چه چیزی لیزر دیود است

چه کسی لیزر دایود است؟

تعریف لیزر دایود

لیزر دایود تعریف می‌شود به عنوان یک دایود که می‌تواند نور لیزر تولید کند وقتی با جریان برقی تحریک شود. این دایود شامل یک اتصال p-n با یک لایه ذاتی بین آن است که ساختار p-i-n را تشکیل می‌دهد. لایه ذاتی منطقه فعال است که در آن نور توسط ترکیب مجدد الکترون‌ها و حفره‌ها تولید می‌شود.

منطقه‌های p-نوع و n-نوع با آلاینده‌های زیادی آلوده شده‌اند تا حامل‌های اضافی ایجاد کنند، در حالی که لایه ذاتی بدون آلودگی یا با آلودگی کم است تا اجازه تقویت نوری را بدهد. انتهای لایه ذاتی با مواد بازتابنده پوشیده شده‌اند، یکی کاملاً بازتابنده و دیگری قسمتی بازتابنده، تا یک حفره نوری را تشکیل دهد که نور را محبوس می‌کند و تحریک تابش را افزایش می‌دهد.

تحریک تابش زمانی رخ می‌دهد که یک فوتون وارد، یک الکترون برانگیخته را مجبور می‌کند به یک سطح انرژی پایین‌تر بیفت و یک فوتون دیگر را تابش کند که در فرکانس، فاز، قطبش و جهت با فوتون وارد یکسان است. به این ترتیب، تعداد فوتون‌ها در حفره به طور نمایی افزایش می‌یابد و یک پرتو همدوس از نور ایجاد می‌شود که از طریق انتهای قسمتی بازتابنده خارج می‌شود.

طول موج نور لیزر با شکاف باند مواد نیمه‌رسانا و طول حفره نوری متفاوت است و امکان تابش در طول طیف الکترومغناطیسی از مادون قرمز تا فرابنفش را فراهم می‌کند.

مکانیزم عملکرد

لیزر دایود با اعمال ولتاژ مثبت روی اتصال p-n کار می‌کند که باعث می‌شود جریان از طریق دستگاه جریان یابد. جریان الکترون‌ها را از منطقه n-نوع و حفره‌ها را از منطقه p-نوع به لایه ذاتی تزریق می‌کند، جایی که آن‌ها ترکیب مجدد می‌کنند و انرژی را به صورت فوتون‌ها آزاد می‌کنند.

برخی از این فوتون‌ها به طور تصادفی در جهات مختلف تابش می‌کنند، در حالی که برخی دیگر توسط فوتون‌های موجود در حفره تحریک می‌شوند تا در فاز با آن‌ها تابش کنند. فوتون‌های تحریک شده بین انتهای‌های بازتابنده حرکت می‌کنند و باعث تحریک بیشتر تابش و ایجاد معکوس جمعیت می‌شوند، جایی که تعداد الکترون‌های برانگیخته بیشتر از الکترون‌های غیربرانگیخته است.

وقتی معکوس جمعیت به سطح آستانه رسید، خروجی لیزر ثابت دستیابی می‌شود، جایی که نرخ تحریک تابش با نرخ از دست دادن فوتون به دلیل انتقال یا جذب برابر است. توان خروجی لیزر دایود به جریان ورودی و کارایی دستگاه بستگی دارد.

توان خروجی به دمای دستگاه بستگی دارد؛ دماهای بالاتر کارایی را کاهش می‌دهند و جریان آستانه را افزایش می‌دهند، بنابراین سیستم‌های خنک‌کننده برای عملکرد بهینه ضروری هستند.

