ثنائي ليزري

تُشكل ثنائيات الليزر فئة فرعية من التصنيف الأوسع لثنائيات الوصلة p - n لأشباه الموصلات . يؤدي الانحياز الكهربائي الأمامي عبر ثنائي الليزر إلى حقن نوعي حاملات الشحنة - الفجوات والإلكترونات - من جانبي وصلة PIN إلى منطقة الاستنزاف. تُحقن الفجوات من شبه الموصل المُطعّم من النوع p إلى شبه الموصل غير المُطعّم (i)، والإلكترونات بالعكس. ( تتشكل منطقة الاستنزاف ، الخالية من أي حاملات شحنة، نتيجةً لاختلاف الجهد الكهربائي بين أشباه الموصلات من النوعين n و p عند تلامسهما). نظرًا لاستخدام حقن الشحنة في تشغيل معظم ليزرات الثنائيات، يُطلق على هذه الفئة من الليزرات أحيانًا اسم ليزرات الحقن ، أو ثنائيات ليزر الحقن (ILD). ولأن ليزرات الثنائيات هي أجهزة أشباه موصلات، فقد تُصنف أيضًا على أنها ليزرات أشباه موصلات. كلا التصنيفين يميز ليزرات الثنائيات عن ليزرات الحالة الصلبة .

تُعدّ الضخّ الضوئي طريقة أخرى لتشغيل بعض ليزرات الديود . تستخدم ليزرات أشباه الموصلات المضخّة ضوئيًا (OPSL) شريحة من أشباه الموصلات من النوع III-V كوسيط تضخيم، وليزرًا آخر (غالبًا ليزر ديود آخر) كمصدر ضخّ. توفر ليزرات OPSL العديد من المزايا مقارنةً بليزرات ILD، لا سيما في اختيار الطول الموجي وعدم وجود تداخل من هياكل الأقطاب الكهربائية الداخلية. ^{[ 2 ] [ 3 ]} ومن المزايا الأخرى لليزر OPSL ثبات معلمات الشعاع - التباعد والشكل والاتجاه - مع تغير قدرة الضخّ (وبالتالي قدرة الخرج)، حتى عند نسبة قدرة خرج تبلغ 10:1. ^{[ 4 ]}

عندما يتواجد إلكترون وفجوة في نفس المنطقة، قد يتحدان أو يفنيان بعضهما البعض، مما ينتج عنه انبعاث تلقائي . أي أن الإلكترون قد يشغل مستوى طاقة الفجوة، مُصدراً فوتوناً طاقته تساوي الفرق بين طاقة الإلكترون الأصلية وطاقة الفجوة. (في ثنائي الوصلة شبه الموصل التقليدي، تُنقل الطاقة المنبعثة من اتحاد الإلكترونات والفجوات على شكل فونونات (اهتزازات الشبكة البلورية) بدلاً من الفوتونات). يُنتج الانبعاث التلقائي دون عتبة الليزر خصائص مشابهة لخصائص الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED ) . يُعد الانبعاث التلقائي ضرورياً لبدء تذبذب الليزر، ولكنه أحد مصادر عدم الكفاءة العديدة بمجرد بدء تذبذب الليزر.

يكمن الفرق بين ليزر أشباه الموصلات الباعث للفوتونات وثنائي أشباه الموصلات التقليدي الباعث للفونونات (غير الباعث للضوء) في نوع شبه الموصل المستخدم، والذي يمنحه تركيبه الفيزيائي والذري إمكانية انبعاث الفوتونات. تُعرف أشباه الموصلات الباعثة للفوتونات هذه باسم أشباه الموصلات " ذات فجوة النطاق المباشرة ". أما السيليكون والجرمانيوم ، وهما من أشباه الموصلات أحادية العنصر، فلهما فجوات نطاق لا تتوافق بالشكل المطلوب لانبعاث الفوتونات، ولذلك لا تُعتبر فجوات نطاقهما مباشرة . بينما تتميز مواد أخرى، تُعرف باسم أشباه الموصلات المركبة، ببنية بلورية مطابقة تقريبًا للسيليكون أو الجرمانيوم، ولكنها تستخدم ترتيبات متناوبة لنوعين ذريين مختلفين بنمط يشبه رقعة الشطرنج لكسر التناظر. ويُنشئ الانتقال بين المواد في هذا النمط المتناوب خاصية فجوة النطاق المباشرة الأساسية . يُعد كل من زرنيخيد الغاليوم ، وفوسفيد الإنديوم ، وأنتيمونيد الغاليوم ، ونيتريد الغاليوم أمثلة على مواد أشباه الموصلات المركبة التي يمكن استخدامها لإنشاء ثنائيات وصلة تصدر الضوء.

