Laser diode

A packaged laser diode shown with a penny for scale: a 488 nm InGaN green-blue laser, which became widely available in mid-2018.
Component type	semiconductor, light-emitting diode
Working principle‍	semiconductor, carrier generation and recombination
Inventor	Robert N. Hall, 1962; Nick Holonyak, Jr., 1962
Pin names	Anode and cathode

A laser diode (LD, also injection laser diode or ILD or semiconductor laser or diode laser) is a semiconductor device similar to a light-emitting diode in which a diode pumped directly with electrical current can create lasing conditions at the diode's junction.^{[1]: 3}

Driven by voltage, the doped p–n-transition allows for recombination of an electron with a hole. Due to the drop of the electron from a higher energy level to a lower one, radiation is generated in the form of an emitted photon. This is spontaneous emission. Stimulated emission can be produced when the process is continued and further generates light with the same phase, coherence, and wavelength.

The choice of the semiconductor material determines the wavelength of the emitted beam, which in today's laser diodes range from the infrared (IR) to the ultraviolet (UV) spectra. Laser diodes are the most common type of lasers produced, with a wide range of uses that include fiber-optic communications, barcode readers, laser pointers, CD/DVD/Blu-ray disc reading/recording, laser printing, laser scanning, and light beam illumination. With the use of a phosphor like that found on white LEDs, laser diodes can be used for general illumination.

ไดโอดเลเซอร์เป็นไดโอด PIN ทางไฟฟ้า บริเวณแอคทีฟของไดโอดเลเซอร์อยู่ในบริเวณอินทริสิก (I) และตัวนำ (อิเล็กตรอนและโฮล) จะถูกปั๊มเข้าไปในบริเวณนั้นจากบริเวณ N และ P ตามลำดับ ในขณะที่การวิจัยไดโอดเลเซอร์ในระยะเริ่มต้นดำเนินการกับไดโอด P–N แบบง่ายๆ เลเซอร์สมัยใหม่ทั้งหมดใช้โครงสร้างเฮเทอโรคู่ ซึ่งตัวนำและโฟตอนจะถูกกักไว้เพื่อเพิ่มโอกาสในการรวมตัวกันและสร้างแสงให้มากที่สุด แตกต่างจากไดโอดทั่วไป เป้าหมายของไดโอดเลเซอร์คือการรวมตัวนำทั้งหมดในบริเวณ I และผลิตแสง ดังนั้น ไดโอดเลเซอร์จึงถูกผลิตขึ้นโดยใช้ สารกึ่ง ตัวนำแบบแถบพลังงานโดยตรงโครงสร้างเอพิแทกเซียลของไดโอดเลเซอร์ถูกปลูกโดยใช้ เทคนิค การปลูกผลึก อย่างใดอย่างหนึ่ง โดยปกติจะเริ่มต้นจากพื้นผิว ที่เจือด้วย N และปลูกชั้นแอคทีฟ I (ไม่เจือ) ตามด้วย ชั้นคลุมที่เจือด้วย P และชั้นสัมผัส ชั้นแอคทีฟส่วนใหญ่มักประกอบด้วยบ่อควอนตัมซึ่งให้กระแสเกณฑ์ต่ำกว่าและประสิทธิภาพสูงกว่า^{[ 1 ]}

ไดโอดเลเซอร์เป็นส่วนหนึ่งของกลุ่มไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบp - n junction ที่ใหญ่กว่า การให้ไบแอสไฟฟ้าไปข้างหน้ากับไดโอดเลเซอร์จะทำให้ ประจุสองชนิด ได้แก่โฮลและอิเล็กตรอนถูกฉีดจากด้านตรงข้ามของรอยต่อ PIN เข้าไปในบริเวณพร่อง โฮลจะถูกฉีดจากเซ มิคอนดักเตอร์ชนิด pที่เจือสาร (p-type) เข้าไปในเซมิคอนดักเตอร์ชนิดที่ไม่เจือสาร (i-type) และอิเล็กตรอนจะในทางกลับกัน ( บริเวณพร่องซึ่งปราศจากประจุใดๆ จะเกิดขึ้นจากความแตกต่างของศักย์ไฟฟ้าKระหว่าง เซมิคอนดักเตอร์ชนิด nและpในบริเวณที่สัมผัสกัน) เนื่องจากการใช้การฉีดประจุในการขับเคลื่อนเลเซอร์ไดโอดส่วนใหญ่ เลเซอร์ประเภทนี้จึงบางครั้งเรียกว่าเลเซอร์แบบฉีดหรือไดโอดเลเซอร์แบบฉีด (ILD) เนื่องจากเลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ จึงอาจจัดอยู่ในประเภทเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ได้เช่นกัน การกำหนดชื่อทั้งสองแบบนี้เป็นการแยกแยะเลเซอร์ไดโอดออกจากเลเซอร์โซลิดสเตท

อีกวิธีหนึ่งในการจ่ายพลังงานให้กับเลเซอร์ไดโอดบางชนิดคือการใช้การปั๊มด้วยแสง เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ปั๊มด้วยแสง (OPSL) ใช้ชิปเซมิคอนดักเตอร์ III-V เป็นตัวกลางขยาย และใช้เลเซอร์อีกตัว (มักจะเป็นเลเซอร์ไดโอดอีกตัว) เป็นแหล่งกำเนิดการปั๊ม OPSL มีข้อดีหลายประการเหนือ ILD โดยเฉพาะอย่างยิ่งในการเลือกความยาวคลื่นและการไม่มีการรบกวนจากโครงสร้างอิเล็กโทรดภายใน^{[ 2 ] [ 3 ]}ข้อดีอีกประการหนึ่งของ OPSL คือพารามิเตอร์ของลำแสงไม่เปลี่ยนแปลง – การเบี่ยงเบน รูปร่าง และการชี้ – เมื่อพลังงานปั๊ม (และด้วยเหตุนี้พลังงานเอาต์พุต) เปลี่ยนแปลงไป แม้กระทั่งในอัตราส่วนพลังงานเอาต์พุต 10:1 ^{[ 4 ]}

เมื่ออิเล็กตรอนและโฮลอยู่ร่วมกันในบริเวณเดียวกัน พวกมันอาจรวมตัวกันใหม่หรือทำลายล้าง กันเอง ทำให้เกิดการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเอง — กล่าวคือ อิเล็กตรอนอาจกลับเข้าไปอยู่ในสถานะพลังงานของโฮล ปล่อยโฟตอนที่มีพลังงานเท่ากับผลต่างระหว่างสถานะเดิมของอิเล็กตรอนและสถานะของโฮล (ในไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบทั่วไป พลังงานที่ปล่อยออกมาจากการรวมตัวกันของอิเล็กตรอนและโฮลจะถูกส่งออกไปในรูปของโฟนอน (การสั่นสะเทือนของโครงสร้างผลึก) แทนที่จะเป็นโฟตอน) การปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเองที่ต่ำกว่าเกณฑ์การเกิด เลเซอร์ จะทำให้เกิดคุณสมบัติคล้ายกับLEDการปล่อยแสงแบบเกิดขึ้นเองมีความจำเป็นต่อการเริ่มต้นการสั่นของเลเซอร์ แต่เป็นหนึ่งในหลายสาเหตุของความไม่ eficiente เมื่อเลเซอร์เริ่มสั่นแล้ว

ความแตกต่างระหว่างเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยโฟตอนและไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แบบแยกส่วนที่ปล่อยโฟนอน (ไม่ปล่อยแสง) ทั่วไปนั้นอยู่ที่ชนิดของเซมิคอนดักเตอร์ที่ใช้ ซึ่งโครงสร้างทางกายภาพและอะตอมของเซมิคอนดักเตอร์นั้นเอื้อต่อการปล่อยโฟตอน เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยโฟตอนเหล่านี้เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์แบบ " ช่องว่างแถบพลังงานโดยตรง " คุณสมบัติของซิลิคอนและเจอร์มาเนียมซึ่งเป็นเซมิคอนดักเตอร์ธาตุเดี่ยว มีช่องว่างแถบพลังงานที่ไม่สอดคล้องกันในลักษณะที่จำเป็นต่อการปล่อยโฟตอน และไม่ถือว่าเป็นช่องว่างแถบ พลังงาน โดยตรงวัสดุอื่นๆ ที่เรียกว่าเซมิคอนดักเตอร์แบบผสม มีโครงสร้างผลึกที่แทบจะเหมือนกับซิลิคอนหรือเจอร์มาเนียม แต่ใช้การจัดเรียงสลับกันของอะตอมสองชนิดที่แตกต่างกันในรูปแบบคล้ายกระดานหมากรุกเพื่อทำลายสมมาตร การเปลี่ยนผ่านระหว่างวัสดุในรูปแบบสลับกันนี้สร้างคุณสมบัติช่องว่างแถบพลังงานโดยตรง ที่สำคัญขึ้นมา แกลเลียมอาร์เซไนด์อินเดียมฟอสไฟด์แกลเลียมแอนติโมไนด์และแกลเลียมไนไตรด์ล้วนเป็นตัวอย่างของวัสดุสารกึ่งตัวนำเชิงประกอบที่สามารถนำมาใช้สร้างไดโอดแบบจังก์ชันที่เปล่งแสงได้

