Cosa è un diodo laser?

Cos'è un Laser Diode?

Definizione di Laser Diode

Un laser diodo è definito come un diodo che può generare luce laser quando viene pompato elettricamente con corrente. È costituito da una giunzione p-n con un ulteriore strato intrinseco in mezzo, formando una struttura p-i-n. Lo strato intrinseco è la regione attiva dove la luce viene generata dalla ricombinazione di elettroni e buchi.

Le regioni p-type e n-type sono fortemente dopate con impurità per creare portatori in eccesso, mentre lo strato intrinseco è non dopato o leggermente dopato per permettere l'amplificazione ottica. Le estremità dello strato intrinseco sono ricoperte con materiali riflettenti, uno completamente riflettente e l'altro parzialmente riflettente, per formare una cavità ottica che intrappola la luce e aumenta l'emissione stimolata.

L'emissione stimolata avviene quando un fotone entrante causa la caduta di un elettrone eccitato a un livello energetico inferiore e l'emissione di un altro fotone identico al fotone entrante in frequenza, fase, polarizzazione e direzione. In questo modo, il numero di fotoni nella cavità aumenta esponenzialmente, creando un fascio coerente di luce che esce attraverso l'estremità parzialmente riflettente.

La lunghezza d'onda della luce laser varia con il divario di banda del materiale semiconduttore e la lunghezza della cavità ottica, consentendo l'emissione in tutto lo spettro elettromagnetico, dall'infrarosso all'ultravioletto.

Meccanismo Operativo

Un laser diodo funziona applicando una tensione di polarizzazione diretta alla giunzione p-n, il che causa il flusso di corrente attraverso il dispositivo. La corrente inietta elettroni dalla regione n-type e buchi dalla regione p-type nello strato intrinseco, dove si ricombinano e rilasciano energia sotto forma di fotoni.

Alcuni di questi fotoni vengono emessi spontaneamente in direzioni casuali, mentre altri vengono stimolati dai fotoni esistenti nella cavità per emettere in fase con essi. I fotoni stimolati rimbalzano avanti e indietro tra le estremità riflettenti, causando ulteriori emissioni stimolate e creando un'inversione di popolazione, dove ci sono più elettroni eccitati rispetto a quelli non eccitati.

Quando l'inversione di popolazione raggiunge un livello di soglia, si ottiene un'uscita laser a stato stazionario, dove il tasso di emissione stimolata è uguale al tasso di perdita di fotoni dovuto alla trasmissione o assorbimento. La potenza di uscita del laser diodo dipende dalla corrente di ingresso ed efficacia del dispositivo.

La potenza di uscita dipende dalla temperatura del dispositivo; temperature più elevate riducono l'efficienza e aumentano la corrente di soglia, rendendo necessari sistemi di raffreddamento per un'ottima performance.

Tipi di Laser Diodo

I laser diodi sono classificati in diversi tipi in base alla loro struttura, modalità di funzionamento, lunghezza d'onda, potenza di uscita e applicazione. Alcuni dei tipi comuni sono:

• Laser diodi a singola modalità

• Laser diodi a multi-modalità

• Laser diodi a oscillatore principale e amplificatore di potenza (MOPA)

• Laser diodi a cavità verticale e emissione superficiale (VCSEL)

• Laser diodi a retroazione distribuita (DFB)

• Laser diodi a cavità esterna (ECDLs)

Applicazioni dei Laser Diodo

• Memoria ottica

• Comunicazione ottica

• Scansione ottica

• Sensore ottico

• Display ottico

• Chirurgia ottica

Vantaggi dei Laser Diodo

• Dimensioni compatte

• Bassa consumazione di energia

• Alta efficienza

• Lunga durata

• Versatilità

Svantaggi dei Laser Diodo

• Sensibilità alla temperatura

• Retroazione ottica

• Salto di modalità

• Costo

Riepilogo

Un laser diodo è un dispositivo semiconduttore che produce luce coerente attraverso un processo di emissione stimolata. È simile a un diodo emettitore di luce (LED), ma ha una struttura più complessa e un tempo di risposta più rapido.

Un laser diodo è costituito da una giunzione p-n con un ulteriore strato intrinseco in mezzo, formando una struttura p-i-n. Lo strato intrinseco è la regione attiva dove la luce viene generata dalla ricombinazione di elettroni e buchi.

Un laser diodo funziona applicando una tensione di polarizzazione diretta alla giunzione p-n, il che causa il flusso di corrente attraverso il dispositivo. La corrente inietta elettroni dalla regione n-type e buchi dalla regione p-type nello strato intrinseco, dove si ricombinano e rilasciano energia sotto forma di fotoni.

Alcuni di questi fotoni vengono emessi spontaneamente in direzioni casuali, mentre altri vengono stimolati dai fotoni esistenti nella cavità per emettere in fase con essi. I fotoni stimolati rimbalzano avanti e indietro tra le estremità riflettenti, causando ulteriori emissioni stimolate e creando un'inversione di popolazione, dove ci sono più elettroni eccitati rispetto a quelli non eccitati.

Quando l'inversione di popolazione raggiunge un livello di soglia, si ottiene un'uscita laser a stato stazionario, dove il tasso di emissione stimolata è uguale al tasso di perdita di fotoni dovuto alla trasmissione o assorbimento. La potenza di uscita del laser diodo dipende dalla corrente di ingresso ed efficacia del dispositivo.

La lunghezza d'onda della luce laser dipende dal divario di banda del materiale semiconduttore e dalla lunghezza della cavità ottica. I laser diodi possono produrre luce in diverse regioni dello spettro elettromagnetico, dall'infrarosso all'ultravioletto.

I laser diodi sono classificati in diversi tipi in base alla loro struttura, modalità di funzionamento, lunghezza d'onda, potenza di uscita e applicazione. Alcuni dei tipi comuni sono i laser diodi a singola modalità, i laser diodi a multi-modalità, i laser diodi a oscillatore principale e amplificatore di potenza (MOPA), i laser diodi a cavità verticale e emissione superficiale (VCSEL), i laser diodi a retroazione distribuita (DFB), i laser diodi a cavità esterna (ECDLs), ecc.

I laser diodi hanno una vasta gamma di applicazioni in vari campi grazie ai loro vantaggi come dimensioni compatte, bassa consumazione di energia, alta efficienza, lunga durata e versatilità. Alcune delle loro applicazioni sono la memoria ottica, la comunicazione ottica, la scansione ottica, il sensore ottico, il display ottico e la chirurgia ottica.

Nonostante i loro vantaggi, i laser diodi presentano svantaggi come la sensibilità alla temperatura, la retroazione ottica, il salto di modalità e i costi elevati.