Что такое лазерный диод?

Что такое лазерный диод?

Определение лазерного диода

Лазерный диод определяется как диод, который может генерировать лазерное излучение при электрическом возбуждении током. Он состоит из p-n перехода с дополнительным внутренним слоем между ними, образуя структуру p-i-n. Внутренний слой является активной областью, где свет генерируется в результате рекомбинации электронов и дырок.

Регионы p-типа и n-типа сильно легируются примесями для создания избыточных носителей, в то время как внутренний слой не легирован или слабо легирован, чтобы обеспечить оптическое усиление. Концы внутреннего слоя покрыты отражающими материалами, один полностью отражающий, а другой частично отражающий, для формирования оптической полости, которая улавливает свет и усиливает стимулированное излучение.

Стимулированное излучение происходит, когда входящий фотон вызывает переход возбужденного электрона на более низкий энергетический уровень и испускает другой фотон, идентичный входящему по частоте, фазе, поляризации и направлению. Таким образом, количество фотонов в полости увеличивается экспоненциально, создавая когерентный пучок света, который выходит через частично отражающий конец.

Длина волны лазерного света изменяется в зависимости от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и длины оптической полости, что позволяет излучать в различных областях электромагнитного спектра, от инфракрасного до ультрафиолетового.

Механизм работы

Лазерный диод работает путем приложения прямого напряжения к p-n переходу, что вызывает протекание тока через устройство. Ток вводит электроны из n-области и дырки из p-области во внутренний слой, где они рекомбинируют и выпускают энергию в виде фотонов.

Некоторые из этих фотонов спонтанно излучаются в случайных направлениях, в то время как другие стимулируются существующими фотонами в полости, чтобы излучать в фазе с ними. Стимулированные фотоны отражаются между отражающими концами, вызывая больше стимулированного излучения и создавая инверсию населения, где возбужденных электронов больше, чем не возбужденных.

Когда инверсия населения достигает порогового уровня, достигается устойчивый выход лазера, при котором скорость стимулированного излучения равна скорости потерь фотонов из-за передачи или поглощения. Выходная мощность лазерного диода зависит от входного тока и эффективности устройства.

Выходная мощность зависит от температуры устройства; более высокие температуры снижают эффективность и повышают пороговый ток, требуя систем охлаждения для оптимальной работы.

Типы лазерных диодов

Лазерные диоды классифицируются на различные типы в зависимости от их структуры, режима работы, длины волны, выходной мощности и применения. Некоторые из распространенных типов:

• Одномодовые лазерные диоды

• Многомодовые лазерные диоды

• Лазерные диоды с главным осциллятором и усилителем мощности (MOPA)

• Вертикальные резонаторы поверхностного излучения (VCSEL)

• Лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB)

• Лазерные диоды с внешней полостью (ECDLs)

Применение лазерных диодов

• Оптическое хранение

• Оптическая связь

• Оптическое сканирование

• Оптическое датирование

• Оптические дисплеи

• Оптическая хирургия

Преимущества лазерных диодов

• Компактные размеры

• Низкое потребление энергии

• Высокая эффективность

• Долгий срок службы

• Универсальность

Недостатки лазерных диодов

• Чувствительность к температуре

• Оптическая обратная связь

• Переходы режимов

• Стоимость

Заключение

Лазерный диод — это полупроводниковое устройство, которое производит когерентный свет путем процесса стимулированного излучения. Он похож на светодиод (LED), но имеет более сложную структуру и более быстрое время отклика.

Лазерный диод состоит из p-n перехода с дополнительным внутренним слоем между ними, образуя структуру p-i-n. Внутренний слой является активной областью, где свет генерируется в результате рекомбинации электронов и дырок.

Лазерный диод работает путем приложения прямого напряжения к p-n переходу, что вызывает протекание тока через устройство. Ток вводит электроны из n-области и дырки из p-области во внутренний слой, где они рекомбинируют и выпускают энергию в виде фотонов.

Некоторые из этих фотонов спонтанно излучаются в случайных направлениях, в то время как другие стимулируются существующими фотонами в полости, чтобы излучать в фазе с ними. Стимулированные фотоны отражаются между отражающими концами, вызывая больше стимулированного излучения и создавая инверсию населения, где возбужденных электронов больше, чем не возбужденных.

Когда инверсия населения достигает порогового уровня, достигается устойчивый выход лазера, при котором скорость стимулированного излучения равна скорости потерь фотонов из-за передачи или поглощения. Выходная мощность лазерного диода зависит от входного тока и эффективности устройства.

Длина волны лазерного света зависит от ширины запрещенной зоны полупроводникового материала и длины оптической полости. Лазерные диоды могут производить свет в различных областях электромагнитного спектра, от инфракрасного до ультрафиолетового.

Лазерные диоды классифицируются на различные типы в зависимости от их структуры, режима работы, длины волны, выходной мощности и применения. Некоторые из распространенных типов: одномодовые лазерные диоды, многомодовые лазерные диоды, лазерные диоды с главным осциллятором и усилителем мощности (MOPA), вертикальные резонаторы поверхностного излучения (VCSEL), лазерные диоды с распределенной обратной связью (DFB), лазерные диоды с внешней полостью (ECDLs) и т.д.

Лазерные диоды имеют широкий спектр применений в различных областях благодаря своим преимуществам, таким как компактные размеры, низкое потребление энергии, высокая эффективность, долгий срок службы и универсальность. Некоторые из их применений: оптическое хранение, оптическая связь, оптическое сканирование, оптическое датирование, оптические дисплеи и оптическая хирургия.

Несмотря на свои преимущества, лазерные диоды имеют недостатки, такие как чувствительность к температуре, оптическая обратная связь, переходы режимов и высокая стоимость.