ในสภาวะที่ไม่มีการปล่อยแสงกระตุ้น (เช่น การเกิดเลเซอร์) อิเล็กตรอนและโฮลอาจอยู่ร่วมกันในบริเวณใกล้เคียงกันได้โดยไม่รวมตัวกันใหม่เป็นระยะเวลาหนึ่ง ซึ่งเรียกว่าอายุการใช้งานของสถานะบนหรือเวลาการรวมตัวใหม่ (ประมาณหนึ่งนาโนวินาทีสำหรับวัสดุเลเซอร์ไดโอดทั่วไป) ก่อนที่จะรวมตัวกันใหม่ โฟตอนที่อยู่ใกล้เคียงซึ่งมีพลังงานเท่ากับพลังงานการรวมตัวใหม่สามารถทำให้เกิดการรวมตัวใหม่ได้โดยการปล่อยแสงกระตุ้นซึ่งจะสร้างโฟตอนอีกตัวที่มีความถี่โพลาไรเซชันและเฟส เดียวกัน เคลื่อนที่ไปในทิศทางเดียวกับโฟตอนตัวแรก นั่นหมายความว่าการปล่อยแสงกระตุ้นจะทำให้เกิดการขยายในคลื่นแสง (ที่มีความยาวคลื่นที่ถูกต้อง) ในบริเวณการฉีด และการขยายจะเพิ่มขึ้นเมื่อจำนวนอิเล็กตรอนและโฮลที่ฉีดเข้าไปในรอยต่อเพิ่มขึ้น กระบวนการปล่อยแสงแบบธรรมชาติและแบบกระตุ้นมีประสิทธิภาพมากกว่าใน สารกึ่ง ตัวนำแบบแบนด์แกปโดยตรงมากกว่าใน สารกึ่ง ตัวนำแบบแบนด์แกปโดยอ้อมดังนั้นซิลิคอน จึง ไม่ใช่วัสดุที่นิยมใช้สำหรับเลเซอร์ไดโอด

เช่นเดียวกับเลเซอร์ชนิดอื่นๆ บริเวณขยายสัญญาณจะถูกล้อมรอบด้วยโพรงแสงเพื่อสร้างเลเซอร์ ในรูปแบบที่ง่ายที่สุดของไดโอดเลเซอร์นั้น จะมีการสร้างท่อนำแสงบนพื้นผิวของผลึก ทำให้แสงถูกจำกัดอยู่ในแนวเส้นที่ค่อนข้างแคบ ปลายทั้งสองข้างของผลึกจะถูกตัดให้เป็นขอบเรียบขนานกันอย่างสมบูรณ์ ทำให้เกิด ตัวเรโซเนเตอร์แบบ Fabry–Pérotโฟตอนที่ปล่อยออกมาในโหมดหนึ่งของท่อนำแสงจะเดินทางไปตามท่อนำแสงและสะท้อนหลายครั้งจากปลายแต่ละด้านก่อนที่จะออกไป เมื่อคลื่นแสงผ่านโพรงแสง มันจะถูกขยายโดยการปล่อยแสงแบบกระตุ้นแต่แสงก็สูญเสียไปเนื่องจากการดูดซับและการสะท้อนที่ไม่สมบูรณ์จากปลายทั้งสองด้าน สุดท้าย หากการขยายสัญญาณมากกว่าการสูญเสีย ไดโอดก็จะเริ่มเปล่งแสงเลเซอร์

คุณสมบัติสำคัญบางประการของไดโอดเลเซอร์ถูกกำหนดโดยรูปทรงเรขาคณิตของโพรงแสง โดยทั่วไป แสงจะถูกกักไว้ภายในชั้นบางมาก และโครงสร้างจะรองรับโหมดแสงเพียงโหมดเดียวในทิศทางตั้งฉากกับชั้นนั้น ในทิศทางตามขวาง หากท่อนำแสงกว้างเมื่อเทียบกับความยาวคลื่นของแสง ท่อนำแสงจะสามารถรองรับโหมดแสงตามขวาง ได้หลายโหมด และเลเซอร์นั้นเรียกว่า เลเซอร์ มัลติโหมดเลเซอร์มัลติโหมดตามขวางเหล่านี้เหมาะสมในกรณีที่ต้องการพลังงานจำนวนมาก แต่ไม่ต้องการลำแสง TEM00 ที่มีขนาดเล็กจำกัดด้วยการเลี้ยวเบนเช่น ในการพิมพ์ การกระตุ้นสารเคมี กล้องจุลทรรศน์ หรือการปั๊มเลเซอร์ประเภทอื่นๆ

ในการใช้งานที่ต้องการลำแสงขนาดเล็กและโฟกัส ท่อนำคลื่นต้องแคบ โดยมีขนาดใกล้เคียงกับความยาวคลื่นแสง ด้วยวิธีนี้ จะรองรับได้เพียงโหมดตามขวางเดียว และจะได้ลำแสงที่มีขนาดจำกัดโดยการเลี้ยวเบน อุปกรณ์ที่มีโหมดเชิงพื้นที่เดียวเช่นนี้ใช้สำหรับการจัดเก็บข้อมูลแบบออปติคอล เลเซอร์พอยเตอร์ และใยแก้วนำแสง เลเซอร์เหล่านี้อาจยังคงรองรับโหมดตามยาวได้หลายโหมด จึงสามารถเปล่งแสงได้หลายความยาวคลื่นพร้อมกัน ความยาวคลื่นที่ปล่อยออกมาเป็นฟังก์ชันของแบนด์แกปของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และโหมดของโพรงแสง โดยทั่วไปแล้ว การขยายสูงสุดจะเกิดขึ้นสำหรับโฟตอนที่มีพลังงานสูงกว่าพลังงานแบนด์แกปเล็กน้อย และโหมดที่อยู่ใกล้จุดสูงสุดของเส้นโค้งการขยายจะเปล่งแสงได้แรงที่สุด ความกว้างของเส้นโค้งการขยายจะกำหนดจำนวนโหมดด้านข้าง เพิ่มเติม ที่อาจเปล่งแสงได้ ขึ้นอยู่กับสภาวะการทำงาน เลเซอร์ที่มีโหมดเชิงพื้นที่เดียวที่สามารถรองรับโหมดตามยาวได้หลายโหมดเรียกว่าเลเซอร์ Fabry-Pérot (FP) เลเซอร์ FP จะเปล่งแสงได้หลายโหมดของโพรงภายในแบนด์วิดท์การขยายของตัวกลางการเปล่งแสง จำนวนโหมดการปล่อยแสงเลเซอร์ในเลเซอร์ FP มักไม่คงที่และอาจผันผวนได้เนื่องจากการเปลี่ยนแปลงของกระแสไฟฟ้าหรืออุณหภูมิ

เลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเชิงพื้นที่เดี่ยวสามารถออกแบบให้ทำงานในโหมดตามยาวเดี่ยวได้ เลเซอร์ไดโอดความถี่เดี่ยวเหล่านี้มีความเสถียรสูง และใช้ในด้านสเปกโทรสโกปี มาตรวิทยา และเป็นแหล่งอ้างอิงความถี่ เลเซอร์ไดโอดความถี่เดี่ยวแบ่งออกเป็นเลเซอร์แบบกระจายฟีดแบ็ก (DFB) หรือเลเซอร์แบบกระจายตัวสะท้อนแสงแบร็ก (DBR)

เนื่องจากการเลี้ยวเบนลำแสงจะกระจายตัว (ขยาย) อย่างรวดเร็วหลังจากออกจากชิป โดยทั่วไปจะกระจายตัวประมาณ 30 องศาในแนวตั้งและ 10 องศาในแนวนอน จำเป็นต้องใช้ เลนส์เพื่อสร้างลำแสงขนานเช่นเดียวกับที่ผลิตโดยเลเซอร์พอยเตอร์ หากต้องการลำแสงทรงกลม จะใช้เลนส์ทรงกระบอกและอุปกรณ์ทางแสงอื่นๆ สำหรับเลเซอร์แบบโหมดเชิงพื้นที่เดี่ยว การใช้เลนส์สมมาตร ลำแสงขนานจะมีรูปร่างเป็นวงรี เนื่องจากความแตกต่างของการกระจายตัวในแนวตั้งและแนวนอน ซึ่งสามารถสังเกตได้ง่ายด้วยเลเซอร์พอยเตอร์ สีแดง แกนยาวของวงรีจะตั้งฉากกับระนาบของชิป

