Co je laserový dioda?

Co je laserová dioda?

Definice laserové diody

Laserová dioda je definována jako dioda, která může generovat laserové světlo, když je elektricky napájena proudem. Sestává z p-n přechodu s dodatečnou intrinzní vrstvou uprostřed, což tvoří strukturu p-i-n. Intrinzní vrstva je aktivní oblast, kde se světlo generuje rekombinací elektronů a děr.

P-typová a n-typová oblast jsou silně dotované impuritami pro vytvoření nadbytku nosičů, zatímco intrinzní vrstva je nedotovaná nebo lehce dotovaná, aby umožnila optické zesílení. Konce intrinzní vrstvy jsou pokryty odrazivými materiály, jeden úplně odrazivý a druhý částečně odrazivý, aby vytvořily optickou dutinu, která zachycuje světlo a posiluje stimulovanou emisi.

Stimulovaná emise nastává, když přicházející foton způsobí, že vzrušený elektron spadne na nižší energetickou úroveň a emituje další foton, který je identický s přicházejícím fotony ve frekvenci, fázi, polarizaci a směru. Tímto způsobem se počet fotonů v dutině exponenciálně zvyšuje, vytvářejíc tak koherentní paprsek světla, který opouští dutinu skrz částečně odrazivý konec.

Vlnová délka laserového světla se liší podle band gapu polovodičového materiálu a délky optické dutiny, což umožňuje emisi v různých oblastech elektromagnetického spektra, od infračerveného do ultrafialového.

Princip fungování

Laserová dioda funguje aplikací předního polarizačního napětí na p-n přechod, což způsobí, že proud prochází zařízením. Proud vkládá elektrony z n-typové oblasti a díry z p-typové oblasti do intrinzní vrstvy, kde se rekombinují a uvolňují energii ve formě fotonů.

Některé z těchto fotonů jsou spontánně emitovány náhodnými směry, zatímco jiné jsou stimulovány existujícími fony v dutině, aby emitovaly ve fázi s nimi. Stimulované fotony odrážejí mezi odrazivými konci, což způsobuje více stimulované emise a vytváří inverzi populace, kde je více vzrušených elektronů než nevzrušených.

Když inverze populace dosáhne prahové úrovně, je dosaženo stabilního výstupu laseru, kde se rychlost stimulované emise rovná rychlosti ztráty fotonů způsobené přenosem nebo absorpcí. Výkon výstupu laserové diody závisí na vstupním proudu a efektivitě zařízení.

Výkon závisí na teplotě zařízení; vyšší teploty snižují efektivitu a zvyšují prahový proud, což vyžaduje chladicí systémy pro optimální výkon.

Typy laserových diod

Laserové diody jsou klasifikovány do různých typů podle jejich struktury, způsobu fungování, vlnové délky, výkonu výstupu a aplikace. Některé z běžných typů jsou:

• Jednomodové laserové diody

• Více-modové laserové diody

• Master oscillator power amplifier (MOPA) laserové diody

• Vertikální dutina s povrchovým vydáváním (VCSEL) diody

• Distribuované zpětné vazby (DFB) laserové diody

• Externí dutinové diodové lasery (ECDLs)

Aplikace laserových diod

• Optické úložiště

• Optická komunikace

• Optické skenování

• Optické čidlo

• Optické displeje

• Optická chirurgie

Výhody laserových diod

• Kompaktní velikost

• Nízké spotřeba energie

• Vysoká efektivita

• Dlouhá životnost

• Univerzálnost

Nevýhody laserových diod

• Citlivost na teplotu

• Optická zpětná vazba

• Skákání modů

• Cena

Shrnutí

Laserová dioda je polovodičové zařízení, které produkuje koherentní světlo prostřednictvím procesu stimulované emise. Je podobná světelně vydávací diodě (LED), ale má složitější strukturu a rychlejší odezvu.

Laserová dioda sestává z p-n přechodu s dodatečnou intrinzní vrstvou uprostřed, což tvoří strukturu p-i-n. Intrinzní vrstva je aktivní oblast, kde se světlo generuje rekombinací elektronů a děr.

Laserová dioda funguje aplikací předního polarizačního napětí na p-n přechod, což způsobí, že proud prochází zařízením. Proud vkládá elektrony z n-typové oblasti a díry z p-typové oblasti do intrinzní vrstvy, kde se rekombinují a uvolňují energii ve formě fotonů.

Některé z těchto fotonů jsou spontánně emitovány náhodnými směry, zatímco jiné jsou stimulovány existujícími fony v dutině, aby emitovaly ve fázi s nimi. Stimulované fotony odrážejí mezi odrazivými konci, což způsobuje více stimulované emise a vytváří inverzi populace, kde je více vzrušených elektronů než nevzrušených.

Když inverze populace dosáhne prahové úrovně, je dosaženo stabilního výstupu laseru, kde se rychlost stimulované emise rovná rychlosti ztráty fotonů způsobené přenosem nebo absorpcí. Výkon výstupu laserové diody závisí na vstupním proudu a efektivitě zařízení.

Vlnová délka laserového světla závisí na band gapu polovodičového materiálu a délce optické dutiny. Laserové diody mohou produkovat světlo v různých oblastech elektromagnetického spektra, od infračerveného do ultrafialového.

Laserové diody jsou klasifikovány do různých typů podle jejich struktury, způsobu fungování, vlnové délky, výkonu výstupu a aplikace. Některé z běžných typů jsou jednomodové laserové diody, více-modové laserové diody, master oscillator power amplifier (MOPA) laserové diody, vertikální dutina s povrchovým vydáváním (VCSEL) diody, distribuované zpětné vazby (DFB) laserové diody, externí dutinové diodové lasery (ECDLs) atd.

Laserové diody mají široké spektrum aplikací v různých oblastech díky svým výhodám, jako jsou kompaktní velikost, nízká spotřeba energie, vysoká efektivita, dlouhá životnost a univerzálnost. Některé z jejich aplikací jsou optické úložiště, optická komunikace, optické skenování, optické čidlo, optické displeje a optická chirurgie.

Navzdory svým výhodám mají laserové diody i nevýhody, jako je citlivost na teplotu, optická zpětná vazba, skákání modů a vysoké náklady.