M6 Émission de lumière (LED/Laser)

Topique

La recombinaison radiative décrite par un autre modèle de cet assemblage provoque l'émission spontanée de lumière par la LED : chaque paire électron-trou qui se recombine par ce mécanisme radiatif, au lieu des recombinaisons SRH ou Auger décrites par l'autre modèle, émet, à un instant imprévisible et dans une direction aléatoire, un photon unique dont l'énergie correspond à la bande interdite du matériau semi-conducteur. Le fait que cette recombinaison radiative soit prédominante par rapport aux recombinaisons SRH et Auger au sein de cette LED implique qu'elle émet par conséquent une plus grande proportion de ces photons spontanés pour chaque paire électron-trou injectée.

Si ce même matériau semi-conducteur subit une inversion de population, avec davantage d'électrons occupant les états d'énergie supérieurs que les états d'énergie inférieurs disponibles pour la recombinaison radiative, et s'il est confiné dans une cavité résonante (une paire de miroirs qui réfléchissent la lumière émise à plusieurs reprises à travers le matériau semi-conducteur), il produit, au lieu d'une émission spontanée, une émission stimulée cohérente, caractéristique d'un laser semi-conducteur : un photon ayant déjà traversé cette cavité résonante stimule, en passant à proximité d'un électron et d'un trou n'ayant pas encore recombiné au sein de cette inversion de population, l'émission d'un second photon identique (même énergie, même phase et même direction), au lieu d'attendre la recombinaison spontanée et imprévisible de cet électron et de ce trou. L'importance de cette inversion de population au sein de ce matériau semi-conducteur implique que cette émission stimulée cohérente, à chaque passage d'un photon à travers la cavité résonante, produit un plus grand nombre de ces photons identiques supplémentaires.

Ce modèle, basé sur l'émission spontanée de la LED et l'émission cohérente stimulée du laser qui l'a développé, définit, par le gain optique apporté par cette émission cohérente stimulée à chaque passage dans la cavité résonante, le seuil de fonctionnement de ce laser semi-conducteur : tant que ce gain optique reste inférieur aux pertes optiques de la cavité résonante, à la transmission à travers ses miroirs et à l'absorption au sein du matériau semi-conducteur, l'émission spontanée domine l'émission cohérente stimulée et aucun faisceau lumineux cohérent ne s'accumule dans la cavité résonante ; dès que ce gain optique atteint le seuil de fonctionnement, l'émission cohérente stimulée devient prépondérante et le laser semi-conducteur commence à émettre son faisceau lumineux cohérent caractéristique. Le fait que l'inversion de population au sein du matériau semi-conducteur dépasse exactement la valeur requise par ce seuil implique que le gain optique du laser semi-conducteur excède les pertes optiques et que, par conséquent, ce laser émet une lumière cohérente.

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