Τι είναι ένα διόδο λέιζερ;

Τι είναι ένα διόδιο λέιζερ;

Ορισμός Διοδίου Λέιζερ

Ένα διόδιο λέιζερ ορίζεται ως ένα διόδιο που μπορεί να παράγει φωτεινή ακτίνα λέιζερ όταν ηλεκτροποιείται με ρεύμα. Αποτελείται από μια p-n σύνδεση με ένα επιπλέον κατακερασμένο επίπεδο μεταξύ, σχηματίζοντας μια δομή p-i-n. Το κατακερασμένο επίπεδο είναι η ενεργή περιοχή όπου το φως παράγεται από την επανενώση ηλεκτρονίων και τρυπών.

Οι περιοχές p-και n-τύπου είναι επεξήγητες με υπερβολική ποσότητα υποκειμένων για να δημιουργήσουν υπερβολικούς φορείς, ενώ το κατακερασμένο επίπεδο είναι ακατακερασμένο ή ελαφρά κατακερασμένο για να επιτρέψει την βαθμιαία αυξημένη ραδιοτροπία. Τα άκρα του κατακερασμένου επιπέδου είναι επεξεργασμένα με αντανακλαστικά υλικά, το ένα είναι εντελώς αντανακλαστικό και το άλλο εν μέρει αντανακλαστικό, για να σχηματίσουν μια βαθμιαία αυξημένη ραδιοτροπία που παγιδεύει το φως και ενισχύει την εναλλακτική εκπομπή.

Η εναλλακτική εκπομπή συμβαίνει όταν ένα εισερχόμενο φωτόνιο προκαλεί έναν ενεργοποιημένο ηλεκτρόνιο να πέσει σε χαμηλότερο ενεργειακό επίπεδο και να εκπέμψει ένα άλλο φωτόνιο που είναι ταυτόχρονα με το εισερχόμενο σε συχνότητα, φάση, πολοποίηση και κατεύθυνση. Με αυτόν τον τρόπο, το πλήθος των φωτονίων στην βαθμιαία αυξημένη ραδιοτροπία αυξάνεται εκθετικά, δημιουργώντας μια συνεπή ακτίνα φωτός που εξέρχεται μέσω του εν μέρει αντανακλαστικού άκρου.

Η μήκος κύματος του φωτός λέιζερ μεταβάλλεται με την διάσταση της ζώνης απαγωγής του υλικού περιστροφής και το μήκος της βαθμιαίας αυξημένης ραδιοτροπίας, επιτρέποντας την εκπομπή σε διάφορες περιοχές του ηλεκτρομαγνητικού φάσματος, από υπέρυθρο μέχρι υπεριώδη.

Μηχανισμός Λειτουργίας

Ένα διόδιο λέιζερ λειτουργεί εφαρμόζοντας μια θετική παράκλιση στην p-n σύνδεση, η οποία προκαλεί ρεύμα να ρέει μέσω του συστήματος. Το ρεύμα εισάγει ηλεκτρόνια από την περιοχή n-τύπου και τρύπες από την περιοχή p-τύπου στο κατακερασμένο επίπεδο, όπου επανενώνονται και αποδίδουν ενέργεια σε μορφή φωτονίων.

Κάποια από αυτά τα φωτόνια εκπέμπονται ευθύς εξ αφής σε τυχαίες κατευθύνσεις, ενώ άλλα εναλλακτικά εκπέμπονται από υπάρχοντα φωτόνια στην βαθμιαία αυξημένη ραδιοτροπία για να εκπέμψουν σε φάση με αυτά. Τα εναλλακτικά εκπεμπόμενα φωτόνια ανακλίνονται επανειλημμένα μεταξύ των αντανακλαστικών άκρων, προκαλώντας περισσότερη εναλλακτική εκπομπή και δημιουργώντας μια αναστροφή πληθυσμού, όπου υπάρχουν περισσότερα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια από μη ενεργοποιημένα.

Όταν η αναστροφή πληθυσμού φθάνει σε θραύση, επιτυγχάνεται σταθερή εξόδος λέιζερ, όπου η ταχύτητα της εναλλακτικής εκπομπής ισοδυναμεί με την ταχύτητα απώλειας φωτονίων λόγω μετάδοσης ή απορρόφησης. Η ισχύς εξόδου του διοδίου λέιζερ εξαρτάται από το εισερχόμενο ρεύμα και την αποτελεσματικότητα του συστήματος.

