Wat is een laserdiode?
Wat is een laserdiode?
Definitie van een laserdiode
Een laserdiode wordt gedefinieerd als een diode die laserlicht kan genereren wanneer deze elektrisch wordt gepompt met stroom. Het bestaat uit een p-n-overgang met een extra intrinsische laag ertussen, wat een p-i-n-structuur vormt. De intrinsische laag is de actieve regio waar het licht wordt gegenereerd door de recombinatie van elektronen en holes.
De p-type en n-type regio's zijn zwaar gedopeerd met impuriteiten om overmatige dragers te creëren, terwijl de intrinsische laag ongedopeerd of licht gedopeerd is om optische versterking toe te laten. De einden van de intrinsische laag zijn bedekt met reflecterende materialen, één volledig reflecterend en één gedeeltelijk reflecterend, om een optische kamer te vormen die het licht vasthoudt en de gestimuleerde emissie verhoogt.
Gestimuleerde emissie vindt plaats wanneer een inkomend foton een geëxciteerd elektron doet neerstrijken naar een lagere energieniveau en een ander foton uitstraalt dat identiek is aan het inkomende foton in frequentie, fase, polarisatie en richting. Op deze manier neemt het aantal fotonen in de kamer exponentieel toe, waardoor een coherente straal licht ontstaat die via het gedeeltelijk reflecterende einde uit gaat.
De golflengte van laserlicht varieert met de bandgap van het halfgeleidermateriaal en de lengte van de optische kamer, waardoor emissie mogelijk is over het elektromagnetische spectrum, van infrarood tot ultraviolet.
Werkingsmechanisme
Een laserdiode werkt door een voorwaartse biasspanning toe te passen op de p-n-overgang, wat stroom door het apparaat laat stromen. De stroom injecteert elektronen vanuit de n-type regio en holes vanuit de p-type regio in de intrinsische laag, waar ze recombineren en energie vrijgeven in de vorm van fotonen.
Sommige van deze fotonen worden spontaan in willekeurige richtingen uitgestraald, terwijl anderen gestimuleerd worden door bestaande fotonen in de kamer om in fase met hen uit te stralen. De gestimuleerde fotonen kaatsen heen en weer tussen de reflecterende einden, wat meer gestimuleerde emissie veroorzaakt en een populatie-inversie creëert, waarbij er meer geëxciteerde elektronen zijn dan niet-geëxciteerde.
Wanneer de populatie-inversie een drempelniveau bereikt, wordt een stabiele laseruitvoer bereikt, waarbij het tempo van de gestimuleerde emissie gelijk is aan het tempo van fotonverlies door transmissie of absorptie. De uitvoervermogen van de laserdiode hangt af van de ingangsstroom en de efficiëntie van het apparaat.
Het uitvoervermogen hangt af van de temperatuur van het apparaat; hogere temperaturen verlagen de efficiëntie en verhogen de drempelstroom, waardoor koelsystemen nodig zijn voor optimale prestaties.
Typen laserdioden
Laserdioden worden ingedeeld in verschillende typen op basis van hun structuur, werking, golflengte, uitvoervermogen en toepassing. Enkele van de algemene typen zijn:
Enkelmodus laserdioden
Meermodus laserdioden
Master oscillator power amplifier (MOPA) laserdioden
Verticale kamer oppervlakte uitstralende laser (VCSEL) dioden
Gedistribueerde feedback (DFB) laserdioden
Externe kamer diodelasers (ECDLs)
Toepassingen van laserdioden
Optische opslag
Optische communicatie
Optische scannen
Optische detectie
Optische weergave
Optische chirurgie
Voordelen van laserdioden
Compacte grootte
Lage energieverbruik
Hoog rendement
Lange levensduur
Verscheidenheid
Nadelen van laserdioden
Temperatuurgevoeligheid
Optische feedback
Modus springen
Kosten
Samenvatting
Een laserdiode is een halfgeleiderapparaat dat coherent licht produceert door middel van een proces van gestimuleerde emissie. Het is vergelijkbaar met een lichtgevende diode (LED), maar heeft een complexere structuur en een snellere reactietijd.
Een laserdiode bestaat uit een p-n-overgang met een extra intrinsische laag ertussen, wat een p-i-n-structuur vormt. De intrinsische laag is de actieve regio waar het licht wordt gegenereerd door de recombinatie van elektronen en holes.
Een laserdiode werkt door een voorwaartse biasspanning toe te passen op de p-n-overgang, wat stroom door het apparaat laat stromen. De stroom injecteert elektronen vanuit de n-type regio en holes vanuit de p-type regio in de intrinsische laag, waar ze recombineren en energie vrijgeven in de vorm van fotonen.
Sommige van deze fotonen worden spontaan in willekeurige richtingen uitgestraald, terwijl anderen gestimuleerd worden door bestaande fotonen in de kamer om in fase met hen uit te stralen. De gestimuleerde fotonen kaatsen heen en weer tussen de reflecterende einden, wat meer gestimuleerde emissie veroorzaakt en een populatie-inversie creëert, waarbij er meer geëxciteerde elektronen zijn dan niet-geëxciteerde.
Wanneer de populatie-inversie een drempelniveau bereikt, wordt een stabiele laseruitvoer bereikt, waarbij het tempo van de gestimuleerde emissie gelijk is aan het tempo van fotonverlies door transmissie of absorptie. Het uitvoervermogen van de laserdiode hangt af van de ingangsstroom en de efficiëntie van het apparaat.
De golflengte van het laserlicht hangt af van de bandgap van het halfgeleidermateriaal en de lengte van de optische kamer. Laserdioden kunnen licht produceren in verschillende gebieden van het elektromagnetische spectrum, van infrarood tot ultraviolet.
Laserdioden worden ingedeeld in verschillende typen op basis van hun structuur, werking, golflengte, uitvoervermogen en toepassing. Enkele van de algemene typen zijn enkelmodus laserdioden, meermodus laserdioden, master oscillator power amplifier (MOPA) laserdioden, verticale kamer oppervlakte uitstralende laser (VCSEL) dioden, gedistribueerde feedback (DFB) laserdioden, externe kamer diodelasers (ECDLs), enz.
Laserdioden hebben een breed scala aan toepassingen in verschillende velden, dankzij voordelen zoals compacte grootte, laag energieverbruik, hoog rendement, lange levensduur en verscheidenheid. Enkele van hun toepassingen zijn optische opslag, optische communicatie, optische scannen, optische detectie, optische weergave en optische chirurgie.
Ondanks hun voordelen hebben laserdioden nadelen zoals temperatuurgevoeligheid, optische feedback, modus springen en hoge kosten.