في غياب ظروف الانبعاث المحفز (مثل الليزر)، قد تتعايش الإلكترونات والفجوات بالقرب من بعضها البعض، دون إعادة اتحاد، لفترة زمنية معينة تُسمى عمر الحالة العليا أو زمن إعادة الاتحاد (حوالي نانوثانية لمواد ليزر الصمام الثنائي النموذجية)، قبل أن تتحد. يمكن لفوتون قريب ذي طاقة مساوية لطاقة إعادة الاتحاد أن يُسبب إعادة الاتحاد عن طريق الانبعاث المحفز . يُولد هذا فوتونًا آخر بنفس التردد والاستقطاب والطور ، يسير في نفس اتجاه الفوتون الأول. هذا يعني أن الانبعاث المحفز سيُسبب تضخيمًا في الموجة الضوئية (ذات الطول الموجي الصحيح) في منطقة الحقن، ويزداد التضخيم مع ازدياد عدد الإلكترونات والفجوات المحقونة عبر الوصلة. تُعد عمليات الانبعاث التلقائي والمحفز أكثر كفاءة بكثير في أشباه الموصلات ذات فجوة النطاق المباشرة مقارنةً بأشباه الموصلات ذات فجوة النطاق غير المباشرة ؛ لذلك، لا يُعد السيليكون مادة شائعة في ثنائيات الليزر.

كما هو الحال في الليزرات الأخرى، تُحاط منطقة التضخيم بتجويف بصري لتشكيل الليزر. في أبسط أشكال ثنائي الليزر، يُصنع دليل موجي بصري على سطح البلورة، بحيث ينحصر الضوء في خط ضيق نسبيًا. تُشق نهايتا البلورة لتشكيل حواف متوازية ناعمة تمامًا، مكونةً رنان فابري-بيرو . تنتقل الفوتونات المنبعثة في نمط الدليل الموجي على طوله وتنعكس عدة مرات من كل وجه طرفي قبل خروجها. عند مرور الموجة الضوئية عبر التجويف، يتم تضخيمها بواسطة الانبعاث المحفز ، ولكن يُفقد جزء من الضوء أيضًا بسبب الامتصاص والانعكاس غير الكامل من الأوجه الطرفية. أخيرًا، إذا كان التضخيم أكبر من الفقد، يبدأ الثنائي في إصدار الليزر .

تُحدد هندسة التجويف البصري بعض الخصائص المهمة لثنائيات الليزر. عمومًا، ينحصر الضوء داخل طبقة رقيقة جدًا، ولا يدعم هذا التركيب سوى نمط بصري واحد في الاتجاه العمودي على الطبقات. أما في الاتجاه العرضي، فإذا كان الدليل الموجي عريضًا مقارنةً بطول موجة الضوء، فإنه يدعم أنماطًا بصرية عرضية متعددة ، ويُعرف الليزر حينها باسم الليزر متعدد الأنماط . تُعد هذه الليزرات متعددة الأنماط العرضية مناسبةً في الحالات التي تتطلب طاقةً عاليةً جدًا، ولكنها لا تحتاج إلى شعاع TEM00 صغير محدود الانعراج ، كما هو الحال في الطباعة، وتنشيط المواد الكيميائية، والمجهر، أو ضخ أنواع أخرى من الليزر.