ไดโอดแบบง่ายที่กล่าวถึงข้างต้นได้รับการดัดแปลงอย่างมากในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาเพื่อให้เข้ากับเทคโนโลยีสมัยใหม่ ส่งผลให้เกิดไดโอดเลเซอร์หลากหลายประเภท ดังที่อธิบายไว้ด้านล่าง

จากการศึกษาเชิงทฤษฎีของ MG Bernard, G. Duraffourg และ William P. Dumke ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 การปล่อยแสงที่สอดคล้องกัน จากไดโอดเซมิคอนดักเตอร์แกลเลียม อาร์เซไนด์ (GaAs) (ไดโอดเลเซอร์) ได้รับการสาธิตในปี 1962 โดยกลุ่มวิจัยของสหรัฐฯ สองกลุ่ม นำโดยRobert N. Hallที่ศูนย์วิจัยGeneral Electric ^{[ 5 ]}และโดย Marshall Nathan ที่ศูนย์วิจัย IBM TJ Watson [ ^{6 ] มี}การถกเถียงกันอย่างต่อเนื่องว่า IBM หรือ GE เป็นผู้คิดค้นไดโอดเลเซอร์ตัวแรก ซึ่งส่วนใหญ่มาจากงานเชิงทฤษฎีของ William P. Dumke ที่ห้องปฏิบัติการ Kitchawan ของ IBM (ปัจจุบันรู้จักกันในชื่อศูนย์วิจัย Thomas J. Watson) ในYorktown Heightsรัฐนิวยอร์ก กลุ่มวิจัยของ General Electric ได้รับความสำคัญมากกว่า เนื่องจากได้ส่งผลงานวิจัยมาก่อน และยังได้สร้างโพรงเรโซแนนซ์สำหรับไดโอดของพวกเขาด้วย^{[ 7 ]}ในตอนแรกมีการคาดการณ์โดย เบน แลกซ์ จาก MITและนักฟิสิกส์ชั้นนำคนอื่นๆ ว่าซิลิคอนหรือเจอร์มาเนียมสามารถใช้สร้างเอฟเฟกต์เลเซอร์ได้ แต่การวิเคราะห์ทางทฤษฎีทำให้วิลเลียม พี. ดัมเค เชื่อว่าวัสดุเหล่านี้ใช้ไม่ได้ผล เขาจึงแนะนำแกลเลียมอาร์เซไนด์เป็นตัวเลือกที่ดีกว่า เลเซอร์ไดโอดความยาวคลื่นที่มองเห็นได้ตัวแรกได้รับการสาธิตโดยนิค โฮโลนยัค จูเนียร์ในช่วงปลายปี 1962 โดยเขาใช้แกลเลียมอาร์เซไนด์ฟอสไฟด์^{[ 8 ]}

ทีมอื่นๆ ที่MIT Lincoln Laboratory , Texas InstrumentsและRCA Laboratoriesก็มีส่วนร่วมและได้รับการยกย่องสำหรับการสาธิตครั้งแรกทางประวัติศาสตร์ของการเปล่งแสงและเลเซอร์ที่มีประสิทธิภาพในไดโอดเซมิคอนดักเตอร์ในปี 1962 และหลังจากนั้น เลเซอร์ GaAs ยังถูกผลิตขึ้นในช่วงต้นปี 1963 ในสหภาพโซเวียตโดยทีมที่นำโดยNikolay Basov ^{[ 9 ]}

ในช่วงต้นทศวรรษ 1960 เฮอร์เบิร์ต เนลสัน จากห้องปฏิบัติการ RCA ได้คิดค้นเทคนิคการปลูก ผลึกแบบของเหลว (Liquid-phase epitaxy หรือ LPE) โดยการเรียงซ้อนผลึกคุณภาพสูงที่มีองค์ประกอบแตกต่างกัน ทำให้สามารถสาธิตการสร้างวัสดุเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบเฮเทอโรจัง ก์ชัน คุณภาพสูง ได้เป็นเวลาหลายปี เทคนิค LPE ได้รับการยอมรับจากห้องปฏิบัติการชั้นนำทั่วโลกและถูกใช้งานมาเป็นเวลานาน จนกระทั่งในทศวรรษ 1970 เทคนิคนี้ได้ถูกแทนที่ด้วยเทคนิคการปลูก ผลึก แบบลำแสงโมเลกุล (Molecular-beam epitaxy)และการตกตะกอนไอสารเคมี แบบออร์กาโนเมทัลลิก (Organometallic chemical vapor deposition )

เลเซอร์ไดโอดในยุคนั้นทำงานด้วยความหนาแน่นกระแสเกณฑ์ 1000 A/cm² ^ที่อุณหภูมิ 77 K ประสิทธิภาพดังกล่าวทำให้สามารถสาธิตการปล่อยแสงเลเซอร์อย่างต่อเนื่องได้ในยุคแรกๆ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้งานที่อุณหภูมิห้องประมาณ 300 K ความหนาแน่นกระแสเกณฑ์จะสูงขึ้นถึงสองเท่า หรือ 100,000 A/cm² ^ในอุปกรณ์ที่ดีที่สุด ความท้าทายหลักในช่วงที่เหลือของทศวรรษ 1960 คือการหาความหนาแน่นกระแสเกณฑ์ต่ำที่ 300 K และด้วยเหตุนี้จึงสามารถสาธิตการปล่อยแสงเลเซอร์อย่างต่อเนื่องที่อุณหภูมิห้องจากเลเซอร์ไดโอดได้

เลเซอร์ไดโอดรุ่นแรกเป็นไดโอดแบบโฮโมจังก์ชัน กล่าวคือ วัสดุ (และดังนั้นช่องว่างพลังงาน) ของชั้นแกนนำคลื่นและชั้นหุ้มโดยรอบนั้นเหมือนกัน ต่อมาได้มีการตระหนักว่ามีโอกาส โดยเฉพาะอย่างยิ่งจากการใช้การปลูกผลึกแบบเฟสของเหลวโดยใช้อะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ในการสร้างเฮเทอโรจังก์ชัน เฮเทอโรโครงสร้างประกอบด้วยชั้นของผลึกเซมิคอนดักเตอร์ที่มีช่องว่างพลังงานและดัชนีหักเหที่ แตกต่างกัน เฮอร์เบิร์ต โครเมอร์ได้ตระหนัก ถึง ข้อดีเฉพาะตัวของเฮเทอโรจังก์ชัน (ที่เกิดจากเฮเทอโรโครงสร้าง) ในขณะที่ทำงานอยู่ที่ห้องปฏิบัติการ RCA ในช่วงกลางทศวรรษ 1950 สำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์และออปโตอิเล็กทรอนิกส์หลายประเภท รวมถึงเลเซอร์ไดโอด เทคโนโลยีการปลูกผลึกแบบเฟสของเหลวทำให้สามารถสร้างเลเซอร์ไดโอดแบบเฮเทอโรจังก์ชันได้ ในปี 1963 เขาได้เสนอเลเซอร์เฮเทอ โรโครงสร้างคู่

เลเซอร์ไดโอดแบบเฮเทอโรจังก์ชันรุ่นแรกๆ เป็นเลเซอร์แบบเฮเทอโรจังก์ชันเดี่ยว เลเซอร์เหล่านี้ใช้ตัวฉีดแบบ p-type ที่ทำจากอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ ซึ่งวางอยู่เหนือชั้นแกลเลียม อาร์เซไนด์แบบ n-type ที่ปลูกบนพื้นผิวโดยวิธี LPE การผสมอะลูมิเนียมเข้าไปแทนที่แกลเลียมในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ ทำให้ช่องว่างพลังงานของ ตัวฉีด แบบ p -type สูงกว่า ชั้นแบบ n -type ที่อยู่ด้านล่าง วิธีการนี้ได้ผล กระแสเกณฑ์ที่ 300 K ลดลง 10 เท่า เหลือ 10,000 A/cm² ^แต่น่าเสียดายที่ยังไม่อยู่ในช่วงที่ต้องการ และเลเซอร์ไดโอดแบบเฮเทอโรจังก์ชันเดี่ยวเหล่านี้ไม่สามารถทำงานในโหมดต่อเนื่องที่อุณหภูมิห้องได้

