
• Patent SUA nr. 5.212.706: Ansamblu de diode laser cu joncțiuni de tunel și care oferă fascicule multiple de Faquir C. Jain, Universitatea din Connecticut, 18 mai 1993. Un brevet influent descrie ideea de bază a laserului stivă de diode.
• Brevetul SUA nr. 6.236.670: Laser cuprinzând diode laser stivuite produse prin creșterea epitaxială introdusă între două oglinzi Bragg de Julien Nagle și Emmanuel Rosencher, Thomson-Csf. 22 mai 2001. O abordare alternativă pentru realizarea unui laser puternic dintr-un stivă verticală de diode laser.