في التطبيقات التي تتطلب شعاعًا صغيرًا ومركزًا، يجب أن يكون الموجه ضيقًا، في حدود الطول الموجي البصري. بهذه الطريقة، يُدعم نمط عرضي واحد فقط، وينتج عنه شعاع محدود الانعراج. تُستخدم هذه الأجهزة أحادية النمط المكاني في التخزين البصري، ومؤشرات الليزر، والألياف البصرية. قد تدعم هذه الليزرات أنماطًا طولية متعددة، وبالتالي يمكنها إصدار الليزر بأطوال موجية متعددة في آن واحد. يعتمد الطول الموجي المنبعث على فجوة النطاق لمادة أشباه الموصلات وأنماط التجويف البصري. بشكل عام، يحدث أقصى كسب للفوتونات ذات الطاقة الأعلى بقليل من طاقة فجوة النطاق، وتكون الأنماط الأقرب إلى ذروة منحنى الكسب هي الأقوى في إصدار الليزر. يحدد عرض منحنى الكسب عدد الأنماط الجانبية الإضافية التي قد تُصدر الليزر أيضًا، وذلك حسب ظروف التشغيل. تُسمى الليزرات أحادية النمط المكاني التي تدعم أنماطًا طولية متعددة بليزر فابري-بيرو (FP). يُصدر ليزر فابري-بيرو شعاعًا ضوئيًا عند أنماط تجويف متعددة ضمن نطاق كسب الوسط الليزري. عادةً ما يكون عدد أنماط الليزر في ليزر فابري-بيرو غير مستقر، وقد يتقلب نتيجةً لتغيرات التيار أو درجة الحرارة.

يمكن تصميم ليزرات الديود أحادية النمط المكاني بحيث تعمل على نمط طولي واحد. تتميز هذه الليزرات أحادية التردد بدرجة عالية من الاستقرار، وتُستخدم في التحليل الطيفي والقياسات، بالإضافة إلى استخدامها كمرجع للتردد. تُصنف ليزرات الديود أحادية التردد إلى نوعين: ليزرات التغذية المرتدة الموزعة (DFB) وليزر عاكس براغ الموزع (DBR).

بسبب الانعراج ، يتشتت شعاع الليزر (يتوسع) بسرعة بعد خروجه من الشريحة، عادةً بزاوية 30 درجة رأسيًا و10 درجات أفقيًا. يجب استخدام عدسة لتكوين شعاع متوازي مثل ذلك الذي ينتجه مؤشر الليزر. إذا لزم شعاع دائري، تُستخدم عدسات أسطوانية وبصريات أخرى. بالنسبة لأشعة الليزر أحادية النمط المكاني، وباستخدام عدسات متناظرة، يكون شكل الشعاع المتوازي بيضاويًا، نظرًا لاختلاف التشتت الرأسي والجانبي. يمكن ملاحظة ذلك بسهولة باستخدام مؤشر ليزر أحمر . المحور الأطول للقطع الناقص عمودي على مستوى الشريحة.

تم تعديل الصمام الثنائي البسيط الموصوف أعلاه بشكل كبير في السنوات الأخيرة لاستيعاب التكنولوجيا الحديثة، مما أدى إلى ظهور أنواع مختلفة من الصمامات الثنائية الليزرية، كما هو موضح أدناه.

في هذه الأجهزة، تُوضع طبقة من مادة ذات فجوة طاقة منخفضة بين طبقتين من مادة ذات فجوة طاقة عالية. ومن أشهر أزواج المواد المستخدمة زرنيخيد الغاليوم (GaAs) مع زرنيخيد غاليوم الألومنيوم (AlₓGaₓAs _{) .} يُطلق على كل وصلة بين المواد ذات فجوات الطاقة المختلفة اسم " البنية غير المتجانسة "، ومن هنا جاء اسم ليزر البنية غير المتجانسة المزدوجة (DH). أما نوع ثنائي الليزر الموصوف في الجزء الأول من المقال، فيمكن الإشارة إليه باسم ليزر الوصلة المتجانسة ، وذلك للتمييز بينه وبين هذه الأجهزة الأكثر شيوعًا.

تكمن ميزة ليزر DH في أن المنطقة التي تتواجد فيها الإلكترونات والفجوات الحرة معًا - المنطقة الفعالة - محصورة في الطبقة الوسطى الرقيقة. وهذا يعني أن عددًا أكبر من أزواج الإلكترون-فجوة يمكن أن يساهم في التضخيم، حيث لا يُهدر الكثير منها في المحيط ذي التضخيم الضعيف. إضافةً إلى ذلك، ينعكس الضوء داخل الوصلة غير المتجانسة، وبالتالي، ينحصر الضوء في المنطقة التي يحدث فيها التضخيم.

إذا صُنعت الطبقة الوسطى رقيقةً بما يكفي، فإنها تعمل كبئر كمومي . وهذا يعني أن التغير الرأسي لدالة الموجة للإلكترون ، وبالتالي أحد مكونات طاقته، يكون مُكمّمًا. وتكون كفاءة ليزر البئر الكمومي أعلى من كفاءة الليزر التقليدي، لأن دالة كثافة حالات الإلكترونات في نظام البئر الكمومي لها حافة حادة تُركّز الإلكترونات في مستويات طاقة تُساهم في عمل الليزر.