นวัตกรรมที่ตอบโจทย์ความท้าทายที่อุณหภูมิห้องคือเลเซอร์โครงสร้างเฮเทอโรสตรักเจอร์คู่ เคล็ดลับคือการเคลื่อนย้ายเวเฟอร์ในอุปกรณ์ LPE อย่างรวดเร็วระหว่างอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์หลอมเหลว ที่แตกต่างกัน (ชนิด pและn ) และแกลเลียมอาร์เซไนด์หลอมเหลวที่สาม ต้องทำอย่างรวดเร็วเนื่องจากบริเวณแกนกลางของแกลเลียมอาร์เซไนด์ต้องมีความหนาน้อยกว่า 1 ไมโครเมตรอย่างมาก ไดโอดเลเซอร์ตัวแรกที่ ทำงาน แบบต่อเนื่องได้คือเลเซอร์โครงสร้างเฮเทอโรสตรักเจอร์คู่ซึ่งได้รับการสาธิตในปี 1970 โดยZhores Alferovและผู้ร่วมงาน (รวมถึงDmitri Z. Garbuzov ) จากสหภาพโซเวียตและMorton PanishและIzuo Hayashiที่ทำงานในสหรัฐอเมริกา ในเวลาเดียวกัน อย่างไรก็ตาม เป็นที่ยอมรับกันอย่างกว้างขวางว่า Alferov และทีมงานประสบความสำเร็จในขั้นนี้ก่อน^{[ 10 ]}

ด้วยผลงานอันโดดเด่นของตนเองและเพื่อนร่วมงาน อัลเฟรอฟและโครเมอร์จึงได้รับรางวัลโนเบลสาขาฟิสิกส์ประจำปี 2000ร่วม กัน

โครงสร้างไดโอดเลเซอร์แบบง่ายที่อธิบายไว้ข้างต้นนั้นไม่มีประสิทธิภาพ อุปกรณ์ดังกล่าวต้องการพลังงานมากเกินไป ทำให้สามารถทำงานได้เฉพาะแบบเป็นจังหวะเท่านั้นโดยไม่เกิดความเสียหาย แม้ว่าจะมีคุณค่าทางประวัติศาสตร์และอธิบายได้ง่าย แต่อุปกรณ์ดังกล่าวก็ไม่เหมาะสมในทางปฏิบัติ

ในอุปกรณ์เหล่านี้ ชั้นของ วัสดุ ที่มีช่องว่างพลังงาน ต่ำ จะถูกประกบอยู่ระหว่างชั้นของวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานสูงสองชั้น วัสดุคู่หนึ่งที่นิยมใช้กันคือแกลเลียมอาร์เซไนด์ (GaAs) กับอะลูมิเนียมแกลเลียมอาร์เซไนด์ (Al _x Ga _(1-x) As) แต่ละจุดเชื่อมต่อระหว่างวัสดุที่มีช่องว่างพลังงานต่างกันเรียกว่าเฮเทอโรสตรักเจอร์ดังนั้นจึงเรียกว่า เลเซอร์ แบบดับเบิลเฮเทอโรสต รัก เจอร์ (DH) เลเซอร์ไดโอดชนิดที่อธิบายไว้ในส่วนแรกของบทความนี้ อาจเรียกได้ว่าเป็น เลเซอร์ แบบโฮโมจังก์ชันเพื่อเปรียบเทียบกับอุปกรณ์ที่นิยมใช้กันมากกว่าเหล่านี้

ข้อดีของเลเซอร์ DH คือ บริเวณที่อิเล็กตรอนอิสระและโฮลอยู่ร่วมกัน— บริเวณแอคทีฟ —นั้นถูกจำกัดไว้ในชั้นกลางที่บาง ซึ่งหมายความว่าคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลจำนวนมากสามารถมีส่วนร่วมในการขยายสัญญาณได้มากขึ้น—โดยมีคู่ของอิเล็กตรอน-โฮลจำนวนไม่มากนักที่ถูกทิ้งไว้ในบริเวณรอบนอกที่มีการขยายสัญญาณต่ำ นอกจากนี้ แสงยังสะท้อนภายในเฮเทอโรจังก์ชัน ดังนั้นแสงจึงถูกจำกัดอยู่ในบริเวณที่มีการขยายสัญญาณเกิดขึ้น

หากชั้นกลางมีความบางมากพอ มันจะทำหน้าที่เหมือนบ่อควอนตัมซึ่งหมายความว่าการเปลี่ยนแปลงในแนวตั้งของฟังก์ชันคลื่น ของอิเล็กตรอน และด้วยเหตุนี้ส่วนประกอบหนึ่งของพลังงานของมัน จึงถูกทำให้เป็นควอนตัม ประสิทธิภาพของเลเซอร์บ่อควอนตัมจึงสูงกว่าเลเซอร์ทั่วไป เนื่องจากความหนาแน่นของฟังก์ชันสถานะของอิเล็กตรอนในระบบบ่อควอนตัมมีขอบที่คมชัดซึ่งทำให้เกิดการรวมตัวของอิเล็กตรอนในสถานะพลังงานที่เอื้อต่อการทำงานของเลเซอร์

เลเซอร์ที่มีชั้นควอนตัมเวลล์มากกว่าหนึ่งชั้นเรียกว่า เลเซอร์ควอนตั ม เวลล์หลายชั้นการมีควอนตัมเวลล์หลายชั้นช่วยเพิ่มการทับซ้อนของบริเวณการขยายสัญญาณกับโหมดคลื่นแสง ในตัวนำแสง

นอกจากนี้ ยังมีการสาธิตให้เห็นถึงการปรับปรุงประสิทธิภาพของเลเซอร์เพิ่มเติม โดยการลดชั้นควอนตัมเวลล์ให้เหลือเพียงชั้นที่มีควอนตัมไวร์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งควอนตัมดอต

ในเลเซอร์ควอนตัมแคสเคดความแตกต่างระหว่างระดับพลังงานของบ่อควอนตัมจะถูกนำมาใช้สำหรับการเปลี่ยนผ่านของเลเซอร์แทนที่จะใช้ช่องว่างแถบพลังงาน วิธีนี้ทำให้เกิดการทำงานของเลเซอร์ที่ความยาวคลื่น ค่อนข้างยาว ซึ่งสามารถปรับได้ง่ายๆ โดยการเปลี่ยนความหนาของชั้น เลเซอร์เหล่านี้เป็นเลเซอร์เฮเทอโรจังก์ชัน

เลเซอร์แบบอินเตอร์แบนด์แคสเคด ( ICL) เป็นเลเซอร์ไดโอดชนิดหนึ่งที่สามารถสร้างรังสีแบบโคherent ได้ในช่วงคลื่นอินฟราเรดกลางส่วนใหญ่ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า

ปัญหาของไดโอดควอนตัมเวลล์แบบง่ายที่อธิบายไว้ข้างต้นคือชั้นบางๆ นั้นเล็กเกินไปที่จะกักเก็บแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ เพื่อชดเชยปัญหานี้ จึงมีการเพิ่มอีกสองชั้นเข้าไปด้านนอกของสามชั้นแรก ชั้นเหล่านี้มีดัชนีหักเห ต่ำ กว่าชั้นตรงกลาง จึงสามารถกักเก็บแสงได้อย่างมีประสิทธิภาพ การออกแบบเช่นนี้เรียกว่าไดโอดเลเซอร์แบบเฮเทอโรสตรักเจอร์กักเก็บแยก (SCH)

เลเซอร์ไดโอดเชิงพาณิชย์เกือบทั้งหมดตั้งแต่ทศวรรษ 1990 เป็นต้นมา เป็นไดโอดควอนตัมเวลล์แบบ SCH

เลเซอร์ แบบกระจายตัวสะท้อนแสงแบร็ก (DBR) เป็นเลเซอร์ไดโอดความถี่เดียวชนิดหนึ่ง^{[ 11 ]}มีลักษณะเฉพาะคือโพรงแสงที่ประกอบด้วยบริเวณขยายสัญญาณที่ปั๊มด้วยไฟฟ้าหรือแสงระหว่างกระจกสองบานเพื่อให้เกิดการป้อนกลับ กระจกบานหนึ่งเป็นตัวสะท้อนแสงแบบบรอดแบนด์ และอีกบานหนึ่งเป็นแบบเลือกความยาวคลื่นเพื่อให้การขยายสัญญาณเกิดขึ้นในโหมดตามยาวเพียงโหมดเดียว ส่งผลให้เกิดการเลเซอร์ที่ความถี่เรโซแนนซ์เดียว กระจกบรอดแบนด์มักจะเคลือบด้วยสารเคลือบที่มีการสะท้อนแสงต่ำเพื่อให้เกิดการปล่อยแสง กระจกแบบเลือกความยาวคลื่นเป็นตะแกรงเลี้ยวเบน ที่มีโครงสร้างเป็นระยะ และมีการสะท้อนแสงสูง ตะแกรงเลี้ยวเบนนี้อยู่ในบริเวณที่ไม่ถูกปั๊มหรือบริเวณแบบพาสซีฟของโพรง เลเซอร์ DBR เป็นอุปกรณ์แบบโมโนลิธิกชิปเดียวที่มีตะแกรงสลักลงในเซมิคอนดักเตอร์ เลเซอร์ DBR อาจเป็นเลเซอร์แบบเปล่งแสงที่ขอบหรือVCSELก็ได้ สถาปัตยกรรมไฮบริดทางเลือกอื่นๆ ที่มีโครงสร้างทางโทโพโลยีเดียวกัน ได้แก่ เลเซอร์ไดโอดแบบโพรงขยาย และเลเซอร์แบบเกรตติ้งแบร็กปริมาตร แต่เลเซอร์เหล่านี้ไม่ได้เรียกอย่างถูกต้องว่าเลเซอร์ DBR

