لیزر دیود چیست

لیزر دیود چیست؟

تعریف لیزر دیود

لیزر دیود به عنوان یک دیود تعریف می‌شود که با جریان الکتریکی، نور لیزر تولید می‌کند. این دیود 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 دوباره الکترون‌ها و حفره‌ها تولید می‌شود.

مناطق p-type و n-type با آلودگی‌های زیاد برای ایجاد حامل‌های زائد پرداخته می‌شوند، در حالی که لایه ذاتی بدون آلودگی یا با آلودگی کم برای افزایش نوری طراحی شده است. انتهای لایه ذاتی با مواد بازتابنده پوشش داده شده است، یکی کاملاً بازتابنده و دیگری بازتابنده جزئی، برای تشکیل یک حفره نوری که نور را محبوس کرده و انتشار تحریک‌شده را افزایش می‌دهد.

انتشار تحریک‌شده زمانی رخ می‌دهد که یک فوتون وارد باعث می‌شود یک الکترون در سطح انرژی بالاتر به سطح انرژی پایین‌تر سقوط کند و یک فوتون دیگر را تولید کند که با فوتون وارد شده در فرکانس، فاز، قطبش و جهت مشابه است. به این ترتیب، تعداد فوتون‌ها در حفره نوری به صورت نمایی افزایش می‌یابد و یک پرتو همدوس از نور تولید می‌شود که از طریق انتهای بازتابنده جزئی خارج می‌شود.

طول موج نور لیزر با فاصله باند مواد نیمه‌رسانا و طول حفره نوری متغیر است و اجازه می‌دهد که نور در طیف الکترومغناطیسی از مادون قرمز تا ماوراء بنفش تولید شود.

مکانیسم عملکرد

لیزر دیود با اعمال ولتاژ بایاس مستقیم روی اتصال p-n کار می‌کند که باعث می‌شود جریان از طریق دستگاه جریان یابد. جریان الکترون‌ها را از منطقه n-type و حفره‌ها را از منطقه p-type به لایه ذاتی تزریق می‌کند، جایی که آنها با هم ترکیب می‌شوند و انرژی را به صورت فوتون‌ها آزاد می‌کنند.

برخی از این فوتون‌ها به طور تصادفی در جهات مختلف منتشر می‌شوند، در حالی که برخی دیگر توسط فوتون‌های موجود در حفره برای انتشار همزمان تحریک می‌شوند. فوتون‌های تحریک‌شده بین انتهای‌های بازتابنده حرکت می‌کنند و انتشار تحریک‌شده بیشتری را ایجاد می‌کنند و یک معکوس جمعیت ایجاد می‌کنند که در آن تعداد الکترون‌های تحریک‌شده بیشتر از الکترون‌های غیرتحریک‌شده است.

وقتی معکوس جمعیت به سطح آستانه می‌رسد، خروجی لیزر ثابت‌حال محقق می‌شود، جایی که نرخ انتشار تحریک‌شده برابر با نرخ از دست دادن فوتون به دلیل انتقال یا جذب است. توان خروجی لیزر دیود بستگی به جریان ورودی و کارایی دستگاه 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.

انواع لیزر دیود

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

• لیزر دیود تک مدل

• لیزر دیود چند مدل

• لیزر دیود مدار تقویت‌کننده قدرت مدار اصلی (MOPA)

• لیزر دیود پخش‌کننده سطح عمودی حفره (VCSEL)

• لیزر دیود بازخورد توزیع‌شده (DFB)

• لیزر دیود با حفره خارجی (ECDLs)

کاربردهای لیزر دیود

• ذخیره‌سازی نوری

• ارتباطات نوری

• اسکن نوری

• حسگری نوری

• نمایش نوری

• جراحی نوری

مزایای لیزر دیود

• حجم کوچک

• مصرف انرژی کم

• کارایی بالا

• عمر طولانی

• چندکاره بودن

Dezavantajhaye لیزر دیود

• حساسیت به دما

• بازخورد نوری

• پرش مود

• هزینه

خلاصه

لیزر دیود یک دستگاه نیمه‌رسانا است که نور همدوس را از طریق فرآیند انتشار تحریک‌شده تولید می‌کند. این دستگاه شبیه یک دیود نوری (LED) است، اما ساختار پیچیده‌تر و زمان پاسخ سریع‌تری دارد.

لیزر دیود 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 دوباره الکترون‌ها و حفره‌ها تولید می‌شود.

لیزر دیود با اعمال ولتاژ بایاس مستقیم روی اتصال p-n کار می‌کند که باعث می‌شود جریان از طریق دستگاه جریان یابد. جریان الکترون‌ها را از منطقه n-type و حفره‌ها را از منطقه p-type به لایه ذاتی تزریق می‌کند، جایی که آنها با هم ترکیب می‌شوند و انرژی را به صورت فوتون‌ها آزاد می‌کنند.

برخی از این فوتون‌ها به طور تصادفی در جهات مختلف منتشر می‌شوند، در حالی که برخی دیگر توسط فوتون‌های موجود در حفره برای انتشار همزمان تحریک می‌شوند. فوتون‌های تحریک‌شده بین انتهای‌های بازتابنده حرکت می‌کنند و انتشار تحریک‌شده بیشتری را ایجاد می‌کنند و یک معکوس جمعیت ایجاد می‌کنند که در آن تعداد الکترون‌های تحریک‌شده بیشتر از الکترون‌های غیرتحریک‌شده است.

وقتی معکوس جمعیت به سطح آستانه می‌رسد، خروجی لیزر ثابت‌حال محقق می‌شود، جایی که نرخ انتشار تحریک‌شده برابر با نرخ از دست دادن فوتون به دلیل انتقال یا جذب است. توان خروجی لیزر دیود بستگی به جریان ورودی و کارایی دستگاه دارد.

طول موج نور لیزر بستگی به فاصله باند مواد نیمه‌رسانا و طول حفره نوری دارد. لیزر دیود‌ها می‌توانند نور در مناطق مختلف طیف الکترومغناطیسی از مادون قرمز تا ماوراء بنفش تولید کنند.

لیزر دیود‌ها بر اساس ساختار، حالت عملکرد، طول موج، توان خروجی و کاربرد به انواع مختلف تقسیم‌بندی می‌شوند. برخی از انواع رایج عبارتند از لیزر دیود تک مدل، لیزر دیود چند مدل، لیزر دیود مدار تقویت‌کننده قدرت مدار اصلی (MOPA)، لیزر دیود پخش‌کننده سطح عمودی حفره (VCSEL)، لیزر دیود بازخورد توزیع‌شده (DFB) و لیزر دیود با حفره خارجی (ECDLs).

لیزر دیود‌ها به دلیل مزایایی مانند حجم کوچک، مصرف انرژی کم، کارایی بالا، عمر طولانی و چندکاره بودن 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 هستند.

با وجود مزایای آنها، لیزر دیود‌ها نیز دارای نقاط ضعفی مانند حساسیت به دما، بازخورد نوری، پرش مود و هزینه‌های بالا هستند.