是什么让 LED 成为激光二极管?

电器工程 引领 成分 激光二极管
2022-01-07 12:34:29

这个问题的高层调查很好:

在阅读了https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode之后,我仍然无法判断使二极管发光的电子设备是否不同于使其发光的电子设备。那么,一般来说,激光二极管是 LED加上某种光学谐振器或腔体吗?

或者任何激光二极管本身在电子上与非激光 LED 不同,这意味着它们看起来不像 LED加上一些额外的物理结构以允许它们充当激光器?

4个回答

我仍然无法判断使二极管能够发射激光的电子设备是否不同于使其能够发光的电子设备

不是电子设备,而是光腔。

如果光信号通过增益介质(PN 结)反馈,使得往返损耗不超过往返增益,“LED”将开始发光。

激光二极管的腔可以由芯片表面上的切割面、芯片中图案化的布拉格反射器、甚至是外部透镜和/或某种类型的镜子形成。

通常,设计为激光二极管的器件还将在芯片上包含波导结构(并与结重叠)以促进低往返损耗,而设计为 LED 的器件不会有任何明显的波导结构,尽管有还有诸如谐振腔 LED (RCLED) 之类的东西。

LED:二极管上的电压将带隙中的自由电子提升到更高的水平。当它们下降到较低的水平时,它们会发光。由于量子力学的规则,如果不采取其他措施,这种情况自发发生是随机的。LED 的自由度允许可变波长(频率)和时间点。因此发射的光子是“非相干的”。

激光:光子的自由度被移除。光学腔只允许一个(或很少)波长(谐振器长度的因素)。而先前发射的光子“路过”,刺激了新光子的发射。所以大多数光子具有相同的相位和频率。它们是“连贯的”。

即使 LED 已经具有非常小的波长变化,激光光学器件也会减少这种变化。激光的反直觉方面来自量子力学。您可能会认为光子是自发发射的,然后如果它具有适合谐振器几何形状的正确波长,就会发生谐振。但是由于量子力学,激光(二极管)的几何形状使得光子不太可能自发发射或以其他波长发射。

二极管激光器是光学腔中的 LED。

二极管激光器有点酷,因为它们“违反”了一些激光规则:

  1. 半导体的增益是如此之大,以至于即使产生空腔的刻面半径非常高(即基本上是平的),它仍然会发出激光。(激光方程预测一对平面激光需要无限增益)!

  2. 有证据表明,泵浦介质至少需要三个能级才能产生激光,但半导体激光器只有两个能级(因为它们不是光泵浦的,而是电泵浦的)。

为了使 LED 被视为“激光”LED,其设计必须使其产生的一定量的光必须通过光学(或电)方式反射回自身,以便新创建的(通过刺激) 光子与之前的光子“步调一致”,从而产生相干的光子束。
满足辐射要求的S激发E任务是它成为激光器的原因!