เลเซอร์แบบกระจายฟีดแบ็ก (DFB) เป็นเลเซอร์ไดโอดความถี่เดียวชนิดหนึ่ง^{[ 11 ]} DFB เป็นตัวส่งสัญญาณชนิดที่พบได้บ่อยที่สุดใน ระบบ DWDMเพื่อรักษาเสถียรภาพของความยาวคลื่นเลเซอร์ จึงมีการสลักตะแกรงเลี้ยวเบนไว้ใกล้กับ จุดเชื่อมต่อ p – nของไดโอด ตะแกรงนี้ทำหน้าที่เหมือนตัวกรองแสง ทำให้ความยาวคลื่นเดียวถูกป้อนกลับไปยังบริเวณขยายสัญญาณและเกิดการเลเซอร์ เนื่องจากตะแกรงให้ฟีดแบ็กที่จำเป็นสำหรับการเลเซอร์ จึงไม่จำเป็นต้องมีการสะท้อนจากหน้าตัด ดังนั้นอย่างน้อยหนึ่งหน้าตัดของ DFB จึงเคลือบสารป้องกันการสะท้อนเลเซอร์ DFB มีความยาวคลื่นที่เสถียรซึ่งกำหนดไว้ระหว่างการผลิตโดยระยะห่างของตะแกรง และสามารถปรับได้เพียงเล็กน้อยด้วยอุณหภูมิ เลเซอร์ DFB ถูกใช้กันอย่างแพร่หลายในแอปพลิเคชันการสื่อสารด้วยแสงซึ่งความยาวคลื่นที่แม่นยำและเสถียรเป็นสิ่งสำคัญ

กระแสเกณฑ์ของเลเซอร์ DFB นี้ โดยพิจารณาจากลักษณะคงที่ จะอยู่ที่ประมาณ 11 mA กระแสไบแอสที่เหมาะสมในระบเชิงเส้นสามารถเลือกได้จากค่ากลางของลักษณะคงที่ (50 mA) มีการเสนอเทคนิคหลายอย่างเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานแบบโหมดเดี่ยวในเลเซอร์ประเภทนี้โดยการแทรกการเปลี่ยนเฟสหนึ่งเฟส (1PS) หรือการเปลี่ยนเฟสหลายเฟส (MPS) ในเกรตติ้งแบร็กแบบสม่ำเสมอ^{[ 12 ]}อย่างไรก็ตาม เลเซอร์ DFB ที่มีการเปลี่ยนเฟสหลายเฟสถือเป็นทางออกที่ดีที่สุด เนื่องจากมีการรวมกันของอัตราส่วนการระงับโหมดด้านข้างที่สูงขึ้นและการเผาไหม้รูเชิงพื้นที่ที่ลดลง

เลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้ง (VCSEL) มีแกนโพรงแสงอยู่ในทิศทางเดียวกับการไหลของกระแสไฟฟ้า แทนที่จะตั้งฉากกับการไหลของกระแสไฟฟ้าเหมือนในเลเซอร์ไดโอดทั่วไป ความยาวของบริเวณแอคทีฟนั้นสั้นมากเมื่อเทียบกับขนาดด้านข้าง ทำให้รังสีออกมาจากพื้นผิวของโพรงแทนที่จะออกมาจากขอบดังแสดงในรูป ตัวสะท้อนแสงที่ปลายทั้งสองข้างของโพรงเป็นกระจกไดอิเล็กทริกที่ทำจากชั้นวัสดุหลายชั้นที่มีดัชนีหักเหสูงและต่ำสลับกัน โดยมีความหนาเพียงหนึ่งในสี่ของความยาวคลื่น

กระจกสะท้อนแสงแบบไดอิเล็กทริกดังกล่าวให้การสะท้อนแสงแบบเลือกความยาวคลื่นสูงที่ความยาวคลื่นพื้นผิวอิสระλ ที่ต้องการ หากความหนาของชั้นสลับd ₁และd ₂ที่มีดัชนีหักเหn ₁และn ₂เป็นไปในลักษณะที่n ₁ d ₁ + n ₂ d ₂ = λ /2ซึ่งจะนำไปสู่การแทรกสอดแบบเสริมกันของคลื่นสะท้อนบางส่วนทั้งหมดที่ส่วนต่อประสาน แต่ก็มีข้อเสียคือ เนื่องจากความสามารถในการสะท้อนแสงของกระจกสูง VCSEL จึงมีกำลังเอาต์พุตต่ำกว่าเมื่อเทียบกับเลเซอร์แบบเปล่งแสงจากขอบ

การผลิต VCSEL มีข้อดีหลายประการเมื่อเปรียบเทียบกับกระบวนการผลิตเลเซอร์แบบเปล่งแสงจากขอบ เลเซอร์แบบเปล่งแสงจากขอบไม่สามารถทดสอบได้จนกว่าจะสิ้นสุดกระบวนการผลิต หากเลเซอร์ไม่ทำงาน ไม่ว่าจะเกิดจากหน้าสัมผัสไม่ดีหรือคุณภาพการเติบโตของวัสดุไม่ดี เวลาในการผลิตและวัสดุที่ใช้ไปก็จะสูญเปล่า

นอกจากนี้ เนื่องจาก VCSEL ปล่อยลำแสงตั้งฉากกับบริเวณแอคทีฟของเลเซอร์ ต่างจากแบบปล่อยลำแสงจากขอบที่ขนานกัน ทำให้สามารถผลิต VCSEL ได้พร้อมกันหลายหมื่นชิ้นบนแผ่นเวเฟอร์แกลเลียมอาร์เซไนด์ขนาดสามนิ้ว ยิ่งไปกว่านั้น แม้ว่ากระบวนการผลิต VCSEL จะใช้แรงงานและวัสดุมากกว่า แต่ผลผลิตสามารถควบคุมได้ให้มีความแม่นยำมากขึ้น อย่างไรก็ตาม โดยทั่วไปแล้วจะมีกำลังเอาต์พุตต่ำกว่า

เลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงภายนอกแนวตั้ง หรือVECSELนั้นคล้ายคลึงกับ VCSEL โดยทั่วไปแล้ว ใน VCSEL กระจกจะถูกสร้างขึ้นด้วยวิธีเอพิแทกเซียลเป็นส่วนหนึ่งของโครงสร้างไดโอด หรือสร้างแยกต่างหากและเชื่อมต่อโดยตรงกับสารกึ่งตัวนำที่มีบริเวณแอคทีฟ VECSEL แตกต่างออกไปตรงที่โครงสร้างซึ่งกระจกบานหนึ่งอยู่ภายนอกโครงสร้างไดโอด ส่งผลให้โพรงมีบริเวณที่เป็นพื้นที่ว่าง ระยะห่างโดยทั่วไปจากไดโอดถึงกระจกภายนอกจะอยู่ที่ 1 เซนติเมตร

หนึ่งในคุณสมบัติที่น่าสนใจที่สุดของ VECSEL คือความหนาของบริเวณขยายสัญญาณเซมิคอนดักเตอร์ในทิศทางการแพร่กระจายแสงที่บางมาก น้อยกว่า 100 นาโนเมตร ในทางตรงกันข้าม เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบระนาบทั่วไปนั้น การแพร่กระจายแสงจะครอบคลุมระยะทางตั้งแต่ 250 ไมโครเมตรขึ้นไปจนถึง 2 มิลลิเมตรหรือมากกว่านั้น ความสำคัญของระยะการแพร่กระจายที่สั้นนี้คือ มันทำให้ผลกระทบของ ความไม่เป็นเชิงเส้น แบบต้านการนำทางในบริเวณขยายสัญญาณของเลเซอร์ไดโอดลดลงเหลือน้อยที่สุด ผลลัพธ์ที่ได้คือลำแสงออปติคอลแบบโหมดเดียวที่มีหน้าตัดขนาดใหญ่ ซึ่งไม่สามารถทำได้จากเลเซอร์ไดโอดแบบระนาบ ("แบบเปล่งแสงจากขอบ")

