M6 Lichtemission (LED/Laser)

Thema

Die in einem anderen Modell dieser Anordnung beschriebene Strahlungsrekombination bewirkt, dass die LED spontan Licht emittiert: Jedes Elektron und Loch, das durch diese Strahlungsrekombination rekombiniert – anstatt durch SRH- oder Auger-Rekombination, wie in dem anderen Modell beschrieben –, emittiert zu einem unvorhersehbaren Zeitpunkt und in zufälliger Richtung ein einzelnes Photon, dessen Energie der Bandlücke des Halbleitermaterials entspricht. Da diese Strahlungsrekombination in dieser LED gegenüber SRH- und Auger-Rekombination dominiert, emittiert sie folglich einen größeren Anteil dieser spontanen Photonen pro injiziertem Elektron-Loch-Paar.

Erreicht dasselbe Halbleitermaterial stattdessen eine Besetzungsinversion, bei der mehr Elektronen die höheren Energiezustände besetzen als die für die strahlende Rekombination verfügbaren niedrigeren Energiezustände, und befindet es sich zudem in einem Resonator – einem Spiegelpaar, das das emittierte Licht wiederholt durch das Halbleitermaterial reflektiert –, so erzeugt es anstelle spontaner Emission eine kohärente stimulierte Emission. Diese ist charakteristisch für einen Halbleiterlaser: Ein Photon, das den Resonator bereits durchlaufen hat, regt durch die Annäherung an ein Elektron und ein Loch, die innerhalb dieser Besetzungsinversion noch nicht rekombiniert sind, die Emission eines zweiten, identischen Photons mit derselben Energie, Phase und Richtung an, anstatt auf die spontane und unvorhersehbare Rekombination von Elektron und Loch zu warten. Die größere Besetzungsinversion in diesem Halbleitermaterial führt dazu, dass bei jedem Durchgang eines Photons durch den Resonator eine größere Anzahl dieser zusätzlichen identischen Photonen erzeugt wird.

Dieses Modell, das die Spontanemission der LED und die kohärente stimulierte Emission des Lasers berücksichtigt, definiert über die optische Verstärkung, die diese kohärente stimulierte Emission bei jedem Durchgang durch den Resonator beiträgt, die Schwellenbedingung des Halbleiterlasers: Solange die optische Verstärkung unterhalb der optischen Verluste des Resonators, der Transmission durch seine Spiegel und der Absorption im Halbleitermaterial liegt, überwiegt die Spontanemission die kohärente stimulierte Emission, und es bildet sich kein kohärenter Lichtstrahl im Resonator. Sobald die optische Verstärkung den optischen Verlusten entspricht, setzt die kohärente stimulierte Emission ein, und der Halbleiterlaser beginnt, seinen charakteristischen kohärenten Lichtstrahl zu emittieren. Die Tatsache, dass die Besetzungsinversion im Halbleitermaterial den für diese Schwellenbedingung erforderlichen Wert übersteigt, bedeutet, dass die optische Verstärkung des Halbleiterlasers die optischen Verluste übersteigt und er somit kohärentes Licht emittiert.

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