Какво е лазерен диод?
Какво е лазерен диод?
Дефиниция на лазерен диод
Лазерният диод се дефинира като диод, който може да генерира лазерна светлина, когато електрически активиран с ток. Той се състои от p-n преход с допълнителен интрактен слой между тях, формиращ p-i-n структура. Интрактният слой е активната зона, където светлината се генерира чрез рекомбинацията на електрони и дупки.
Регионите p-типа и n-типа са силно допирани с примеси, за да се създадат излишни носители, докато интрактният слой е недопиран или леко допиран, за да позволи оптическо усилване. Крайните части на интрактния слой са покрити с рефлективни материали, един напълно рефлективен и друг частично рефлективен, за да се образува оптичен резонатор, който затваря светлината и подобрява стимулираното излъчване.
Стимулираното излъчване се случва, когато входящ фотон причинява един възбуден електрон да падне на по-ниска енергийна равнина и да излъчи друг фотон, идентичен с входящия по честота, фаза, поляризация и посока. По този начин броят на фотоните в резонатора нараства експоненциално, създавайки когерентен лъч, който излиза през частично рефлективния край.
Дължината на вълната на лазерната светлина варира с размера на полосата на забранена зона на полупроводниковия материал и дължината на оптичния резонатор, позволявайки излъчване в различни области на електромагнитния спектър, от инфрачервено до ултравиолетово.
Оперативен механизм
Лазерният диод работи, като се прилага напреднала пристрастна напрегнатост през p-n прехода, което причинява ток да протече през устройството. Токът инжектира електрони от n-региона и дупки от p-региона в интрактния слой, където те се рекомбинират и освобождават енергия във форма на фотони.
Някои от тези фотони се излъчват спонтанно в случайни посоки, докато други се стимулират от съществуващи фотони в резонатора, за да излъчат в фаза с тях. Стимулираните фотони подскачат напред-назад между рефлективните краища, причинявайки повече стимулирано излъчване и създавайки популационна инверсия, където има повече възбудени електрони от невъзбудените.
Когато популационната инверсия достигне порогова стойност, се постига устойчиво лазерно излъчване, където скоростта на стимулираното излъчване е равна на скоростта на загубата на фотони поради трансмисия или абсорбция. Изходната мощност на лазерния диод зависи от входния ток и ефективността на устройството.
Изходната мощност зависи от температурата на устройството; по-високите температури намаляват ефективността и повишават пороговия ток, което изисква охлаждащи системи за оптимална работа.
Типове лазерни диоди
Лазерните диоди се класифицират в различни типове в зависимост от техническата им структура, режим на работа, дължина на вълната, изходна мощност и приложение. Някои от най-общи типовете са:
Едномодови лазерни диоди
Многомодови лазерни диоди
Главен осцилатор-усилвател на мощност (MOPA) лазерни диоди
Вертикални резонатори с излъчване на повърхността (VCSEL) диоди
Лазерни диоди с разпределена обратна връзка (DFB)
Лазерни диоди с външен резонатор (ECDLs)
Приложения на лазерните диоди
Оптично съхранение
Оптична комуникация
Оптично сканиране
Оптично засичане
Оптичен дисплей
Оптична хирургия
Преимущества на лазерните диоди
Компактен размер
Ниско енергопотребление
Висока ефективност
Дълъг срок на годност
Универсалност
Недостатъци на лазерните диоди
Чувствителност към температура
Оптична обратна връзка
Скачане на мода
Цена
Резюме
Лазерният диод е полупроводниково устройство, което произвежда когерентна светлина чрез процес на стимулирано излъчване. Той е подобен на светодиод (LED), но има по-сложна структура и по-бърз отговор.
Лазерният диод се състои от p-n преход с допълнителен интрактен слой между тях, формиращ p-i-n структура. Интрактният слой е активната зона, където светлината се генерира чрез рекомбинацията на електрони и дупки.
Лазерният диод работи, като се прилага напреднала пристрастна напрегнатост през p-n прехода, което причинява ток да протече през устройството. Токът инжектира електрони от n-региона и дупки от p-региона в интрактния слой, където те се рекомбинират и освобождават енергия във форма на фотони.
Някои от тези фотони се излъчват спонтанно в случайни посоки, докато други се стимулират от съществуващи фотони в резонатора, за да излъчат в фаза с тях. Стимулираните фотони подскачат напред-назад между рефлективните краища, причинявайки повече стимулирано излъчване и създавайки популационна инверсия, където има повече възбудени електрони от невъзбудените.
Когато популационната инверсия достигне порогова стойност, се постига устойчиво лазерно излъчване, където скоростта на стимулираното излъчване е равна на скоростта на загубата на фотони поради трансмисия или абсорбция. Изходната мощност на лазерния диод зависи от входния ток и ефективността на устройството.
Дължината на вълната на лазерната светлина зависи от размера на полосата на забранена зона на полупроводниковия материал и дължината на оптичния резонатор. Лазерните диоди могат да произвеждат светлина в различни области на електромагнитния спектър, от инфрачервено до ултравиолетово.
Лазерните диоди се класифицират в различни типове в зависимост от техническата им структура, режим на работа, дължина на вълната, изходна мощност и приложение. Някои от най-общи типовете са едномодови лазерни диоди, многомодови лазерни диоди, главен осцилатор-усилвател на мощност (MOPA) лазерни диоди, вертикални резонатори с излъчване на повърхността (VCSEL) диоди, лазерни диоди с разпределена обратна връзка (DFB), лазерни диоди с външен резонатор (ECDLs) и др.
Лазерните диоди имат широк диапазон приложения в различни области благодарение на своите предимства, като компактен размер, ниско енергопотребление, висока ефективност, дълъг срок на годност и универсалност. Някои от техните приложения са оптично съхранение, оптична комуникация, оптично сканиране, оптично засичане, оптичен дисплей и оптична хирургия.
Въпреки своите предимства, лазерните диоди имат недостатъци, включително чувствителност към температура, оптична обратна връзка, скачане на мода и високи разходи.
