לייזר דיודה

לייזר דיודה (הקרוי גם לייזר מוליך-למחצה או לייזר הזרקה, באנגלית: laser diode) הוא רכיב הפולט קרן לייזר על ידי שימוש בתכונות החשמליות והאופטיות של הדיודה.

רקע פיזיקלי

דיודה 
דיודה עשויה ממוליך למחצה המחולק לשני אזורים המזוהמים על ידי אטומים של יסודות אחרים כך שחלק אחד מזוהם באטומים להם יש אלקטרון עודף בשכבת ההולכה (השכבה החיצונית) אשר יכול לנוע בחופשיות בין אטומים (אלקטרונים חופשיים) - חלק ה-n-type; וחלק שני מכיל אטומים להם אלקטרון חסר בשכבה החיצונית היוצר חור - חלק ה-p-type. חיבור של שני האזורים האלה גורם לאלקטרונים החופשיים מהחלק הראשון לעבור לחלק השני כתוצאה מדיפוזיה ולהיכנס לחורים בתהליך הנקרא רקומבינציה (התמזגות). מעבר האלקטרונים יוצר אזור שלילי בצד הp-type וחיובי בצד הn-type וביחד הם יוצרים את אזור המחסור. הפרש הפוטנציאלים באזור המחסור יוצר שדה חשמלי הגורם לתנועה של אלקטרונים (סחיפה) בכיוון ההפוך לכיוון הדיפוזיה (מ-p ל-n) עד שמגיעים למצב של שיווי משקל בין הדיפוזיה לסחיפה, ומתקבל צומת שהוא מחסום מתח המונע ממטענים לעבור. מקור מתח חיצוני המחובר כך שהוא יוצר מתח בין שני האזורים של הדיודה הגדול ממחסום המתח (ממתח קדמי) משחרר את המחסום ומאפשר מעבר של מטענים דרך הצומת וגורם לזרם. במעבר של אלקטרונים דרך הדיודה ממשיכה להתרחש רקומבינציה בין חורים לאלקטרונים אשר גורם לפליטה של אנרגיה.

תנאים ליצירת לייזר (לזירה) 
לייזר דיודה בנוי ממוליך למחצה ויסודות מזהמים מיוחדים כך שבעת רקומבינציה האנרגיה המשתחררת תהייה בצורת אור (פוטון) ולא בצורת חום. אנרגיה זו תלויה בהרכב הכימי של הדיודה ושווה לפער האנרגיה בין הרמה המוליכה (מעוררת), בה נמצא האלקטרון, לרמה הלא מוליכה בה נמצא החור (רמת הערכיות). הרקומבינציה מתרחשת בצורה ספונטנית וגורמת לפליטה ספונטנית של אור ובכך מתקבלת דיודה פולטת אור (LED).
פוטונים שנפלטו בצורה ספונטנית המכילים אנרגיה השווה להפרש רמות האנרגיה של האלקטרונים יכולים לפגוע באלקטרון הנמצא ברמה המעוררת ולגרום לו "ליפול" לרמת הערכיות ולפלוט עוד פוטון בנפילה. תהליך זה נקרא פליטה מאולצת. על מנת שתהייה פליטה מאולצת שתגרום ללזירה הזרם העובר דרך הדיודה צריך לעבור זרם סף מסוים שיגרום לכניסה מרובה של אלקטרונים לדיודה אשר תביא להיפוך אוכלוסין, תנאי הכרחי ללזירה אשר בו ישנם יותר אטומים במצב מעורר מאשר במצב יציב. במצב של היפוך אוכלוסין ההסתברות שפוטון יפגע באלקטרון מעורר גבוהה מאוד וכך נוצרת תגובת שרשרת שגורמת לעוד ועוד פוטונים המכילים את אותה אנרגיה ובעלי אותן תכונות להשתחרר בעוד אספקת הזרם החיצונית דואגת להחזיר את האלקטרונים למצב מעורר. כך מקבלים לייזר -מקור אור האחיד בתכונותיו האופטיות.

האזור בדיודה בו מתבצעת הפליטה המאולצת והעירור מחדש של האלקטרונים נקרא התווך הפעיל. כדי ליצור הגבר לתופעה ניתן לבנות את הדיודה כך שמצדדיו של התווך הפעיל יתווסף עוד סוג של זיהום למוליך למחצה אשר יגרום לשינוי במקדם השבירה שלו כך שיהיה נמוך יותר מהתווך ובכך תיווצר כליאה של האור כתוצאה מהחזרה פנימית מלאה הנובעת מחוק סנל (Snell's law). בנוסף ניתן להוסיף מראה המחזירה 100% מהאור בקצה הדיודה ממנו לא נרצה שיצא אור כדי להגביר את אפקט השרשרת. ההגברה המתקבלת בלייזר הדיודה מאוד גבוהה ולכן מספיק תווך פעיל קצר מאוד לקבלת לזירה.

שימושים בלייזר דיודה

בתקשורת 
מקור האור בתקשורת בעזרת סיבים אופטיים.

בתעשייה
ציפוי מתכות בשכבת מגן.
עירור לייזרים מסוגים שונים.
ריתוך תפר.
עיבוד מתכות.
מדידת מרחקים.
הולוגרפיה.

בשימוש ביתי ומשרדי 
קריאת וצריבת דיסקים במחשב ובDVD.
סריקת מסמכים ולהדפסה בלייזר.
מצביעי לייזר.
קוראי ברקוד.

ברפואה 
ריתוך רקמות
צריבת כלי דם
ניטור מדדים רפואיים - למשל ריכוז פחמן דו-חמצני בנשיפה, רווית חמצן בדם ועוד

ראו גם
לייזר
לייזר מצב-מוצק
לייזר גז
דיודה
דיודה פולטת אור (LED)
פליטה מאולצת
פיזיקה קוונטית
אטום
רכיב אלקטרוני

לקריאה נוספת
B. Van Zeghbroeck's Principles of Semiconductor Devices( for direct and indirect band gaps)
Saleh, Bahaa E. A. and Teich, Malvin Carl (1991). Fundamentals of Photonics. New York: John Wiley & Sons. . ( For Stimulated Emission )
Koyama et al., Fumio (1988), "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser", Trans. IEICE, E71(11): 1089–1090( for VCSELS)
Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser—Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6(6): 1201–1215(for VECSELS)
Duarte, F. J. (2016), "Broadly tunable dispersive external-cavity semiconductor lasers", in Tunable Laser Applications. New York: CRC Press. . pp. 203–241 (For external cavity diode lasers).

קישורים חיצוניים

 מכון ויצמן - לייזרים ויישומיהם - לייזר דיודה
 An Introduction to Laser Diodes
 Overview of available single mode diode lasers
 Video showing laser bar assembly process
 Sam's Laser FAQ by Samuel M. Goldwasser
 Driving Diode Lasers (EuroPhotonics – 08/2004)
 Britney Spears Guide to Semiconductor Physics Edge-emitting lasers
 Application and technical notes explaining current and temperature control of laser diodes
 Application explaining how to design and test laser driver 

ערכים שבהם תבנית בריטניקה אינה מתאימה
לייזרים