Was ist eine Laserdiode?
Was ist eine Laserdiode?
Definition der Laserdiode
Eine Laserdiode ist definiert als eine Diode, die Laserlicht erzeugen kann, wenn sie mit Strom gepumpt wird. Sie besteht aus einer p-n-Übergangsschicht mit einer zusätzlichen intrinsischen Schicht dazwischen, was eine p-i-n-Struktur bildet. Die intrinsische Schicht ist die aktive Region, in der das Licht durch die Rekombination von Elektronen und Löchern erzeugt wird.
Die p-Typ- und n-Typ-Regionen sind stark dotiert, um Überschuss-Träger zu erzeugen, während die intrinsische Schicht ungedotiert oder schwach dotiert ist, um optische Verstärkung zu ermöglichen. Die Enden der intrinsischen Schicht sind mit reflektierenden Materialien beschichtet, eines vollständig reflektierend und eines teilweise reflektierend, um eine optische Hohlraumstruktur zu bilden, die das Licht einfängt und die stimulierte Emission verstärkt.
Stimulierte Emission tritt auf, wenn ein einfallender Photon einen angeregten Elektronen veranlasst, auf ein niedrigeres Energieniveau zu fallen und ein weiteres Photon auszusenden, das dem einfallenden Photon in Frequenz, Phase, Polarisation und Richtung identisch ist. Auf diese Weise nimmt die Anzahl der Photonen im Hohlraum exponentiell zu und erzeugt einen kohärenten Lichtstrahl, der durch das teilweise reflektierende Ende austritt.
Die Wellenlänge des Laserlichts variiert je nach Bandlücke des Halbleitermaterials und der Länge des optischen Hohlraums, was die Emission über den gesamten elektromagnetischen Spektrum, vom Infrarot bis zum Ultraviolett, ermöglicht.
Funktionsmechanismus
Eine Laserdiode funktioniert, indem eine Vorwärts-Spannung über den p-n-Übergang angelegt wird, was einen Stromfluss durch das Gerät verursacht. Der Strom injiziert Elektronen aus der n-Typ-Region und Löcher aus der p-Typ-Region in die intrinsische Schicht, wo sie rekombinieren und Energie in Form von Photonen freisetzen.
Einige dieser Photonen werden spontan in zufälligen Richtungen emittiert, während andere durch vorhandene Photonen im Hohlraum stimuliert werden, in Phase mit ihnen zu emittieren. Die stimulierten Photonen springen zwischen den reflektierenden Enden hin und her, was weitere stimulierte Emissionen verursacht und eine Populationsumkehr erzeugt, bei der mehr angeregte Elektronen als nicht angeregte vorhanden sind.
Wenn die Populationsumkehr ein Schwellenwert erreicht, wird ein stationärer Laserausgang erreicht, bei dem die Rate der stimulierten Emission gleich der Rate des Photonenverlusts aufgrund von Transmission oder Absorption ist. Die Ausgangsleistung der Laserdiode hängt vom Eingangsstrom und der Effizienz des Geräts ab.
Die Ausgangsleistung hängt von der Gerätemperatur ab; höhere Temperaturen verringern die Effizienz und erhöhen den Schwellenstrom, wodurch Kühlungssysteme für optimale Leistung erforderlich sind.
Laserdiodentypen
Laserdioden werden nach ihrer Struktur, ihrem Betriebsmodus, ihrer Wellenlänge, ihrer Ausgangsleistung und ihrer Anwendung in verschiedene Typen unterteilt. Einige der gängigen Typen sind:
Einstufige Laserdioden
Mehrstufige Laserdioden
Hauptoszillator-Leistungsverstärker (MOPA) Laserdioden
Vertikale Hohlraum-Oberflächenemissions-Laserdioden (VCSEL)
Verteilte Rückkopplungs-Laserdioden (DFB)
Externe Hohlraum-Diodenlaser (ECDLs)
Anwendungen von Laserdioden
Optischer Speicher
Optische Kommunikation
Optisches Scannen
Optische Sensoren
Optische Anzeige
Optische Chirurgie
Vorteile von Laserdioden
Kompakte Größe
Niedriger Energieverbrauch
Hohe Effizienz
Lange Lebensdauer
Vielseitigkeit
Nachteile von Laserdioden
Temperaturempfindlichkeit
Optische Rückkopplung
Modenhüpfen
Kosten
Zusammenfassung
Eine Laserdiode ist ein Halbleiterbauteil, das kohärentes Licht durch einen Prozess der stimulierten Emission erzeugt. Sie ähnelt einer lichtemittierenden Diode (LED), hat jedoch eine komplexere Struktur und eine schnellere Reaktionszeit.
Eine Laserdiode besteht aus einem p-n-Übergang mit einer zusätzlichen intrinsischen Schicht dazwischen, was eine p-i-n-Struktur bildet. Die intrinsische Schicht ist die aktive Region, in der das Licht durch die Rekombination von Elektronen und Löchern erzeugt wird.
Eine Laserdiode funktioniert, indem eine Vorwärts-Spannung über den p-n-Übergang angelegt wird, was einen Stromfluss durch das Gerät verursacht. Der Strom injiziert Elektronen aus der n-Typ-Region und Löcher aus der p-Typ-Region in die intrinsische Schicht, wo sie rekombinieren und Energie in Form von Photonen freisetzen.
Einige dieser Photonen werden spontan in zufälligen Richtungen emittiert, während andere durch vorhandene Photonen im Hohlraum stimuliert werden, in Phase mit ihnen zu emittieren. Die stimulierten Photonen springen zwischen den reflektierenden Enden hin und her, was weitere stimulierte Emissionen verursacht und eine Populationsumkehr erzeugt, bei der mehr angeregte Elektronen als nicht angeregte vorhanden sind.
Wenn die Populationsumkehr ein Schwellenwert erreicht, wird ein stationärer Laserausgang erreicht, bei dem die Rate der stimulierten Emission gleich der Rate des Photonenverlusts aufgrund von Transmission oder Absorption ist. Die Ausgangsleistung der Laserdiode hängt vom Eingangsstrom und der Effizienz des Geräts ab.
Die Wellenlänge des Laserlichts hängt von der Bandlücke des Halbleitermaterials und der Länge des optischen Hohlraums ab. Laserdioden können Licht in verschiedenen Bereichen des elektromagnetischen Spektrums, vom Infrarot bis zum Ultraviolett, erzeugen.
Laserdioden werden nach ihrer Struktur, ihrem Betriebsmodus, ihrer Wellenlänge, ihrer Ausgangsleistung und ihrer Anwendung in verschiedene Typen unterteilt. Einige der gängigen Typen sind Einstufige Laserdioden, Mehrstufige Laserdioden, Hauptoszillator-Leistungsverstärker (MOPA) Laserdioden, vertikale Hohlraum-Oberflächenemissions-Laserdioden (VCSEL), verteilte Rückkopplungs-Laserdioden (DFB), externe Hohlraum-Diodenlaser (ECDLs), etc.
Laserdioden haben aufgrund ihrer Vorteile wie kompakte Größe, niedriger Energieverbrauch, hohe Effizienz, lange Lebensdauer und Vielseitigkeit eine breite Palette von Anwendungen in verschiedenen Bereichen. Einige ihrer Anwendungen sind optischer Speicher, optische Kommunikation, optisches Scannen, optische Sensoren, optische Anzeige und optische Chirurgie.
Trotz ihrer Vorteile haben Laserdioden Nachteile wie Temperaturempfindlichkeit, optische Rückkopplung, Modenhüpfen und hohe Kosten.