تُعرف الليزرات التي تحتوي على أكثر من طبقة واحدة من الآبار الكمومية باسم ليزرات الآبار الكمومية المتعددة . تعمل الآبار الكمومية المتعددة على تحسين تداخل منطقة التضخيم مع نمط الموجة الضوئية الموجهة .

وقد تم إثبات المزيد من التحسينات في كفاءة الليزر عن طريق تقليل طبقة (طبقات) البئر الكمومي إلى طبقة (طبقات) تحتوي على أسلاك كمومية وخاصة النقاط الكمومية .

في ليزر الشلال الكمومي ، يُستخدم الفرق بين مستويات طاقة البئر الكمومي في انتقال الليزر بدلاً من فجوة النطاق. وهذا يُتيح عمل الليزر بأطوال موجية طويلة نسبيًا ، يُمكن ضبطها ببساطة عن طريق تغيير سُمك الطبقة. وهي ليزرات ذات وصلات غير متجانسة.

الليزر المتتالي بين النطاقات (ICL) هو نوع من أنواع ثنائيات الليزر التي يمكنها إنتاج إشعاع متماسك على جزء كبير من منطقة الأشعة تحت الحمراء المتوسطة من الطيف الكهرومغناطيسي.

تكمن مشكلة ثنائي البئر الكمومي البسيط الموصوف أعلاه في أن الطبقة الرقيقة صغيرة جدًا بحيث لا تستطيع حصر الضوء بكفاءة. وللتعويض عن ذلك، تُضاف طبقتان أخريان خارج الطبقات الثلاث الأولى. تتميز هاتان الطبقتان بمعامل انكسار أقل من الطبقات المركزية، وبالتالي تحصران الضوء بكفاءة. يُطلق على هذا التصميم اسم ثنائي ليزر ذي بنية غير متجانسة للحصر المنفصل (SCH).

جميع ثنائيات الليزر التجارية تقريبًا منذ التسعينيات كانت ثنائيات بئر الكم SCH.

ليزر عاكس براغ الموزع (DBR) هو نوع من ليزرات الصمام الثنائي أحادية التردد. ^{[ 11 ]} يتميز بتجويف بصري يتكون من منطقة تضخيم تُضخ كهربائيًا أو ضوئيًا بين مرآتين لتوفير التغذية الراجعة. إحدى المرآتين عاكسة واسعة النطاق، والأخرى انتقائية الطول الموجي بحيث يكون التضخيم مُفضلاً على نمط طولي واحد، مما ينتج عنه انبعاث ليزري بتردد رنين واحد. عادةً ما تُغطى المرآة واسعة النطاق بطبقة منخفضة الانعكاسية للسماح بالانبعاث. أما المرآة الانتقائية الطول الموجي فهي عبارة عن محزز حيود ذي بنية دورية وانعكاسية عالية. يقع محزز الحيود داخل منطقة غير مضخوخة، أو سلبية، من التجويف. ليزر DBR هو جهاز متجانس أحادي الشريحة، حيث يُحفر المحزز في أشباه الموصلات. يمكن أن تكون ليزرات DBR ليزرات انبعاث حافية أو ليزرات VCSEL . تشمل البنى الهجينة البديلة التي تشترك في نفس البنية ليزرات الصمام الثنائي ذات التجويف الممتد وليزر شبكة براغ الحجمية، ولكن لا يُطلق عليها بشكل صحيح اسم ليزرات DBR.

ليزر التغذية المرتدة الموزعة (DFB) هو نوع من ليزرات الصمام الثنائي أحادية التردد. ^{[ 11 ]} تُعدّ ليزرات DFB أكثر أنواع أجهزة الإرسال شيوعًا في أنظمة DWDM . ولتثبيت طول موجة الليزر، تُحفر شبكة حيود بالقرب من وصلة p - n للصمام الثنائي. تعمل هذه الشبكة كمرشح بصري، مما يؤدي إلى تغذية طول موجة واحد إلى منطقة التضخيم وإطلاق الليزر. ولأن الشبكة توفر التغذية المرتدة اللازمة لإطلاق الليزر، فلا حاجة للانعكاس من الأسطح. لذلك، يُغطى سطح واحد على الأقل من ليزر DFB بطبقة مضادة للانعكاس . يتميز ليزر DFB بطول موجة ثابت يُحدد أثناء التصنيع بواسطة خطوة الشبكة، ولا يمكن تعديله إلا بشكل طفيف بتغيير درجة الحرارة. تُستخدم ليزرات DFB على نطاق واسع في تطبيقات الاتصالات الضوئية حيث يُعدّ الطول الموجي الدقيق والمستقر أمرًا بالغ الأهمية.

