O que é um Diodo Emissor de Luz?
O que é um Diodo Laser?
Definição de Diodo Laser
Um diodo laser é definido como um diodo que pode gerar luz laser quando alimentado eletricamente com corrente. Ele consiste em uma junção p-n com uma camada intrínseca adicional no meio, formando uma estrutura p-i-n. A camada intrínseca é a região ativa onde a luz é gerada pela recombinação de elétrons e buracos.
As regiões p-type e n-type são fortemente dopadas com impurezas para criar portadores excessivos, enquanto a camada intrínseca é não dopada ou levemente dopada para permitir amplificação óptica. As extremidades da camada intrínseca são revestidas com materiais reflexivos, um totalmente reflexivo e outro parcialmente reflexivo, para formar uma cavidade óptica que prende a luz e aumenta a emissão estimulada.
A emissão estimulada ocorre quando um fóton incidente causa que um elétron excitado caia para um nível de energia inferior e emite outro fóton que é idêntico ao fóton incidente em frequência, fase, polarização e direção. Dessa forma, o número de fótons na cavidade aumenta exponencialmente, criando um feixe coerente de luz que sai através da extremidade parcialmente reflexiva.
O comprimento de onda da luz laser varia com a lacuna de banda do material semicondutor e o comprimento da cavidade óptica, permitindo emissão em todo o espectro eletromagnético, do infravermelho ao ultravioleta.
Mecanismo Operacional
Um diodo laser funciona aplicando uma tensão de polarização direta (forward bias) na junção p-n, o que faz com que a corrente flua pelo dispositivo. A corrente injeta elétrons da região n-type e buracos da região p-type na camada intrínseca, onde eles se reúnem e liberam energia na forma de fótons.
Alguns desses fótons são emitidos espontaneamente em direções aleatórias, enquanto outros são estimulados por fótons existentes na cavidade para emitir em fase com eles. Os fótons estimulados saltam de um lado para o outro entre as extremidades reflexivas, causando mais emissão estimulada e criando uma inversão de população, onde há mais elétrons excitados do que não excitados.
Quando a inversão de população atinge um nível de limiar, é alcançada a saída a laser em estado estacionário, onde a taxa de emissão estimulada é igual à taxa de perda de fótons devido à transmissão ou absorção. A potência de saída do diodo laser depende da corrente de entrada e da eficiência do dispositivo.
A potência de saída depende da temperatura do dispositivo; temperaturas mais altas diminuem a eficiência e aumentam a corrente de limiar, necessitando sistemas de resfriamento para um desempenho ideal.
Tipos de Diodos Laser
Os diodos laser são classificados em diferentes tipos com base em sua estrutura, modo de operação, comprimento de onda, potência de saída e aplicação. Alguns dos tipos comuns são:
Diodos laser de modo único
Diodos laser de múltiplos modos
Diodos laser amplificador de potência do oscilador mestre (MOPA)
Diodos laser de emissão vertical de superfície (VCSEL)
Diodos laser de realimentação distribuída (DFB)
Diodos laser de cavidade externa (ECDLs)
Aplicações de Diodos Laser
Armazenamento óptico
Comunicação óptica
Leitura óptica
Sensoreamento óptico
Exibição óptica
Cirurgia óptica
Vantagens dos Diodos Laser
Tamanho compacto
Baixo consumo de energia
Alta eficiência
Longa vida útil
Versatilidade
Desvantagens dos Diodos Laser
Sensibilidade à temperatura
Retroalimentação óptica
Salto de modo
Custo
Resumo
Um diodo laser é um dispositivo semicondutor que produz luz coerente através de um processo de emissão estimulada. É semelhante a um diodo emissor de luz (LED), mas tem uma estrutura mais complexa e tempo de resposta mais rápido.
Um diodo laser consiste em uma junção p-n com uma camada intrínseca adicional no meio, formando uma estrutura p-i-n. A camada intrínseca é a região ativa onde a luz é gerada pela recombinação de elétrons e buracos.
Um diodo laser funciona aplicando uma tensão de polarização direta (forward bias) na junção p-n, o que faz com que a corrente flua pelo dispositivo. A corrente injeta elétrons da região n-type e buracos da região p-type na camada intrínseca, onde eles se reúnem e liberam energia na forma de fótons.
Alguns desses fótons são emitidos espontaneamente em direções aleatórias, enquanto outros são estimulados por fótons existentes na cavidade para emitir em fase com eles. Os fótons estimulados saltam de um lado para o outro entre as extremidades reflexivas, causando mais emissão estimulada e criando uma inversão de população, onde há mais elétrons excitados do que não excitados.
Quando a inversão de população atinge um nível de limiar, é alcançada a saída a laser em estado estacionário, onde a taxa de emissão estimulada é igual à taxa de perda de fótons devido à transmissão ou absorção. A potência de saída do diodo laser depende da corrente de entrada e da eficiência do dispositivo.
O comprimento de onda da luz laser depende da lacuna de banda do material semicondutor e do comprimento da cavidade óptica. Os diodos laser podem produzir luz em diferentes regiões do espectro eletromagnético, do infravermelho ao ultravioleta.
Os diodos laser são classificados em diferentes tipos com base em sua estrutura, modo de operação, comprimento de onda, potência de saída e aplicação. Alguns dos tipos comuns são diodos laser de modo único, diodos laser de múltiplos modos, diodos laser amplificador de potência do oscilador mestre (MOPA), diodos laser de emissão vertical de superfície (VCSEL), diodos laser de realimentação distribuída (DFB), diodos laser de cavidade externa (ECDLs), etc.
Os diodos laser têm uma ampla gama de aplicações em vários campos devido às suas vantagens, como tamanho compacto, baixo consumo de energia, alta eficiência, longa vida útil e versatilidade. Algumas de suas aplicações são armazenamento óptico, comunicação óptica, leitura óptica, sensoreamento óptico, exibição óptica e cirurgia óptica.
Apesar de seus benefícios, os diodos laser têm desvantagens, incluindo sensibilidade à temperatura, retroalimentação óptica, salto de modo e custos elevados.
