Mi az a lézerdiod?

Mi a lézerdiod?

Lézerdiod definíció

A lézerdiod olyan diod, amely lázert sugárzást termel, ha árammel elektromosan "feltöltik". Egy p-n csomópontot tartalmaz, amelynek között van egy további intrinszik réteg, így egy p-i-n szerkezetet alkot. Az intrinszik réteg az aktív régió, ahol a fényelektronok és lyukak újraegyesülésével jön létre.

A p-típusú és n-típusú régiók erősen impuritával vannak kitöltve, hogy túlzott viszonylagos számban hozzanak létre, míg az intrinszik réteg nem vagy alacsony fokúan van kitöltve, hogy optikai erősítést engedélyezzen. Az intrinszik réteg végét fényüttető anyagokkal borítják, az egyik teljesen üttető, a másik részlegesen üttető, hogy optikai rezgőhelyet formáljanak, amely a fényt fogja, és megerősíti a stimulált kiadást.

A stimulált kiadás akkor történik, amikor egy bejövő foton egy izgalomba hozott elektront okoz, hogy alacsonyabb energiaszintre essen, és egy másik fotont adjon ki, amely a bejövő foton frekvenciájában, fázisában, polarizációjában és irányában azonos. Így a rezgőhelyben lévő fotonok száma exponenciálisan növekszik, egy kohéziós fény sugarat hozva létre, ami a részlegesen üttető végen halad át.

A lézerfény hullámhossza a félvezető anyag bandgap-jának és az optikai rezgőhely hosszának függvényében változik, lehetővé téve a sugárzást az elektromágneses spektrum különböző részein, az infravörös és ultraviolét tartományban is.

Működési mechanizmus

A lézerdiod működése úgy történik, hogy előre irányított feszültséget alkalmaznak a p-n csomópontra, ami áramot vezet át az eszközön. Az áram elektronokat injektál az n-típusú régióból, és lyukakat a p-típusú régióból az intrinszik rétegbe, ahol ezek újraegyesülnek, és energia formájában fotonokat bocsátanak ki.

Ezekből a fotonokból néhány véletlenszerű irányban spontán kiadódik, míg mások a rezgőhelyben már létező fotonok stimulálásával ugyanolyan fázisban adódnak ki. A stimulált fotonok visszapattannak a tükröző végként, ami több stimulált kiadást és populációs inverziót okoz, ahol több izgalomba hozott elektron található, mint nem izgalomba hozott.

Amikor a populációs inverzió elér egy küszöbértéket, stabilis lézerkimenetet érünk el, ahol a stimulált kiadás sebessége egyenlő a fotonveszteség sebességével, ami a transzfer vagy absorpció miatt bekövetkezik. A lézerdiod kimeneti teljesítménye függ a bejövő áramtól és az eszköz hatékonyságától.

A kimeneti teljesítmény a berendezés hőmérsékletétől függ; magasabb hőmérsékletek csökkentik a hatékonyságot, és növelik a küszöbáramot, ami hűtő rendszerek igényét jelenti optimális teljesítmény érdekében.

Lézerdiod típusok

A lézerdiódok különböző típusokba sorolhatók, struktúrájuk, működési módjuk, hullámhosszuk, kimeneti teljesítményük és alkalmazásuk alapján. Néhány gyakori típus:

• Egymódusú lézerdiodok

• Többmódusú lézerdiodok

• Master oscillator power amplifier (MOPA) lézerdiodok

• Függőleges rezgőhely felülről sugárzó lézer (VCSEL) diódok

• Terjesztett visszacsatolású (DFB) lézerdiodok

• Külső rezgőhely diód-lézer (ECDL)

Lézerdiodok alkalmazásai

• Optikai tárolás

• Optikai kommunikáció

• Optikai beolvasás

• Optikai érzékelés

• Optikai kijelző

• Optikai sebészeti eljárások

Lézerdiodok előnyei

• Kompakt méret

• Alacsony áramfogyasztás

• Magas hatékonyság

• Hosszú élettartam

• Sokoldalúság

Lézerdiodok hátrányai

• Hőmérsékletérzékenység

• Optikai visszacsatolás

• Módugrás

• Költség

Összefoglalás

A lézerdiod egy fémszemcsés eszköz, amely kohéziós fényt termel a stimulált kiadás folyamatával. Hasonló egy fénykibocsátó diodhoz (LED), de komplexebb szerkezetű és gyorsabb válaszidővel rendelkezik.

A lézerdiod egy p-n csomópontot tartalmaz, amelynek között van egy további intrinszik réteg, így egy p-i-n szerkezetet alkot. Az intrinszik réteg az aktív régió, ahol a fényelektronok és lyukak újraegyesülésével jön létre.

A lézerdiod működése úgy történik, hogy előre irányított feszültséget alkalmaznak a p-n csomópontra, ami áramot vezet át az eszközön. Az áram elektronokat injektál az n-típusú régióból, és lyukakat a p-típusú régióból az intrinszik rétegbe, ahol ezek újraegyesülnek, és energia formájában fotonokat bocsátanak ki.

Ezekből a fotonokból néhány véletlenszerű irányban spontán kiadódik, míg mások a rezgőhelyben már létező fotonok stimulálásával ugyanolyan fázisban adódnak ki. A stimulált fotonok visszapattannak a tükröző végként, ami több stimulált kiadást és populációs inverziót okoz, ahol több izgalomba hozott elektron található, mint nem izgalomba hozott.

Amikor a populációs inverzió elér egy küszöbértéket, stabilis lézerkimenetet érünk el, ahol a stimulált kiadás sebessége egyenlő a fotonveszteség sebességével, ami a transzfer vagy absorpció miatt bekövetkezik. A lézerdiod kimeneti teljesítménye függ a bejövő áramtól és az eszköz hatékonyságától.

A lézerfény hullámhossza a félvezető anyag bandgap-jának és az optikai rezgőhely hosszának függvényében változik. A lézerdiódok képesek fényt termelni az elektromágneses spektrum különböző részein, az infravörös és ultraviolét tartományban is.

A lézerdiódok különböző típusokba sorolhatók, struktúrájuk, működési módjuk, hullámhosszuk, kimeneti teljesítményük és alkalmazásuk alapján. Néhány gyakori típus az egymódusú lézerdiodok, többmódusú lézerdiodok, master oscillator power amplifier (MOPA) lézerdiodok, függőleges rezgőhely felülről sugárzó lézer (VCSEL) diódok, terjesztett visszacsatolású (DFB) lézerdiodok, külső rezgőhely diód-lézer (ECDL) stb.

A lézerdiódok széles körben használatosak különböző területeken, köszönhetően előnyeiknek, mint például a kompakt méret, alacsony áramfogyasztás, magas hatékonyság, hosszú élettartam és sokoldalúság. Néhány alkalmazásaik az optikai tárolás, optikai kommunikáció, optikai beolvasás, optikai érzékelés, optikai kijelző és optikai sebészeti eljárások.

Bár a lézerdiódok előnyökkel bírnak, hátrányokkal is, mint például a hőmérsékletérzékenység, optikai visszacsatolás, módugrás és magas költségek.