Hvad er en laserdiod?
Hvad er en laserdiod?
Definition af laserdiod
En laserdiod defineres som en diod, der kan generere laserlys, når den elektrisk pumpes med strøm. Den består af en p-n-forbindelse med et yderligere intrinsisk lag i mellem, der danner en p-i-n-struktur. Det intrinsiske lag er den aktive region, hvor lys genereres ved genforening af elektroner og huller.
De p-type og n-type regioner er tungt dopet med forureninger for at skabe overskudstræbere, mens det intrinsiske lag er u- eller let dopet for at tillade optisk forstærkning. Endene af det intrinsiske lag er overdraget med reflekterende materialer, én fuldstændig reflekterende og én delvis reflekterende, for at danne en optisk kavitet, der fanger lys og forstærker den stimulerede emission.
Stimuleret emission finder sted, når et indgående foton får en anspændt elektron til at falde til en lavere energiniveau og udsende et andet foton, der er identisk med det indgående foton i frekvens, fase, polarisation og retning. På denne måde øges antallet af fotoner i kavitten eksponentielt, hvilket skaber et kohærent lysstråle, der forlader gennem det delvis reflekterende ende.
Bølgelængden af laserlys varierer med halvledermaterialets båndgap og længden af den optiske kavitet, hvilket muliggør emission over elektromagnetisk spektrum, fra infrarød til ultraviolet.
Driftsmekanisme
En laserdiod fungerer ved at anvende en fremoverrettet spænding på p-n-forbindelsen, hvilket får strøm til at flyde gennem enheden. Strømmen injicerer elektroner fra n-type regionen og huller fra p-type regionen ind i det intrinsiske lag, hvor de genforenes og frigiver energi i form af fotoner.
Nogle af disse fotoner udsendes spontant i tilfældige retninger, mens andre stimuleres af eksisterende fotoner i kavitten til at udsende i fase med dem. De stimulerede fotoner hopper frem og tilbage mellem de reflekterende ender, hvilket forårsager mere stimuleret emission og skaber en befolkningsinversion, hvor der er flere anspændte elektroner end ikke-anspændte.
Når befolkningsinversionen når et tærskel niveau, opnås stabil laseroutput, hvor hastigheden af stimuleret emission er lig med hastigheden af fotontab på grund af transmission eller absorption. Output effekten af laserdioden afhænger af inputstrømmen og enhedens effektivitet.
Output effekten afhænger af enhedens temperatur; højere temperaturer reducerer effektiviteten og hæver tærskelstrømmen, hvilket nødvendiggør kølesystemer for optimal drift.
Typer af laserdioder
Laserdioder er inddelt i forskellige typer baseret på deres struktur, driftsmodus, bølgelængde, output effekt og anvendelse. Nogle af de almindelige typer er:
Enkeltemods-laserdioder
Flertalsmodus-laserdioder
Master oscillator power amplifier (MOPA) laserdioder
Vertikal kavitetsoverflade udsendende laser (VCSEL) dioder
Distribueret feedback (DFB) laserdioder
Ekstern kavitet diodelaser (ECDLs)
Anvendelser af laserdioder
Optisk lagring
Optisk kommunikation
Optisk scanning
Optisk sensorering
Optisk display
Optisk kirurgi
Fordele ved laserdioder
Kompakt størrelse
Lav strømforsyning
Høj effektivitet
Lang levetid
Versalitet
Ulemper ved laserdioder
Temperatursensitivitet
Optisk feedback
Modushopping
Omkostninger
Sammenfatning
En laserdiod er en halvlederenhed, der producerer kohærent lys gennem en proces med stimuleret emission. Den ligner en lysudsendende diod (LED), men har en mere kompleks struktur og hurtigere respons tid.
En laserdiod består af en p-n-forbindelse med et yderligere intrinsisk lag i mellem, der danner en p-i-n-struktur. Det intrinsiske lag er den aktive region, hvor lys genereres ved genforening af elektroner og huller.
En laserdiod fungerer ved at anvende en fremoverrettet spænding på p-n-forbindelsen, hvilket får strøm til at flyde gennem enheden. Strømmen injicerer elektroner fra n-type regionen og huller fra p-type regionen ind i det intrinsiske lag, hvor de genforenes og frigiver energi i form af fotoner.
Nogle af disse fotoner udsendes spontant i tilfældige retninger, mens andre stimuleres af eksisterende fotoner i kavitten til at udsende i fase med dem. De stimulerede fotoner hopper frem og tilbage mellem de reflekterende ender, hvilket forårsager mere stimuleret emission og skaber en befolkningsinversion, hvor der er flere anspændte elektroner end ikke-anspændte.
Når befolkningsinversionen når et tærskel niveau, opnås stabil laseroutput, hvor hastigheden af stimuleret emission er lig med hastigheden af fotontab på grund af transmission eller absorption. Output effekten af laserdioden afhænger af inputstrømmen og enhedens effektivitet.
Bølgelængden af laserlys afhænger af halvledermaterialets båndgap og længden af den optiske kavitet. Laserdioder kan producere lys i forskellige områder af elektromagnetisk spektrum, fra infrarød til ultraviolet.
Laserdioder er inddelt i forskellige typer baseret på deres struktur, driftsmodus, bølgelængde, output effekt og anvendelse. Nogle af de almindelige typer er enkeltemods-laserdioder, flertalsmodus-laserdioder, master oscillator power amplifier (MOPA) laserdioder, vertikal kavitetsoverflade udsendende laser (VCSEL) dioder, distribueret feedback (DFB) laserdioder, ekstern kavitet diodelaser (ECDLs), osv.
Laserdioder har et bredt anvendelsesområde i forskellige felt på grund af deres fordele som kompakt størrelse, lav strømforsyning, høj effektivitet, lang levetid og versalitet. Nogle af deres anvendelser er optisk lagring, optisk kommunikation, optisk scanning, optisk sensorering, optisk display og optisk kirurgi.
Trods deres fordele har laserdioder ulemper, herunder temperatursensitivitet, optisk feedback, modushopping og høje omkostninger.
