Laser: Licht-Verstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung, engl. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Die Energie eines einfallenden Photons E = hυ regt den Emissionsvorgang durch Induzieren eines Elektrons zum Übergang in eine niedrigere Energieebene an. Dieser Vorgang ermöglicht die Verstärkung von Photonen: Ein einfallendes Photon hat zwei abgehende Photonen zur Folge, die die gleiche Richtung, Wellenlänge und Phase haben.
Die im vorigen Kapitel präsentierten LED basieren auf einem Mechanismus der spontanen Emission, aber LD (Laserdioden) beruhen auf dem Prinzip der stimulierten Emission.
Um die Verstärkung des Lichts durch eine stimulierte Emission zu erzielen, muss die Wahrscheinlichkeit der Photonenemission höher als die Wahrscheinlichkeit der Absorption für den gegebenen Spektralbereich sein. Falls die stimulierte Emission dominiert, wird das Licht verstärkt und ein Laser entsteht. Die stimulierte Emission ist ein dominanter Mechanismus, wenn die Wahrscheinlichkeit des Findens eines Elektrons im Leitungsband höher als die Wahrscheinlichkeit des Findens eines Elektrons im Valenzband ist. Diese Situation entsteht im Zustand der Besetzungsinversion. Die Besetzungsinversion wird erreicht, wenn der Unterschied zwischen der Fermienergie EFN für Elektronen und Fermienergie EFN für Löcher größer als die Bandlücke Eg ist. Um diese Ebenen der Fermienergie zu trennen, muss Energie in der Form des elektrischen Stroms in den Halbleiter gepumpt werden. Wenn danach durch Pumpen des Lasers ein Strom über Schwellenstromwert eingespritzt wird, wird der Halbleiter in einen Zustand der Besetzungsinversion übergehen.
Optische Reflektoren, z. B. FP (Fabry-Perot) oder dielektrische Spiegel (Bragg-Spiegel, DBR, engl. distributed Bragg reflector), die einen Laser zwischen zwei reflektierenden Flächen haben, werden als optische Resonatoren verwendet. In einem stabilen Zustand kann man im optischen Resonator stationäre elektromagnetische Schwingungen beobachten. Diese Schwingungen entstehen auf den reflektierenden Flächen des optischen Resonators. Die Achse eines optischen Resonators ist senkrecht zum Stromfluss. Bei jeder Reflexion geht die Welle teilweise durch reflektierende Fläche des Reflektors durch. Die Laserschwingungen treten auf, wenn der Verstärkungsgrad gleich wie die gesamte Summe des Verlusts durch Seiten des Resonators, Streuung im Übertragungsmedium und Absorption des Kristalls ist.
Es gibt zwei Haupttypen von Laserdioden: kanten- und oberflächenemittierende Dioden. Die kantenemittierenden Laserdioden sind durch eine breite und astigmatische Emission charakterisiert, wobei die oberflächenemittierenden Laserdioden strahlen einen engeren Strahl aus.
Oberflächenemitter (VCSEL, engl. vertical-cavity surface-emitting laser) sind Laser mit einem sehr kurzen aktiven Bereich, deren Achse des optischen Resonators parallel zu der Richtung des Stromflusses ist.
In diesen Lasern wird die Strahlung in der zu dem aktiven Bereich senkrechten Richtung emittiert. Die Oberflächenemitter ermöglichen die Geschwindigkeit der Datenübertragung von 10 Gbs-1.
Elektrooptische Modulatoren (EOM, engl. electro-optic modulator) sind optoelektronische Geräte, die zur Steuerung der Leistung, Phase oder Polarisation des Laserstrahls mittels eines elektrischen Steuersignals verwendet werden.
Laserdioden stellen den üblichsten Typ von Laser dar und werden in einer Reihe von Anwendungen genutzt. Sie zeichnen sich durch kleine Abmessungen, niedrigen Preis und lange Lebensdauer aus. Deswegen sind sie für viele Anwendungen geeignet, wie zum Beispiel optische Kommunikation, Barcodelesegeräte, Laserpointer, Lesegeräte und Brenner für CD/DVD/Blu-ray, Laserscanner und -drucker, gerichtete Lichtquellen.