Co to jest dioda laserowa?

Co to jest dioda laserowa?

Definicja diody laserowej

Dioda laserowa to dioda, która może generować światło laserowe, gdy jest poddawana napędowi elektrycznemu prądem. Składa się z złącza p-n z dodatkową warstwą wewnętrznej struktury między nimi, tworząc strukturę p-i-n. Warstwa wewnętrzna jest aktywną strefą, gdzie światło powstaje poprzez rekombinację elektronów i dziur.

Obszary typu p i n są mocno domieszkowane domieszkami, aby stworzyć nadmiar nośników ładunku, podczas gdy warstwa wewnętrzna jest niedomieszkowana lub lekko domieszkowana, co pozwala na wzmacnianie optyczne. Koniec warstwy wewnętrznej jest pokryty materiałami odblaskowymi, jeden całkowicie odblaskowy, a drugi częściowo odblaskowy, tworząc optyczną klatkę, która uwięzi światło i wzmacnia emisję pobudzoną.

Emisja pobudzona występuje, gdy przychodzący foton powoduje, że pobudzony elektron spada do niższego poziomu energetycznego i emituje kolejny foton, który jest identyczny z przychodzącym w częstotliwości, fazie, polaryzacji i kierunku. W ten sposób liczba fotonów w klatce rośnie wykładniczo, tworząc spójny promień światła, który wychodzi przez częściowo odblaskowy koniec.

Długość fali światła laserowego zależy od szerokości pasma półprzewodnika i długości optycznej klatki, co umożliwia emisję w różnych regionach widma elektromagnetycznego, od podczerwieni do ultrafioletu.

Mechanizm działania

Dioda laserowa działa poprzez zastosowanie napędu przód-blok na złączu p-n, co powoduje przepływ prądu przez urządzenie. Prąd wprowadza elektrony z obszaru typu n i dziury z obszaru typu p do warstwy wewnętrznej, gdzie rekomponują się i uwalniają energię w postaci fotonów.

Niektóre z tych fotonów są spontanicznie emitowane w losowych kierunkach, podczas gdy inne są pobudzone przez istniejące fotony w klatce, aby emitować w fazie z nimi. Pobudzone fotony odbijają się tam i z powrotem między końcami odblaskowymi, powodując więcej emisji pobudzonej i tworząc odwrócenie populacji, gdzie jest więcej pobudzonych elektronów niż niepobudzonych.

Gdy odwrócenie populacji osiąga próg, uzyskuje się stałe wyjście lasera, gdzie tempo emisji pobudzonej równa się tempu utraty fotonów z powodu transmisji lub absorpcji. Moc wyjściowa diody laserowej zależy od prądu wejściowego i sprawności urządzenia.

Moc wyjściowa zależy od temperatury urządzenia; wyższe temperatury obniżają sprawność i podnoszą prąd progowy, co wymaga systemów chłodzenia dla optymalnej wydajności.

Typy diod laserowych

Diody laserowe są klasyfikowane na różne typy w zależności od ich struktury, trybu działania, długości fali, mocy wyjściowej i zastosowania. Niektóre z typowych typów to:

• Jednomodalne diody laserowe

• Wielomodalne diody laserowe

• Diody laserowe master oscillator power amplifier (MOPA)

• Diody laserowe emitujące pionowo z powierzchni (VCSEL)

• Diody laserowe z rozproszeniem sprzężenia zwrotnego (DFB)

• Zewnętrzne klatki diod laserowych (ECDLs)

Zastosowania diod laserowych

• Optyczne magazynowanie danych

• Optyczna komunikacja

• Optyczne skanowanie

• Optyczne czujniki

• Optyczne wyświetlanie

• Optyczna chirurgia

Zalety diod laserowych

• Kompaktowy rozmiar

• Niska zużycie energii

• Wysoka efektywność

• Długi czas życia

• Wielofunkcyjność

Wady diod laserowych

• Czułość na temperaturę

• Optyczna sprzężenie zwrotne

• Skoki trybów

• Koszt

Podsumowanie

Dioda laserowa to półprzewodnikowe urządzenie, które produkuje spójne światło poprzez proces emisji pobudzonej. Jest podobna do diody emitującej światło (LED), ale ma bardziej złożoną strukturę i szybszy czas reakcji.

Dioda laserowa składa się z złącza p-n z dodatkową warstwą wewnętrznej struktury między nimi, tworząc strukturę p-i-n. Warstwa wewnętrzna jest aktywną strefą, gdzie światło powstaje poprzez rekombinację elektronów i dziur.

Dioda laserowa działa poprzez zastosowanie napędu przód-blok na złączu p-n, co powoduje przepływ prądu przez urządzenie. Prąd wprowadza elektrony z obszaru typu n i dziury z obszaru typu p do warstwy wewnętrznej, gdzie rekomponują się i uwalniają energię w postaci fotonów.

Niektóre z tych fotonów są spontanicznie emitowane w losowych kierunkach, podczas gdy inne są pobudzone przez istniejące fotony w klatce, aby emitować w fazie z nimi. Pobudzone fotony odbijają się tam i z powrotem między końcami odblaskowymi, powodując więcej emisji pobudzonej i tworząc odwrócenie populacji, gdzie jest więcej pobudzonych elektronów niż niepobudzonych.

Gdy odwrócenie populacji osiąga próg, uzyskuje się stałe wyjście lasera, gdzie tempo emisji pobudzonej równa się tempu utraty fotonów z powodu transmisji lub absorpcji. Moc wyjściowa diody laserowej zależy od prądu wejściowego i sprawności urządzenia.

Długość fali światła laserowego zależy od szerokości pasma półprzewodnika i długości optycznej klatki. Diody laserowe mogą produkować światło w różnych regionach widma elektromagnetycznego, od podczerwieni do ultrafioletu.

Diody laserowe są klasyfikowane na różne typy w zależności od ich struktury, trybu działania, długości fali, mocy wyjściowej i zastosowania. Niektóre z typowych typów to jednomodalne diody laserowe, wielomodalne diody laserowe, diody laserowe master oscillator power amplifier (MOPA), diody laserowe emitujące pionowo z powierzchni (VCSEL), diody laserowe z rozproszeniem sprzężenia zwrotnego (DFB), zewnętrzne klatki diod laserowych (ECDLs) itp.

Diody laserowe mają szerokie zastosowanie w różnych dziedzinach dzięki swoim zaletom takim jak kompaktowy rozmiar, niskie zużycie energii, wysoka efektywność, długi czas życia i wielofunkcyjność. Niektóre z ich zastosowań to optyczne magazynowanie danych, optyczna komunikacja, optyczne skanowanie, optyczne czujniki, optyczne wyświetlanie i optyczna chirurgia.

Pomimo swoich korzyści, diody laserowe mają wady, takie jak czułość na temperaturę, optyczne sprzężenie zwrotne, skoki trybów i wysokie koszty.