Što je laserski dioda?

Što je laserska dioda?

Definicija laserske diode

Laserska dioda definira se kao dioda koja može generirati lasersku svjetlost kada je električki opterećena strujom. Sastoji se od p-n spoja s dodatnim intrinsičnim slojem između, formirajući p-i-n strukturu. Intrinsični sloj je aktivna regija u kojoj se svjetlost generira rekompozicijom elektrona i rupa.

p-tip i n-tip regije su teško dopirane impuritetima kako bi se stvorili prekomjerni nosači, dok je intrinsični sloj nedopiran ili lagano dopiran kako bi se omogućilo optičko pojačanje. Krajnji dijelovi intrinsičnog sloja su pokriveni reflektivnim materijalima, jedan potpuno reflektivno, a drugi djelomično reflektivno, kako bi se formirala optička šupljina koja zadržava svjetlost i poboljšava stimuliranu emisiju.

Stimulirana emisija nastaje kada dolazni foton uzrokuje da se podignuti elektron spusti na niži energetski razina i emitira još jedan foton koji je identičan dolaznom fotoni u frekvenciji, fazi, polariaciji i smjeru. Na taj način broj fotona u šupljini eksponencijalno raste, stvarajući koherentni zrak svjetlosti koji izlazi kroz djelomično reflektivni kraj.

Valna duljina laserske svjetlosti varira ovisno o band gapu poluprovodnika i duljini optičke šupljine, omogućujući emisiju diljem elektromagnetskog spektra, od infracrvene do ultraljubičaste.

Način rada

Laserska dioda radi primjenom napona unaprijed na p-n spoju, što uzrokuje protok struje kroz uređaj. Struja ubacuje elektrone iz n-tip regije i rupe iz p-tip regije u intrinsični sloj, gdje se oni rekombiniraju i oslobađaju energiju u obliku fotona.

Neki od ovih fotona spontano emitiraju se nasumičnim smjerovima, dok druge stimuliraju postojeći fotoni u šupljini da emitiraju u fazi s njima. Stimulirani fotoni odbijaju se unatrag i naprijed između reflektivnih krajeva, uzrokujući više stimulirane emisije i stvarajući populacijsku inverziju, gdje postoji više podignutih elektrona nego ne-podignutih.

Kada populacijska inverzija doseže pragovu razinu, postiže se stabilno lasersko izlazno stanje, gdje se stopa stimulirane emisije podudara sa stopom gubitka fotona zbog transmisije ili apsorpcije. Izlazna snaga laserske diode ovisi o ulaznoj struji i učinkovitosti uređaja.

Izlazna snaga ovisi o temperaturi uređaja; više temperature smanjuju učinkovitost i povećavaju pragovu struju, čime se zahtijeva hlađenje za optimalnu performansu.

Vrste laserskih dioda

Laserske diode su klasificirane prema svojoj strukturi, načinu rada, valnoj duljini, izlaznoj snazi i primjeni. Nekoliko uobičajenih vrsta je:

• Jednodirekcijske laserske diode

• Višedirekcijske laserske diode

• Laserske diode s glavnim oscilatorom i pojačavateljem (MOPA)

• Laserske diode s vertikalnom šupljinskom površinskim emitiranjem (VCSEL)

• Laserske diode s distribuiranim povratnim krstom (DFB)

• Laserske diode s vanjskom šupljinskom (ECDL)

Primjene laserskih dioda

• Optička pohrana

• Optička komunikacija

• Optičko skeniranje

• Optičko očitavanje

• Optički prikaz

• Optička kirurgija

Prednosti laserskih dioda

• Kompaktna veličina

• Niska potrošnja energije

• Visoka učinkovitost

• Duga životnost

• Univerzalnost

Nedostaci laserskih dioda

• Osetljivost na temperaturu

• Optički povrat

• Preskakanje modova

• Cijena

Sažetak

Laserska dioda je poluprovodnički uređaj koji proizvodi koherentnu svjetlost procesom stimulirane emisije. Slična je svjetiljki (LED), ali ima složeniju strukturu i brži vremenski odziv.

Laserska dioda sastoji se od p-n spoja s dodatnim intrinsičnim slojem između, formirajući p-i-n strukturu. Intrinsični sloj je aktivna regija u kojoj se svjetlost generira rekompozicijom elektrona i rupa.

Laserska dioda radi primjenom napona unaprijed na p-n spoju, što uzrokuje protok struje kroz uređaj. Struja ubacuje elektrone iz n-tip regije i rupe iz p-tip regije u intrinsični sloj, gdje se oni rekombiniraju i oslobađaju energiju u obliku fotona.

Neki od ovih fotona spontano emitiraju se nasumičnim smjerovima, dok druge stimuliraju postojeći fotoni u šupljini da emitiraju u fazi s njima. Stimulirani fotoni odbijaju se unatrag i naprijed između reflektivnih krajeva, uzrokujući više stimulirane emisije i stvarajući populacijsku inverziju, gdje postoji više podignutih elektrona nego ne-podignutih.

Kada populacijska inverzija doseže pragovu razinu, postiže se stabilno lasersko izlazno stanje, gdje se stopa stimulirane emisije podudara sa stopom gubitka fotona zbog transmisije ili apsorpcije. Izlazna snaga laserske diode ovisi o ulaznoj struji i učinkovitosti uređaja.

Valna duljina laserske svjetlosti ovisi o band gapu poluprovodnika i duljini optičke šupljine. Laserske diode mogu proizvoditi svjetlost u različitim regionima elektromagnetskog spektra, od infracrvene do ultraljubičaste.

Laserske diode su klasificirane prema svojoj strukturi, načinu rada, valnoj duljini, izlaznoj snazi i primjeni. Nekoliko uobičajenih vrsta su jednodirekcijske laserske diode, višedirekcijske laserske diode, laserske diode s glavnim oscilatorom i pojačavateljem (MOPA), laserske diode s vertikalnom šupljinskom površinskim emitiranjem (VCSEL), laserske diode s distribuiranim povratnim krstom (DFB), laserske diode s vanjskom šupljinskom (ECDL) itd.

Laserske diode imaju širok spektar primjena u različitim područjima zbog svojih prednosti poput kompaktnosti, niske potrošnje energije, visoke učinkovitosti, duge životnosti i univerzalnosti. Njihove primjene uključuju optičku pohranu, optičku komunikaciju, optičko skeniranje, optičko očitavanje, optički prikaz i optičku kirurgiju.

Uz sve prednosti, laserske diode imaju nedostatke poput osetljivosti na temperaturu, optičkog povrata, preskakanja modova i visokih troškova.