يبلغ تيار العتبة لهذا الليزر ذي التغذية المرتدة الموزعة، بناءً على خصائصه الثابتة، حوالي 11 مللي أمبير. ويمكن اختيار تيار الانحياز المناسب في النظام الخطي عند منتصف نطاق الخصائص الثابتة (50 مللي أمبير). وقد طُرحت عدة تقنيات لتحسين التشغيل أحادي النمط في هذا النوع من الليزر عن طريق إدخال إزاحة طور واحدة (1PS) أو إزاحات طور متعددة (MPS) في محزز براغ المنتظم. ^{[ 12 ]} ومع ذلك، تُعدّ ليزرات التغذية المرتدة الموزعة ذات إزاحات الطور المتعددة الحل الأمثل، لأنها تجمع بين نسبة كبح أعلى للأنماط الجانبية وتقليل احتراق الثقوب المكانية.

تتميز ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الرأسي (VCSELs) بأن محور التجويف البصري فيها يمتد على طول اتجاه تدفق التيار، على عكس ليزرات الصمام الثنائي التقليدية التي يكون محورها عموديًا على اتجاه تدفق التيار. ويكون طول المنطقة الفعالة قصيرًا جدًا مقارنةً بالأبعاد الجانبية، بحيث ينبعث الإشعاع من سطح التجويف وليس من حافته، كما هو موضح في الشكل. أما العواكس الموجودة في نهايتي التجويف فهي عبارة عن مرايا عازلة مصنوعة من طبقات متعددة متناوبة ذات معامل انكسار عالٍ ومنخفض، بسمك ربع موجة.

توفر هذه المرايا العازلة درجة عالية من الانعكاس الانتقائي للطول الموجي عند الطول الموجي المطلوب للسطح الحر _λ ، _{إذا كانت} سماكة الطبقات المتناوبة d1 و d2 ذات معاملات الانكسار _n1 و _n2 بحيث يكون n1d1 + n2d2 ₌ λ / 2 _، مما يؤدي إلى تداخل بناء لجميع الموجات المنعكسة جزئيًا عند الأسطح البينية. ولكن ثمة عيب: نظرًا لانعكاسية _{المرآة العالية} ، فإن ليزرات VCSEL تتميز بقدرة خرج أقل مقارنةً بليزر الانبعاث الحافي.

تتميز عملية إنتاج ليزرات VCSEL بعدة مزايا مقارنةً بعملية إنتاج ليزرات الانبعاث الحافي. إذ لا يمكن اختبار ليزرات الانبعاث الحافي إلا في نهاية عملية الإنتاج. وفي حال تعطل ليزر الانبعاث الحافي، سواءً بسبب ضعف التوصيلات أو رداءة جودة نمو المادة، فإن وقت الإنتاج ومواد المعالجة يكونان قد أُهدرا.

بالإضافة إلى ذلك، ولأن ليزرات VCSEL تُصدر شعاعها عموديًا على المنطقة الفعالة لليزر، على عكس الليزرات الموازية لها كما في الليزرات ذات الباعث الحافي، فإنه يُمكن معالجة عشرات الآلاف من ليزرات VCSEL في وقت واحد على رقاقة زرنيخيد الغاليوم بقطر ثلاث بوصات. علاوة على ذلك، ورغم أن عملية إنتاج ليزرات VCSEL تتطلب عمالة ومواد أكثر، إلا أنه يُمكن التحكم في الإنتاجية للحصول على نتائج أكثر قابلية للتنبؤ. مع ذلك، فإنها عادةً ما تُظهر مستوى طاقة خرج أقل.

