ما هو الديود الليزري؟
ما هو الليزر الثنائي؟
تعريف الليزر الثنائي
يُعرَف الليزر الثنائي بأنه ثنائي يمكنه إنتاج ضوء ليزري عند تغذيته كهربائياً بتيار. يتكون من مفصل p-n مع طبقة داخلية إضافية في الوسط، مما يشكل هيكلًا p-i-n. الطبقة الداخلية هي المنطقة النشطة حيث يتم إنتاج الضوء عن طريق إعادة تجميع الإلكترونات والأيونات.
تتم عملية التغذية الكيميائية للمناطق p-type و n-type بشكل كبير بمادة غريبة لإنشاء حاملين زائدين، بينما تكون الطبقة الداخلية غير مغذية أو مغذية بشكل خفيف لتسهيل التضخيم البصري. يتم تغطية أطراف الطبقة الداخلية بمادة عاكسة، واحدة عاكسة بالكامل وأخرى عاكسة جزئياً، لتشكيل تجويف بصري يحتجز الضوء ويحسن الانبعاث المحفز.
يحدث الانبعاث المحفز عندما يسبب الفوتون القادم إلكتروناً متحمساً بالهبوط إلى مستوى طاقة أقل وإصدار فوتون آخر متطابق مع الفوتون القادم في التردد والطور والقطبية والاتجاه. بهذه الطريقة، يزداد عدد الفوتونات في التجويف بشكل أسي، مما يخلق شعاعًا متماسكًا للضوء يخرج عبر الطرف العاكس جزئياً.
يعتمد طول الموجة للضوء الليزري على الفجوة الطاقوية للمادة شبه الموصل وطول التجويف البصري، مما يسمح بالإشعاع عبر الطيف الكهرومغناطيسي، من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية.
آلية العمل
يعمل الليزر الثنائي بتطبيق فرق الجهد الأمامي عبر المفصل p-n، مما يسبب تدفق التيار عبر الجهاز. يقوم التيار بإدخال الإلكترونات من المنطقة n-type والأيونات من المنطقة p-type إلى الطبقة الداخلية، حيث يعيدون التركيب ويطلقون الطاقة على شكل فوتونات.
بعض هذه الفوتونات تصدر بشكل عفوي في اتجاهات عشوائية، بينما يتم تحفيز البعض الآخر بواسطة الفوتونات الموجودة في التجويف لإصدارها في الطور نفسه. تتنقل الفوتونات المحفزة بين الأطراف العاكسة، مما يسبب المزيد من الانبعاث المحفز ويخلق انقلاب السكان، حيث يكون هناك أكثر إلكترونات متحمسة من غير المتحمسة.
عندما يصل انقلاب السكان إلى مستوى عتبة معين، يتم تحقيق الإخراج المستقر للليزر، حيث يساوي معدل الانبعاث المحفز معدل فقدان الفوتونات بسبب الإرسال أو الامتصاص. يعتمد قوة الإخراج للليزر الثنائي على التيار الداخل وكفاءة الجهاز.
تعتمد قوة الإخراج على درجة حرارة الجهاز؛ حيث تقل الكفاءة وتزيد التيار العتبة عند درجات الحرارة المرتفعة، مما يتطلب أنظمة تبريد لأداء مثالي.
أنواع الليزر الثنائي
يتم تصنيف الليزر الثنائي إلى أنواع مختلفة بناءً على هيكله ونمط عمله وطول الموجة وقوة الإخراج والتطبيق. بعض الأنواع الشائعة هي:
ليزر ثنائي وضع واحد
ليزر ثنائي وضع متعدد
ليزر ثنائي مضخم مذبذب رئيسي (MOPA)
ليزر ثنائي صادر سطحي تجويف عمودي (VCSEL)
ليزر ثنائي رد فعل موزع (DFB)
ليزر ثنائي تجويف خارجي (ECDLs)
تطبيقات الليزر الثنائي
تخزين ضوئي
اتصال ضوئي
مسح ضوئي
استشعار ضوئي
عرض ضوئي
جراحة ضوئية
مزايا الليزر الثنائي
حجم صغير
استهلاك طاقة منخفض
كفاءة عالية
عمر طويل
تنوع
عيوب الليزر الثنائي
حساسية للحرارة
رد فعل بصري
قفز وضع
تكلفة
ملخص
الليزر الثنائي هو جهاز شبه موصل ينتج ضوء متماسك عن طريق عملية الانبعاث المحفز. وهو مشابه للثنائي الصمام الباعث للضوء (LED)، ولكنه يحتوي على هيكل أكثر تعقيدًا وقت استجابة أسرع.
يتكون الليزر الثنائي من مفصل p-n مع طبقة داخلية إضافية في الوسط، مما يشكل هيكلًا p-i-n. الطبقة الداخلية هي المنطقة النشطة حيث يتم إنتاج الضوء عن طريق إعادة تجميع الإلكترونات والأيونات.
يعمل الليزر الثنائي بتطبيق فرق الجهد الأمامي عبر المفصل p-n، مما يسبب تدفق التيار عبر الجهاز. يقوم التيار بإدخال الإلكترونات من المنطقة n-type والأيونات من المنطقة p-type إلى الطبقة الداخلية، حيث يعيدون التركيب ويطلقون الطاقة على شكل فوتونات.
بعض هذه الفوتونات تصدر بشكل عفوي في اتجاهات عشوائية، بينما يتم تحفيز البعض الآخر بواسطة الفوتونات الموجودة في التجويف لإصدارها في الطور نفسه. تتنقل الفوتونات المحفزة بين الأطراف العاكسة، مما يسبب المزيد من الانبعاث المحفز ويخلق انقلاب السكان، حيث يكون هناك أكثر إلكترونات متحمسة من غير المتحمسة.
عندما يصل انقلاب السكان إلى مستوى عتبة معين، يتم تحقيق الإخراج المستقر للليزر، حيث يساوي معدل الانبعاث المحفز معدل فقدان الفوتونات بسبب الإرسال أو الامتصاص. يعتمد قوة الإخراج للليزر الثنائي على التيار الداخل وكفاءة الجهاز.
يعتمد طول الموجة للضوء الليزري على الفجوة الطاقوية للمادة شبه الموصل وطول التجويف البصري. يمكن للليزر الثنائي إنتاج ضوء في مناطق مختلفة من الطيف الكهرومغناطيسي، من الأشعة تحت الحمراء إلى الأشعة فوق البنفسجية.
يتم تصنيف الليزر الثنائي إلى أنواع مختلفة بناءً على هيكله ونمط عمله وطول الموجة وقوة الإخراج والتطبيق. بعض الأنواع الشائعة هي ليزر ثنائي وضع واحد، ليزر ثنائي وضع متعدد، ليزر ثنائي مضخم مذبذب رئيسي (MOPA)، ليزر ثنائي صادر سطحي تجويف عمودي (VCSEL)، ليزر ثنائي رد فعل موزع (DFB)، ليزر ثنائي تجويف خارجي (ECDLs)، وغيرها.
لدى الليزر الثنائي مجموعة واسعة من التطبيقات في مجالات مختلفة نظرًا لمزاياه مثل الحجم الصغير والاستهلاك المنخفض للطاقة والكفاءة العالية والعمر الطويل والتنوع. بعض تطبيقاته هي التخزين الضوئي والاتصال الضوئي والمسح الضوئي والاستشعار الضوئي والعرض الضوئي والجراحة الضوئية.
رغم فوائده، فإن الليزر الثنائي له عيوب تشمل الحساسية للحرارة والرد فعل البصري وقفز وضع والتكلفة العالية.
