Eine Laserdiode funktioniert nach dem Prinzip der stimulierten Emission von Photonen. Es besteht aus einem Halbleitermaterial, das zwischen zwei Schichten eingebettet ist, die einen pn-Übergang erzeugen. Wenn am pn-Übergang eine Durchlassspannung angelegt wird, rekombinieren Elektronen und Löcher innerhalb des Halbleitermaterials. Bei diesem Prozess wird Energie in Form von Photonen freigesetzt. Bei Laserdioden wird diese Photonenemission dazu angeregt, kohärent und gerichtet zu erfolgen, was zur Erzeugung von Laserlicht führt. Die emittierten Photonen prallen zwischen den reflektierenden Facetten des Diodenhohlraums hin und her und verstärken sich durch stimulierte Emission, bis ein kohärenter Laserstrahl durch eine der Facetten austritt.
Die Wirkung einer Laserdiode besteht darin, elektrische Energie durch den Prozess der stimulierten Emission in Lichtenergie umzuwandeln. Wenn Elektronen und Löcher im Halbleitermaterial der Diode unter Durchlassvorspannung rekombinieren, setzen sie Photonen frei. Diese Photonen regen dann andere angeregte Elektronen an, weitere Photonen mit derselben Wellenlänge und Phase auszusenden. Dieser Prozess erzeugt einen Kaskadeneffekt, der die Lichtemission verstärkt und zur Erzeugung eines kohärenten Laserstrahls mit spezifischen Eigenschaften führt, die durch das Design und die Materialien der Diode bestimmt werden.
Eine Diode ist ein Halbleiterbauelement, das den Stromfluss in eine Richtung zulässt und ihn in die entgegengesetzte Richtung blockiert. Es besteht aus einem pn-Übergang, an dem Elektronen und Löcher bei Vorspannung in Vorwärtsrichtung fließen können (wenn die Anode relativ zur Kathode positiv ist), bei Sperrvorspannung jedoch blockiert sind. Bei Vorwärtsspannung bewegen sich Elektronen aus dem n-Typ-Material und Löcher aus dem p-Typ-Material über den Übergang und erzeugen so einen leitenden Pfad für elektrischen Strom. Bei Sperrvorspannung weitet sich der Verarmungsbereich aus und verhindert aufgrund des Fehlens freier Ladungsträger einen signifikanten Stromfluss.
Bei einem diodengepumpten Laser (DPL) werden Laserdioden verwendet, um ein Verstärkungsmedium zu pumpen oder anzuregen, typischerweise einen Festkörperkristall oder ein Glas, das mit Seltenerdionen dotiert ist. Die Laserdioden emittieren intensives Licht mit einer Wellenlänge, die dem Absorptionsband des Verstärkungsmediums entspricht. Wenn das Verstärkungsmedium dieses Licht absorbiert, wird es angeregt und erzeugt eine Besetzungsinversion – ein Zustand, bei dem sich mehr Atome in Zuständen höherer Energie als in Zuständen niedrigerer Energie befinden. Anschließend kommt es innerhalb des Verstärkungsmediums zu einer stimulierten Emission, die zur Emission kohärenten Laserlichts führt. Diodengepumpte Laser sind im Vergleich zu herkömmlichen gas- oder lampengepumpten Lasern für ihre Effizienz, kompakte Größe und Zuverlässigkeit bekannt.
Laserdioden gelten tatsächlich als echte Laser. Sie arbeiten nach dem gleichen Grundprinzip der stimulierten Emission wie andere Lasertypen, beispielsweise Gaslaser oder Festkörperlaser. Laserdioden emittieren kohärentes Licht durch stimulierte Emission innerhalb eines Halbleitermaterials, wobei sie typischerweise einen pn-Übergang verwenden, um eine Besetzungsinversion zu erzeugen und dann die Emission von Photonen zu stimulieren. Während sie sich in Konstruktion und Anwendung möglicherweise von anderen Lasertypen unterscheiden, erzeugen Laserdioden kohärentes und gerichtetes Licht, das der technischen Definition eines Lasers entspricht – einem Gerät, das Licht durch einen Prozess der optischen Verstärkung auf der Grundlage stimulierter Emission emittiert.