تُشبه ليزرات انبعاث السطح ذات التجويف الخارجي الرأسي ( VECSELs ) ليزرات VCSELs. في ليزرات VCSELs، تُنمّى المرايا عادةً بشكل طبقي كجزء من بنية الصمام الثنائي، أو تُنمّى بشكل منفصل وتُلصق مباشرةً بأشباه الموصلات التي تحتوي على المنطقة النشطة. تتميز ليزرات VECSELs ببنية يكون فيها أحد المرآتين خارج بنية الصمام الثنائي. ونتيجةً لذلك، يحتوي التجويف على منطقة فراغ. تبلغ المسافة النموذجية من الصمام الثنائي إلى المرآة الخارجية 1  سم.

من أبرز خصائص ليزر VECSEL صغر سُمك منطقة التضخيم شبه الموصلة في اتجاه الانتشار، حيث يقل عن 100  نانومتر. في المقابل، يتطلب ليزر أشباه الموصلات التقليدي ذو الانبعاث السطحي انتشار الضوء لمسافات  تتراوح من 250 ميكرومتر إلى 2  مليمتر أو أكثر. تكمن أهمية مسافة الانتشار القصيرة في تقليل تأثير اللاخطية المضادة للتوجيه في منطقة تضخيم ليزر الصمام الثنائي. والنتيجة هي شعاع ضوئي أحادي النمط ذو مقطع عرضي كبير، وهو ما لا يمكن الحصول عليه من ليزرات الصمام الثنائي ذات الانبعاث السطحي (الانبعاث الحافي).

قام العديد من الباحثين بعرض نماذج أولية لأجهزة ليزر VECSEL المضخّة ضوئيًا، ولا يزال تطويرها مستمرًا لتطبيقات عديدة، بما في ذلك مصادر الطاقة العالية المستخدمة في عمليات التصنيع الصناعية (القطع، والتثقيب، وما إلى ذلك) نظرًا لقدرتها وكفاءتها العالية بشكل استثنائي عند ضخها بواسطة قضبان ليزر ثنائية متعددة الأنماط. مع ذلك، ونظرًا لافتقارها إلى وصلات p - n ، لا تُصنّف أجهزة ليزر VECSEL المضخّة ضوئيًا ضمن ليزرات الثنائيات ، بل تُصنّف ضمن ليزرات أشباه الموصلات.

كما تم عرض ليزرات VECSEL التي تعمل بالضخ الكهربائي. وتشمل تطبيقاتها شاشات العرض، التي تعتمد على مضاعفة تردد باعثات VECSEL القريبة من الأشعة تحت الحمراء لإنتاج الضوء الأزرق والأخضر.

تُعدّ ليزرات الصمام الثنائي ذات التجويف الخارجي (ECDLs) ليزرات قابلة للضبط ، تستخدم تجويفًا بصريًا رنينيًا لإعادة توجيه الضوء إلى الليزر. استخدمت أولى ليزرات الصمام الثنائي ذات التجويف الخارجي معايير داخلية ^{[ 13 ]} وشبكات ليترو بسيطة الضبط. ^{[ 14 ]} تشمل التصاميم الأخرى شبكات في تكوين سقوط مائل، وتكوينات شبكات متعددة الموشورات، وتكوين ليزر الصمام الثنائي المُحوّل بالكهرباء الانضغاطية. ^{[ 15 ] [ 16 ]}

تُستخدم ثنائيات الليزر على نطاق واسع في الاتصالات السلكية واللاسلكية كمصادر ضوئية سهلة التعديل والربط في الاتصالات عبر الألياف الضوئية . كما تُستخدم في العديد من أجهزة القياس، مثل أجهزة تحديد المدى . ومن الاستخدامات الشائعة الأخرى لها قارئات الرموز الشريطية . أما أشعة الليزر المرئية ، وخاصة الحمراء منها ثم الخضراء ، فتُستخدم عادةً كمؤشرات ليزر .

تُستخدم الثنائيات ذات الطاقة المنخفضة والعالية على نطاق واسع في صناعة الطباعة، سواء كمصادر ضوئية لمسح الصور (الإدخال) أو لتصنيع ألواح الطباعة عالية السرعة وعالية الدقة (الإخراج).

تُستخدم ثنائيات الليزر بالأشعة تحت الحمراء والحمراء بشكل شائع في مشغلات الأقراص المدمجة ، وأقراص CD-ROM ، وتقنية DVD . أما الليزر البنفسجي فيُستخدم في تقنية HD DVD وتقنية Blu-ray . كما وجدت ثنائيات الليزر تطبيقات عديدة في مطيافية امتصاص الليزر (LAS) لتقييم أو مراقبة تركيز مختلف الأنواع في الحالة الغازية بسرعة عالية وبتكلفة منخفضة.