นักวิจัยหลายคนได้สาธิตเลเซอร์ VECSEL ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสง และเลเซอร์ชนิดนี้ยังคงได้รับการพัฒนาอย่างต่อเนื่องเพื่อนำไปใช้งานในหลายด้าน รวมถึงแหล่งกำเนิดแสงกำลังสูงสำหรับใช้ในงานอุตสาหกรรม (การตัด การเจาะ ฯลฯ) เนื่องจากมีกำลังและประสิทธิภาพสูงเป็นพิเศษเมื่อถูกกระตุ้นด้วยเลเซอร์ไดโอดแบบมัลติโหมด อย่างไรก็ตาม เนื่องจากไม่มีรอยต่อp - nเลเซอร์ VECSEL ที่ถูกกระตุ้นด้วยแสงจึงไม่ถือว่าเป็นเลเซอร์ไดโอดและถูกจัดประเภทเป็นเลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์

นอกจากนี้ ยังมีการสาธิตการทำงานของ VECSEL ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้าอีกด้วย การประยุกต์ใช้ VECSEL ที่ขับเคลื่อนด้วยไฟฟ้า ได้แก่ จอแสดงผลแบบโปรเจคเตอร์ ซึ่งใช้การเพิ่มความถี่เป็นสองเท่าของตัวปล่อยแสง VECSEL ในย่านอินฟราเรดใกล้ เพื่อสร้างแสงสีน้ำเงินและสีเขียว

เลเซอร์ไดโอดแบบโพรงภายนอก (ECDL) เป็นเลเซอร์ที่ปรับได้ซึ่งใช้โพรงแสงแบบเรโซแนนซ์เพื่อป้อนแสงกลับไปยังเลเซอร์ เลเซอร์ไดโอดแบบโพรงภายนอกรุ่นแรกใช้เอทาลอนภายในโพรง^{[ 13 ]}และตะแกรง Littrow แบบปรับได้แบบง่าย^{[ 14 ]}การออกแบบอื่นๆ ได้แก่ ตะแกรงในรูปแบบการตกกระทบเฉียง ตะแกรงแบบปริซึมหลายอัน และเลเซอร์ไดโอดแบบแปลงสัญญาณเพียโซ^{[ 15 ] [ 16 ]}

ไดโอดเลเซอร์มีปัญหาเรื่องความน่าเชื่อถือและ ความล้มเหลวเช่นเดียว กับไดโอดเปล่งแสงนอกจากนี้ ยังอาจเกิดความเสียหายทางแสงอย่างร้ายแรง (COD) เมื่อใช้งานที่กำลังไฟสูงขึ้น

ความก้าวหน้าหลายอย่างในด้านความน่าเชื่อถือของเลเซอร์ไดโอดในช่วง 20 ปีที่ผ่านมายังคงเป็นความลับทางการค้าของผู้พัฒนาการวิเคราะห์ย้อนกลับจึงไม่สามารถเปิดเผยความแตกต่างระหว่างผลิตภัณฑ์เลเซอร์ไดโอดที่มีความน่าเชื่อถือสูงและต่ำกว่าได้เสมอไป

เลเซอร์ เซมิคอนดักเตอร์อาจเป็นเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิว เช่นVCSELหรือเลเซอร์เปล่งแสงจากขอบระนาบ สำหรับเลเซอร์เปล่งแสงจากขอบ กระจกเงาขอบมักจะถูกสร้างขึ้นโดยการผ่าแผ่นเวเฟอร์เซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างระนาบสะท้อนแสงแบบกระจกเงา^{[ 1 ] : 24} วิธีนี้ได้รับการอำนวยความสะดวกโดยความอ่อนแอของระนาบผลึกศาสตร์ [110] ในผลึกเซมิคอนดักเตอร์ III-V เช่นGaAs , InP , GaSbเป็นต้น เมื่อเทียบกับระนาบอื่นๆ

สถานะอะตอมที่ระนาบการแตกตัวจะเปลี่ยนแปลงไปเมื่อเทียบกับคุณสมบัติภายในผลึก เนื่องจากการสิ้นสุดของโครงสร้างผลึกแบบคาบสมบูรณ์แบบที่ระนาบนั้นสถานะพื้นผิวที่ระนาบแตกตัวมีระดับพลังงานอยู่ในช่วงแถบพลังงานที่ปกติแล้วไม่สามารถเกิดขึ้นได้ของสารกึ่งตัวนำ ดังนั้น เมื่อแสงแพร่ผ่านระนาบการแตกตัวและผ่านไปยังพื้นที่ว่างจากภายในผลึกสารกึ่งตัวนำ พลังงานแสงส่วนหนึ่งจะถูกดูดซับโดยสถานะพื้นผิว ซึ่งจะถูกเปลี่ยนเป็นความร้อนโดย ปฏิกิริยาระหว่าง โฟตอนและอิเล็กตรอนทำให้กระจกที่แตกตัวร้อนขึ้น นอกจากนี้ กระจกอาจร้อนขึ้นได้ง่ายๆ เพียงเพราะขอบของเลเซอร์ไดโอด—ซึ่งถูกกระตุ้นด้วยไฟฟ้า—สัมผัสกับฐานยึดที่ไม่สมบูรณ์ ซึ่งเป็นทางระบายความร้อน

ความร้อนที่เกิดขึ้นกับกระจกทำให้ช่องว่างพลังงานของสารกึ่งตัวนำหดตัวลงในบริเวณที่อุ่นกว่า การหดตัวของช่องว่างพลังงานทำให้การเปลี่ยนผ่านระหว่างแถบพลังงานอิเล็กตรอนจำนวนมากขึ้นสอดคล้องกับพลังงานของโฟตอน ส่งผลให้เกิดการดูดซับมากขึ้น นี่คือภาวะ ความร้อนสูงเกิน ควบคุม (thermal runaway ) ซึ่งเป็นรูปแบบหนึ่งของปฏิกิริยาตอบสนองเชิงบวกและผลที่ตามมาอาจทำให้พื้นผิวกระจกละลาย ซึ่งเรียกว่าความเสียหายทางแสงอย่างร้ายแรง (catastrophic optical damage - COD)

ในทศวรรษ 1970 ปัญหาดังกล่าว ซึ่งสร้างความยุ่งยากเป็นพิเศษสำหรับ เลเซอร์ที่ใช้ GaAsเป็นส่วนประกอบหลัก ซึ่งปล่อยแสงในช่วง 0.630 μm ถึง 1 μm (และสร้างความยุ่งยากน้อยกว่าสำหรับเลเซอร์ที่ใช้ InP เป็นส่วนประกอบหลัก ซึ่งใช้สำหรับการสื่อสาร ทางไกล เนื่องจากปล่อยแสงในช่วง 1.3 μm ถึง 2 μm) ได้ถูกระบุขึ้น

ไมเคิล เอทเทนเบิร์ก นักวิจัยและต่อมาดำรงตำแหน่งรองประธานที่ศูนย์วิจัยเดวิด ซาร์นอฟฟ์ของ ห้องปฏิบัติการ RCAในเมืองพรินซ์ตัน รัฐนิวเจอร์ซีย์ ได้คิดค้นวิธีแก้ปัญหา โดยการเคลือบ อะลูมิเนียมออกไซด์บางๆลงบนพื้นผิว หากเลือกความหนาของอะลูมิเนียมออกไซด์อย่างเหมาะสม มันจะทำหน้าที่เป็นสารเคลือบป้องกันการสะท้อนแสงช่วยลดการสะท้อนแสงที่พื้นผิว ซึ่งช่วยลดความร้อนและค่า CODที่พื้นผิว ได้

นับตั้งแต่นั้นมา ได้มีการปรับปรุงแก้ไขเพิ่มเติมอีกหลายวิธี หนึ่งในแนวทางคือการสร้างกระจกที่ไม่ดูดซับแสง (Non-absorbing mirror หรือ NAM) โดยทำให้ส่วนสุดท้ายประมาณ 10 ไมโครเมตร ก่อนที่แสงจะลอดออกมาจากหน้าตัดที่ถูกตัดนั้น ไม่ดูดซับแสงที่ความยาวคลื่นที่ต้องการ