Η ισχύς εξόδου εξαρτάται από την θερμοκρασία του συστήματος· υψηλότερες θερμοκρασίες μειώνουν την αποτελεσματικότητα και αυξάνουν το θραύση ρεύματος, απαιτώντας συστήματα ψύξης για βέλτιστη λειτουργία.

Τύποι Διοδίων Λέιζερ

Τα διόδια λέιζερ ταξινομούνται σε διαφορετικούς τύπους με βάση την δομή, τρόπο λειτουργίας, μήκος κύματος, ισχύ εξόδου και εφαρμογή. Μερικοί από τους κοινούς τύπους είναι:

• Μονομοδικά διόδια λέιζερ

• Πολυμοδικά διόδια λέιζερ

• Διόδια λέιζερ με κύριο οσκιλλάτορα και ενισχυτή (MOPA)

• Διόδια λέιζερ με κάθετη βαθμιαία αυξημένη ραδιοτροπία (VCSEL)

• Διόδια λέιζερ με διανεμημένη ανατροφοδότηση (DFB)

• Εξωτερικά διόδια λέιζερ (ECDLs)

Εφαρμογές Διοδίων Λέιζερ

• Οπτική αποθήκευση

• Οπτική επικοινωνία

• Οπτική σάρωση

• Οπτική αίσθηση

• Οπτική εμφάνιση

• Οπτική χειρουργική

Πλεονεκτήματα Διοδίων Λέιζερ

• Συμπαγή μέγεθος

• Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας

• Υψηλή αποτελεσματικότητα

• Μεγάλη διάρκεια ζωής

• Πολυλειτουργικότητα

Μειονεκτήματα Διοδίων Λέιζερ

• Ευαισθησία στην θερμοκρασία

• Οπτική ανατροφοδότηση

• Αλλαγή τροποποίησης

• Κόστος

Σύνοψη

Ένα διόδιο λέιζερ είναι ένα περιστροφικό σύστημα που παράγει συνεπή φως μέσω ενός μεταβαλλόμενου εκπομπή. Είναι παρόμοιο με ένα διόδιο εκπομπή φωτός (LED), αλλά έχει πιο περίπλοκη δομή και γρηγορότερη ανταπόκριση.

Ένα διόδιο λέιζερ αποτελείται από μια p-n σύνδεση με ένα επιπλέον κατακερασμένο επίπεδο μεταξύ, σχηματίζοντας μια δομή p-i-n. Το κατακερασμένο επίπεδο είναι η ενεργή περιοχή όπου το φως παράγεται από την επανενώση ηλεκτρονίων και τρυπών.

Ένα διόδιο λέιζερ λειτουργεί εφαρμόζοντας μια θετική παράκλιση στην p-n σύνδεση, η οποία προκαλεί ρεύμα να ρέει μέσω του συστήματος. Το ρεύμα εισάγει ηλεκτρόνια από την περιοχή n-τύπου και τρύπες από την περιοχή p-τύπου στο κατακερασμένο επίπεδο, όπου επανενώνονται και αποδίδουν ενέργεια σε μορφή φωτονίων.

Κάποια από αυτά τα φωτόνια εκπέμπονται ευθύς εξ αφής σε τυχαίες κατευθύνσεις, ενώ άλλα εναλλακτικά εκπέμπονται από υπάρχοντα φωτόνια στην βαθμιαία αυξημένη ραδιοτροπία για να εκπέμψουν σε φάση με αυτά. Τα εναλλακτικά εκπεμπόμενα φωτόνια ανακλίνονται επανειλημμένα μεταξύ των αντανακλαστικών άκρων, προκαλώντας περισσότερη εναλλακτική εκπομπή και δημιουργώντας μια αναστροφή πληθυσμού, όπου υπάρχουν περισσότερα ενεργοποιημένα ηλεκτρόνια από μη ενεργοποιημένα.

Όταν η αναστροφή πληθυσμού φθάνει σε θραύση, επιτυγχάνεται σταθερή εξόδος λέιζερ, όπου η ταχύτητα της εναλλακτικής εκπομπής ισοδυναμεί με την ταχύτητα απώλειας φωτονίων λόγω μετάδοσης ή απορρόφησης. Η ισχύς εξόδου του διοδίου λέιζερ εξαρτάται από το εισερχόμενο ρεύμα και την αποτελεσματικότητα του συστήματος.

Το μήκος κύματος του φωτός λέιζερ εξαρτάται από την διάσταση της ζώνης απαγωγής του υλικού περιστροφής και το μήκος της βαθμιαίας αυξημένης ραδιοτροπίας. Τα διόδια λέιζερ μπορούν να παρά