تُستخدم ثنائيات الليزر عالية الطاقة في التطبيقات الصناعية مثل المعالجة الحرارية والتكسية ولحام التماس، ولضخ الليزرات الأخرى، مثل ليزرات الحالة الصلبة التي يتم ضخها بواسطة الثنائيات .

يمكن تصنيف استخدامات ثنائيات الليزر بطرقٍ متنوعة. فمعظم التطبيقات يُمكن تلبيتها باستخدام ليزرات الحالة الصلبة الأكبر حجمًا أو المذبذبات البارامترية البصرية، إلا أن التكلفة المنخفضة لليزر الثنائي المُنتَج بكميات كبيرة تجعله ضروريًا لتطبيقات السوق الجماهيري. يُمكن استخدام ليزرات الثنائي في العديد من المجالات؛ ونظرًا لتعدد خصائص الضوء (القدرة، الطول الموجي، جودة الطيف والشعاع، الاستقطاب، إلخ)، فمن المفيد تصنيف التطبيقات وفقًا لهذه الخصائص الأساسية.

تعتمد العديد من تطبيقات ليزرات الديود بشكل أساسي على خاصية الطاقة الموجهة للشعاع الضوئي. ومن بين هذه التطبيقات، يمكن إدراج

• طابعات الليزر
• قارئات الباركود
• مسح الصور
• المنائر
• المسميات
• تسجيل البيانات البصرية
• اشتعال الاحتراق
• الجراحة بالليزر - يستخدم الليزر لقطع الأنسجة
• الفرز الصناعي [البصري]
• التشغيل الآلي الصناعي
• نقل الطاقة لاسلكيًا ، أو ما يُعرف بنقل الطاقة عبر الشعاع
• أسلحة الطاقة الموجهة

بعض التطبيقات المذكورة أعلاه راسخة، بينما البعض الآخر لا يزال في طور الظهور.

طب الليزر : وجد الطب، وخاصة طب الأسنان، العديد من الاستخدامات الجديدة لأشعة الليزر الثنائية. ^{[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ] [ 22 ] [ 23 ] [ 24 ]} إن صغر حجم هذه الأجهزة وانخفاض تكلفتها ^{[ 25 ]} وسهولة استخدامها المتزايدة يجعلها جذابة للغاية للأطباء لإجراءات الأنسجة الرخوة البسيطة.

تتراوح أطوال موجات ليزر الديود بين 810 و1100 نانومتر ، وهي ضعيفة الامتصاص في الأنسجة الرخوة، ولا تُستخدم للقطع أو الاستئصال . ^{[ 26 ] [ 27 ] [ 28 ] [ 29 ]} لا يُقطع النسيج الرخو بواسطة شعاع الليزر، بل يُقطع عن طريق ملامسته لطرف زجاجي ساخن متفحم. ^{[ 28 ] [ 29 ]} يُمتص إشعاع الليزر بشكل كبير عند الطرف البعيد للطرف، مما يؤدي إلى تسخينه إلى 500-900 درجة مئوية. ^{[ 28 ]} نظرًا لارتفاع درجة حرارة الطرف، يمكن استخدامه لقطع النسيج الرخو، ويمكنه أيضًا إيقاف النزيف عن طريق الكي والتفحيم . ^{[ 28 ] [ 29 ]} عند استخدام ليزر الديود على النسيج الرخو ، قد يُسبب ضررًا حراريًا جانبيًا واسع النطاق للأنسجة المحيطة. ^{[ 28 ] [ 29 ]}

بما أن ضوء شعاع الليزر متماسك بطبيعته ، فإن بعض التطبيقات تستخدم تماسك ثنائيات الليزر. وتشمل هذه التطبيقات قياس المسافة بالتداخل، والتصوير المجسم ، والاتصالات المتماسكة، والتحكم المتماسك في التفاعلات الكيميائية.

تُستخدم الثنائيات الليزرية لخصائصها الطيفية الضيقة في مجالات تحديد المدى، والاتصالات السلكية واللاسلكية، والتدابير المضادة للأشعة تحت الحمراء، والاستشعار الطيفي ، وتوليد موجات الترددات الراديوية أو موجات تيراهيرتز، وإعداد حالة الساعة الذرية، وتشفير المفتاح الكمي، ومضاعفة التردد وتحويله، وتنقية المياه (في الأشعة فوق البنفسجية)، والعلاج الضوئي الديناميكي (حيث يؤدي طول موجي معين من الضوء إلى جعل مادة مثل البورفيرين نشطة كيميائيًا كعامل مضاد للسرطان فقط عندما يكون النسيج مضاءً بالضوء).