ในช่วงต้นทศวรรษ 1990 บริษัท SDL Inc. เริ่มจัดจำหน่ายเลเซอร์ไดโอดกำลังสูงที่มีคุณสมบัติความน่าเชื่อถือที่ดี ซีอีโอ Donald Scifres และซีทีโอ David Welch ได้นำเสนอข้อมูลประสิทธิภาพความน่าเชื่อถือใหม่ในการประชุมต่างๆ เช่น การ ประชุม SPIE Photonics West ในยุคนั้น วิธีการที่ SDL ใช้ในการเอาชนะCODนั้นถือเป็นความลับสุดยอดและยังคงไม่เปิดเผยต่อสาธารณะจนถึงเดือนมิถุนายน ปี 2006

ในช่วงกลางทศวรรษ 1990 ศูนย์วิจัย IBM - Ruschlikon ประเทศสวิตเซอร์แลนด์ได้ประกาศว่าได้คิดค้นกระบวนการที่เรียกว่าE2ซึ่งทำให้เลเซอร์ที่ใช้ GaAs มีความต้านทานต่อ COD ได้อย่างยอดเยี่ยมกระบวนการนี้ก็ยังไม่ได้รับการเปิดเผยจนถึงเดือนมิถุนายน 2006

ความน่าเชื่อถือของแท่งปั๊มเลเซอร์ไดโอดกำลังสูง (ที่ใช้ในการปั๊มเลเซอร์โซลิดสเตท) ยังคงเป็นปัญหาที่ยากลำบากในหลากหลายการใช้งาน แม้ว่าจะมีความก้าวหน้าทางเทคโนโลยีที่เป็นกรรมสิทธิ์เหล่านี้แล้วก็ตาม อันที่จริง ฟิสิกส์ของความล้มเหลวของเลเซอร์ไดโอดยังคงอยู่ในระหว่างการศึกษา และการวิจัยในหัวข้อนี้ยังคงดำเนินต่อไป แม้ว่าจะเป็นข้อมูลที่เป็นความลับก็ตาม

การยืดอายุการใช้งานของไดโอดเลเซอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการนำไปปรับใช้ในหลากหลายแอปพลิเคชันอย่างต่อเนื่อง

ไดโอดเลเซอร์เป็นเลเซอร์ประเภทที่พบได้บ่อยที่สุด โดยมียอดขายในปี 2547 ประมาณ 733 ล้านหน่วย^{[ 17 ]}เมื่อเทียบกับเลเซอร์ประเภทอื่น ๆ ที่มียอดขาย 131,000 หน่วย^{[ 18 ]}

ไดโอดเลเซอร์ถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในด้านโทรคมนาคมเนื่องจากเป็นแหล่งกำเนิดแสงที่ปรับเปลี่ยนและเชื่อมต่อได้ง่ายสำหรับ การสื่อสาร ผ่านใยแก้วนำแสง นอกจากนี้ ยังใช้ในเครื่องมือวัดต่างๆ เช่นเครื่องวัดระยะทางการใช้งานทั่วไปอีกอย่างหนึ่งคือในเครื่องอ่านบาร์โค้ดเลเซอร์ที่มองเห็นได้โดยทั่วไปคือสีแดงแต่ต่อมาก็มีสีเขียว ด้วย นิยมใช้เป็นเลเซอร์พอยเตอร์

ไดโอดทั้งกำลังต่ำและกำลังสูงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายในอุตสาหกรรมการพิมพ์ ทั้งในฐานะแหล่งกำเนิดแสงสำหรับการสแกน (อินพุต) ภาพ และสำหรับการผลิตแผ่นพิมพ์ (เอาต์พุต) ที่มีความเร็วสูงและความละเอียดสูงมาก

ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรด และสีแดงพบได้ทั่วไปใน เครื่องเล่นซีดีซีดีรอมและเทคโนโลยีดีวีดี ส่วนเลเซอร์ สีม่วงใช้ใน เทคโนโลยี HDดีวีดีและบลูเรย์นอกจากนี้ ไดโอดเลเซอร์ยังถูกนำไปประยุกต์ใช้มากมายในสเปกโทรเมตรีการดูดกลืนแสงด้วยเลเซอร์ (LAS) เพื่อการประเมินหรือตรวจสอบความเข้มข้นของสารต่างๆ ในสถานะแก๊สด้วยความเร็วสูงและต้นทุนต่ำ

ไดโอดเลเซอร์กำลังสูงถูกนำไปใช้ในงานอุตสาหกรรม เช่น การอบชุบด้วยความร้อน การเคลือบ การเชื่อมตะเข็บ และสำหรับการปั๊มเลเซอร์อื่นๆ เช่นเลเซอร์โซลิดสเตทที่ใช้ไดโอดเป็นแหล่งกำเนิดแสง

การใช้งานเลเซอร์ไดโอดสามารถแบ่งออกได้หลายวิธี การใช้งานส่วนใหญ่สามารถใช้เลเซอร์โซลิดสเตทขนาดใหญ่หรือออปติคอลพาราเมตริกออสซิเลเตอร์ได้ แต่ต้นทุนที่ต่ำของเลเซอร์ไดโอดที่ผลิตในปริมาณมากทำให้มันมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในตลาดขนาดใหญ่ เลเซอร์ไดโอดสามารถนำไปใช้ในหลายสาขา เนื่องจากแสงมีคุณสมบัติที่แตกต่างกันมากมาย (กำลัง ความยาวคลื่น คุณภาพสเปกตรัมและลำแสง การโพลาไรซ์ ฯลฯ) จึงเป็นประโยชน์ที่จะจำแนกการใช้งานตามคุณสมบัติพื้นฐานเหล่านี้

การใช้งานเลเซอร์ไดโอดจำนวนมากใช้ประโยชน์จาก คุณสมบัติ การส่งพลังงานแบบกำหนดทิศทางของลำแสงเป็นหลัก ในหมวดหมู่นี้ อาจรวมถึง...

• เครื่องพิมพ์เลเซอร์
• เครื่องอ่านบาร์โค้ด
• การสแกนภาพ
• ผู้ให้แสงสว่าง
• ตัวกำหนด
• การบันทึกข้อมูลด้วยแสง
• การจุดระเบิดจากการเผาไหม้
• การผ่าตัดด้วยเลเซอร์ - การใช้เลเซอร์ตัดเนื้อเยื่อ
• การคัดแยก [ด้วยแสง] ทางอุตสาหกรรม
• เครื่องจักรกลอุตสาหกรรม
• การถ่ายโอนพลังงานแบบไร้สายเช่น การส่งพลังงานด้วยลำแสง
• อาวุธพลังงานแบบกำหนดทิศทาง

แอปพลิเคชันบางส่วนที่กล่าวมาข้างต้นนั้นมีการใช้งานอย่างแพร่หลายแล้ว ในขณะที่บางส่วนกำลังอยู่ในช่วงเริ่มต้น

การแพทย์ด้วยเลเซอร์ : การแพทย์และโดยเฉพาะอย่างยิ่งทันตกรรมได้ค้นพบการใช้งานใหม่ๆ มากมายสำหรับเลเซอร์ไดโอด^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]}ขนาดและต้นทุนที่ลดลง^{[ 25 ]}ของเครื่องและความสะดวกในการใช้งานที่เพิ่มขึ้นทำให้เลเซอร์ไดโอดเป็นที่น่าสนใจอย่างมากสำหรับแพทย์ในการทำหัตถการเกี่ยวกับเนื้อเยื่ออ่อนขนาดเล็ก

ความยาวคลื่นของไดโอดมีช่วงตั้งแต่ 810 ถึง 1,100 นาโนเมตรเนื้อเยื่ออ่อนดูดซับได้น้อย และไม่ได้ใช้สำหรับการตัดหรือการทำลาย^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]}เนื้อเยื่ออ่อนไม่ได้ถูกตัดด้วยลำแสงเลเซอร์ แต่ถูกตัดโดยการสัมผัสกับปลายแก้วที่ร้อนและไหม้เกรียม^{[ 28 ] [ 29 ]}การฉายรังสีของเลเซอร์จะถูกดูดซับอย่างมากที่ปลายสุดของปลายและทำให้ร้อนขึ้นถึง 500–900°C ^{[ 28 ]}เนื่องจากปลายร้อนมาก จึงสามารถใช้ตัดเนื้อเยื่ออ่อนและทำให้เกิดการห้ามเลือดได้ด้วยการจี้และการทำให้เป็นถ่าน^{[ 28 ] [ 29 ]}เลเซอร์ไดโอดเมื่อใช้กับเนื้อเยื่ออ่อนอาจทำให้เกิดความเสียหายจากความร้อนต่อเนื้อเยื่อโดยรอบอย่างกว้างขวาง^{[ 28 ] [ 29 ]}