نوع‌های لیزر دایود

لیزر دایود‌ها بر اساس ساختار، حالت عملکرد، طول موج، توان خروجی و کاربرد به انواع مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند. برخی از انواع رایج عبارتند از:

• لیزر دایود تک مود

• لیزر دایود چند مود

• لیزر دایود ماستر اسیلاتور تقویت‌کننده قدرت (MOPA)

• لیزر دایود تابش عمودی سطح (VCSEL)

• لیزر دایود بازخورد توزیع شده (DFB)

• لیزر دایود حفره خارجی (ECDLs)

کاربردهای لیزر دایود

• ذخیره‌سازی نوری

• ارتباطات نوری

• اسکن نوری

• حسگری نوری

• نمایش نوری

• جراحی نوری

مزایای لیزر دایود

• حجم کوچک

• صرفه‌جویی در مصرف برق

• کارایی بالا

• عمر طولانی

• تنوع

معایب لیزر دایود

• حساسیت به دما

• بازخورد نوری

• پرش مود

• هزینه

خلاصه

لیزر دایود یک دستگاه نیمه‌رسانا است که نور همدوس را از طریق فرآیند تحریک تابش تولید می‌کند. این دستگاه مشابه یک دیود تابش کننده نور (LED) است، اما ساختار پیچیده‌تر و زمان پاسخ سریع‌تری دارد.

لیزر دایود شامل یک اتصال p-n با یک لایه ذاتی بین آن است که ساختار p-i-n را تشکیل می‌دهد. لایه ذاتی منطقه فعال است که در آن نور توسط ترکیب مجدد الکترون‌ها و حفره‌ها تولید می‌شود.

لیزر دایود با اعمال ولتاژ مثبت روی اتصال p-n کار می‌کند که باعث می‌شود جریان از طریق دستگاه جریان یابد. جریان الکترون‌ها را از منطقه n-نوع و حفره‌ها را از منطقه p-نوع به لایه ذاتی تزریق می‌کند، جایی که آن‌ها ترکیب مجدد می‌کنند و انرژی را به صورت فوتون‌ها آزاد می‌کنند.

برخی از این فوتون‌ها به طور تصادفی در جهات مختلف تابش می‌کنند، در حالی که برخی دیگر توسط فوتون‌های موجود در حفره تحریک می‌شوند تا در فاز با آن‌ها تابش کنند. فوتون‌های تحریک شده بین انتهای‌های بازتابنده حرکت می‌کنند و باعث تحریک بیشتر تابش و ایجاد معکوس جمعیت می‌شوند، جایی که تعداد الکترون‌های برانگیخته بیشتر از الکترون‌های غیربرانگیخته است.

وقتی معکوس جمعیت به سطح آستانه رسید، خروجی لیزر ثابت دستیابی می‌شود، جایی که نرخ تحریک تابش با نرخ از دست دادن فوتون به دلیل انتقال یا جذب برابر است. توان خروجی لیزر دایود به جریان ورودی و کارایی دستگاه بستگی دارد.

طول موج نور لیزر به شکاف باند مواد نیمه‌رسانا و طول حفره نوری بستگی دارد. لیزر دایود‌ها می‌توانند نور در مناطق مختلف طیف الکترومغناطیسی از مادون قرمز تا فرابنفش تولید کنند.

لیزر دایود‌ها بر اساس ساختار، حالت عملکرد، طول موج، توان خروجی و کاربرد به انواع مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند. برخی از انواع رایج عبارتند از لیزر دایود تک مود، لیزر دایود چند مود، لیزر دایود ماستر اسیلاتور تقویت‌کننده قدرت (MOPA)، لیزر دایود تابش عمودی سطح (VCSEL)، لیزر دایود بازخورد توزیع شده (DFB)، لیزر دایود حفره خارجی (ECDLs) و غیره.

لیزر دایود‌ها به دلیل مزایایی مانند حجم کوچک، صرفه‌جویی در مصرف برق، کارایی بالا، عمر طولانی و تنوع در محدوده گسترده‌ای از زمینه‌ها کاربرد دارند. برخی از کاربردهای آن‌ها شامل ذخیره‌سازی نوری، ارتباطات نوری، اسکن نوری، حسگری نوری، نمایش نوری و جراحی نوری است.

با وجود مزایای خود، لیزر دایود‌ها نیز معایبی مانند حساسیت به دما، بازخورد نوری، پرش مود و هزینه‌های بالا دارند.