تُستخدم ثنائيات الليزر لقدرتها على توليد نبضات ضوئية فائقة القصر بتقنية تُعرف باسم قفل الأنماط . وتشمل مجالات استخدامها توزيع إشارات الساعة للدوائر المتكاملة عالية الأداء، ومصادر الطاقة العالية الذروة لاستشعار مطيافية الانهيار المستحث بالليزر، وتوليد أشكال موجية عشوائية لموجات الترددات الراديوية، وأخذ العينات الضوئية للتحويل من تناظري إلى رقمي، وأنظمة الوصول المتعدد بتقسيم الشفرة الضوئية للاتصالات الآمنة.

تُستخدم ثنائيات الليزر كمصدر للضوء في الطباعة الضوئية بدون قناع .

• 405  نانومتر: ليزر أزرق بنفسجي من نوع InGaN ، في محركات أقراص Blu-ray و HD DVD
• 445-465  نانومتر: ثنائي ليزر أزرق متعدد الأوضاع من نوع InGaN للاستخدام في أجهزة عرض البيانات عالية السطوع الخالية من الزئبق
• 488  نانومتر: ليزر InGaN أخضر-أزرق؛ أصبح متاحًا على نطاق واسع في منتصف عام 2018.
• 505  نانومتر: ليزر InGaN أزرق مخضر؛ أصبح متاحًا على نطاق واسع في منتصف عام 2018.
• 510-525  نانومتر: ثنائيات InGaN الخضراء التي طورتها شركتا Nichia و OSRAM لأجهزة عرض الليزر. ^{[ 30 ]}
• 635  نانومتر: مؤشرات ليزر حمراء أفضل من AlGaInP ، بنفس القدرة، لكنها أكثر سطوعًا بمرتين من 650  نانومتر.
• 650-660  نانومتر: محركات أقراص CD و DVD المصنوعة من GaInP / AlGaInP ، ومؤشرات ليزر حمراء رخيصة
• 670  نانومتر: قارئات الباركود AlGaInP  ، أول مؤشرات ليزر ثنائي (أصبحت الآن قديمة، وتم استبدالها بمؤشرات DPSS أكثر سطوعًا بتردد 650 نانومتر و671  نانومتر)

• 760  نانومتر: استشعار الغاز AlGaInP : الأكسجين₂
• 785  نانومتر: محركات الأقراص المدمجة المصنوعة من GaAlAs
• 808  نانومتر: مضخات GaAlAs في ليزرات DPSS Nd:YAG (على سبيل المثال، في مؤشرات الليزر الخضراء أو كمصفوفات في الليزرات ذات الطاقة العالية)
• 848  نانومتر: فئران الليزر
• 980  نانومتر: مضخة InGaAs للمضخمات البصرية ، لأشعة ليزر Yb:YAG DPSS
• 1064  نانومتر: اتصالات الألياف الضوئية AlGaAs ، تردد ضخ ليزر DPSS
• 1310  نانومتر: اتصالات الألياف الضوئية InGaAsP و InGaAsN
• 1480  نانومتر: مضخة InGaAsP للمضخمات البصرية
• 1512  نانومتر: استشعار الغاز InGaAsP : NH₃
• 1550  نانومتر: اتصالات الألياف الضوئية InGaAsP و InGaAsNSb
• 1625  نانومتر: اتصالات الألياف الضوئية InGaAsP ، قناة الخدمة
• 1654  نانومتر: استشعار الغاز باستخدام InGaAsP : CH₄
• 1877  نانومتر: استشعار الغاز GaInAsSb : الهيدروجين₂ O
• 2004  نانومتر: استشعار الغاز GaInAsSb : أول أكسيد الكربون₂
• 2330  نانومتر: استشعار الغاز GaInAsSb : أول أكسيد الكربون
• 2680  نانومتر: استشعار الغاز GaInAsSb : أول أكسيد الكربون₂
• 3030  نانومتر: استشعار الغاز GaInAsSb : C₂ ساعة₂
• 3330  نانومتر: استشعار الغاز GaInAsSb : CH₄