เนื่องจากแสงเลเซอร์มีความสอดคล้องกัน โดยธรรมชาติ จึงมีการนำความสอดคล้องกันของไดโอดเลเซอร์ไปใช้ในแอปพลิเคชันต่างๆ เช่น การวัดระยะทางด้วยวิธีการแทรกสอด การสร้างภาพโฮโลแกรมการสื่อสารแบบสอดคล้องกัน และการควบคุมปฏิกิริยาเคมีแบบสอดคล้องกัน

ไดโอดเลเซอร์ถูกนำมาใช้ประโยชน์จากคุณสมบัติสเปกตรัมแคบในด้านต่างๆ เช่น การวัดระยะทาง การสื่อสารโทรคมนาคม มาตรการต่อต้านอินฟราเรดการตรวจจับด้วยสเปกโทรสโกปี การสร้างคลื่นความถี่วิทยุหรือเทราเฮิร์ตซ์ การเตรียมสถานะนาฬิกาอะตอม การเข้ารหัสแบบควอนตัม การเพิ่มความถี่และการแปลงความถี่ การทำน้ำให้บริสุทธิ์ (ในรังสีอัลตราไวโอเลต) และการบำบัดด้วยแสง (โดยที่ความยาวคลื่นแสงเฉพาะจะทำให้สารเช่นพอร์ฟิรินมีฤทธิ์ทางเคมีในฐานะสารต้านมะเร็งเฉพาะในบริเวณที่เนื้อเยื่อได้รับแสงเท่านั้น)

ไดโอดเลเซอร์ถูกนำมาใช้เนื่องจากความสามารถในการสร้างพัลส์แสงที่สั้นมากโดยใช้เทคนิคที่เรียกว่าการล็อกโหมดพื้นที่การใช้งานรวมถึงการกระจายสัญญาณนาฬิกาสำหรับวงจรรวมประสิทธิภาพสูง แหล่งกำเนิดพลังงานสูงสุดสูงสำหรับการตรวจจับด้วยสเปกโทรสโกปีแบบเหนี่ยวนำด้วยเลเซอร์ การสร้างรูปคลื่นแบบกำหนดเองสำหรับคลื่นความถี่วิทยุ การสุ่มตัวอย่างโฟตอนิกสำหรับการแปลงอนาล็อกเป็นดิจิทัล และ ระบบ การเข้าถึงแบบหลายช่องสัญญาณด้วยรหัส แสง สำหรับการสื่อสารที่ปลอดภัย

ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้เป็นแหล่งกำเนิดแสงสำหรับกระบวนการโฟโตลิโทกราฟีแบบไม่ใช้มาสก์

• 405 นาโนเมตร: เลเซอร์สีน้ำเงินม่วงInGaN ใช้ใน ไดรฟ์Blu-ray DiscและHD DVD
• 445–465 นาโนเมตร: ไดโอดมัลติโหมดเลเซอร์สีน้ำเงิน InGaN สำหรับใช้ใน โปรเจคเตอร์ฉายภาพความสว่างสูงแบบปราศจากสารปรอท
• 488 นาโนเมตร: เลเซอร์สีเขียว-น้ำเงินชนิด InGaN ; เริ่มวางจำหน่ายอย่างแพร่หลายในช่วงกลางปี ​​2018
• 505 นาโนเมตร: เลเซอร์ InGaNสีเขียวอมฟ้า; เริ่มวางจำหน่ายอย่างแพร่หลายในช่วงกลางปี ​​2018 เช่นกัน
• 510–525 นาโนเมตร: ไดโอดสีเขียว InGaNที่พัฒนาโดยNichiaและOSRAMสำหรับโปรเจ็กเตอร์เลเซอร์^{[ 30 ]}
• 635 นาโนเมตร: เลเซอร์พอยเตอร์สีแดงชนิด AlGaInPดีกว่า มีกำลังเท่ากัน แต่สว่างกว่า 650 นาโนเมตรถึงสองเท่า (เมื่อมองด้วยตาเปล่า)
• 650–660 นาโนเมตร: ไดรฟ์ CDและDVD ที่ทำ จาก GaInP / AlGaInP , ปากกาเลเซอร์ สีแดงราคาประหยัด
• 670 นาโนเมตร: เครื่องอ่านบาร์โค้ด AlGaInP , ปากกาเลเซอร์ไดโอดรุ่นแรก (ปัจจุบันล้าสมัยแล้ว ถูกแทนที่ด้วย DPSS ที่สว่างกว่าที่ 650 นาโนเมตรและ 671 นาโนเมตร)

• 760 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซAlGaInP : O₂
• 785 นาโนเมตร: ไดรฟ์ซีดีGaAlAs
• 808 นาโนเมตร: ตัวกระตุ้นGaAlAs ในเลเซอร์ Nd:YAG แบบDPSS (เช่น ในเลเซอร์พอยเตอร์สีเขียว หรือในรูปแบบอาร์เรย์ในเลเซอร์กำลังสูง)
• 848 นาโนเมตร: เมาส์เลเซอร์
• 980 นาโนเมตร: แหล่งกำเนิดแสง InGaAsสำหรับเครื่องขยายสัญญาณแสงและสำหรับเลเซอร์Yb:YAG DPSS
• 1,064 นาโนเมตร: การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสงAlGaAs , ความถี่ปั๊มเลเซอร์DPSS
• 1,310 นาโนเมตร: InGaAsP , InGaAsNสำหรับการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง
• 1,480 นาโนเมตร: แหล่งกำเนิดแสง InGaAsPสำหรับเครื่องขยายสัญญาณแสง
• 1,512 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ InGaAsP : NH₃
• 1,550 นาโนเมตร: InGaAsP , InGaAsNSbการสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง
• 1,625 นาโนเมตร: การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง InGaAsP , ช่องบริการ
• 1,654 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ InGaAsP : CH₄
• 1,877 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ GaInAsSb : H₂โอ
• 2,004 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ GaInAsSb : CO₂
• 2,330 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ GaInAsSb : CO
• 2,680 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ GaInAsSb : CO₂
• 3,030 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ GaInAsSb : C₂ชม₂
• 3,330 นาโนเมตร: การตรวจจับก๊าซ GaInAsSb : CH₄

• เลนส์ปรับลำแสง
• ความปลอดภัยจากเลเซอร์
• รายชื่อบทความเกี่ยวกับเลเซอร์
• ไดโอดซูเปอร์ลูมิเนสเซนต์

• แวน เซกโบรค, บีเจ"หลักการของอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ "(สำหรับช่องว่างพลังงานโดยตรงและโดยอ้อม)
• ซาเลห์ Bahaa EA; ไทช, มัลวิน คาร์ล (1991) พื้นฐานของโฟโตนิกส์ ไวลีย์. ไอเอสบีเอ็น 0-471-83965-5.(สำหรับการกระตุ้นการหลั่ง)
• Koyama, F.; Kinoshita, S.; Iga, K. (1988). "การทำงานต่อเนื่องที่อุณหภูมิห้องของเลเซอร์เปล่งแสงพื้นผิวโพรงแนวตั้ง GaAs" . IEICE Transactions (1976-1990) . 71 (11): 1089– 90.(สำหรับ VCSELS)
• Iga, Kenichi (2000). "เลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิว—กำเนิดและการสร้างสาขาอิเล็กโทรออปติกส์ใหม่". IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics . 6 (6): 1201– 15. Bibcode : 2000IJSTQ...6.1201I . doi : 10.1109/2944.902168 .(สำหรับ VECSELS)
• Duarte, FJ (2016). "เลเซอร์เซมิคอนดักเตอร์แบบโพรงภายนอกที่ปรับความถี่ได้กว้าง" . การประยุกต์ใช้เลเซอร์ที่ปรับได้ . CRC Press. หน้า  203–241 . ISBN 978-1-4822-6106-6.(สำหรับเลเซอร์ไดโอดแบบโพรงภายนอก)

วิกิมีเดียคอมมอนส์มีสื่อที่เกี่ยวข้องกับเลเซอร์ไดโอด

• บทนำเกี่ยวกับไดโอดเลเซอร์
• ภาพรวมของเลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเดี่ยวที่มีจำหน่าย
• วิดีโอแสดงขั้นตอนการประกอบแท่งเลเซอร์ เก็บถาวรเมื่อวันที่ 18 กุมภาพันธ์ 2018 ที่Wayback Machine
• คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับเลเซอร์ของแซมโดย ซามูเอล เอ็ม. โกลด์วาสเซอร์
• การขับเคลื่อนเลเซอร์ไดโอด EuroPhotonics, 08/2004 เก็บถาวรเมื่อ 2021-04-24 ที่Wayback Machine
• คู่มือฟิสิกส์เซมิคอนดักเตอร์ฉบับบริทนีย์ สเปียร์ส:เลเซอร์เปล่งแสงจากขอบ