Šta je laserska dioda?

Šta je laserska dioda?

Definicija laserske diode

Laserska dioda se definiše kao dioda koja može generisati lasersku svetlost kada je električki opterećena strujom. Sastoji se od p-n prelaza sa dodatnim intrinzičnim slojem između, formirajući p-i-n strukturu. Intrinzični sloj je aktivna regija gde se svetlost generiše rekompozicijom elektrona i rupa.

P-tip i n-tip regije su teško dotirane nečistoćama kako bi se stvorio višak nosilaca, dok je intrinzični sloj nedotiran ili slabo dotiran kako bi omogućio optičko pojačanje. Krajevi intrinzičnog sloja su pokriveni reflektivnim materijalima, jedan potpuno reflektivni a drugi delimično reflektivni, kako bi se formirala optička šuplja koja zadržava svetlost i pojačava stimulisano emitovanje.

Stimulisano emitovanje nastaje kada dolazni foton uzrokuje da se uzbudeni elektron spusti na niži energetski nivo i emituje još jedan foton koji je identičan dolaznom fotoni po frekvenciji, fazu, polariaciji i smeru. Na taj način, broj fotona u šuplji eksponencijalno raste, stvarajući koherentni snop svetlosti koji izlazi kroz delimično reflektivni kraj.

Dugačina talasa laserske svetlosti varira u zavisnosti od band gap-a poluprovodnog materijala i dužine optičke šuplje, omogućavajući emitovanje širom elektromagnetnog spektra, od infracrvenog do ultraljubičastog.

Način rada

Laserska dioda radi primenom napona prednapajanja preko p-n prelaza, što dovodi do toka struje kroz uređaj. Struja ubacuje elektrone iz n-tip regije i rupe iz p-tip regije u intrinzični sloj, gde se oni rekomponuju i oslobađaju energiju u obliku fotona.

Neki od ovih fotona su spontano emitovani u nasumičnim smerovima, dok druge fotone stimuliraju postojeći fotoni u šuplji da emituju u fazi sa njima. Stimulisani fotoni odbijaju se unazad i naprijed između reflektivnih krajeva, uzrokujući više stimulisano emitovanje i stvarajući inverziju populacije, gde postoji više uzbudenih elektrona nego neuzbudjenih.

Kada inverzija populacije dostigne prag, postiže se stabilno lasersko izlazno stanje, gde se stopa stimulisano emitovanja podudara sa stopom gubitka fotona zbog transmisije ili apsorpcije. Izlazna snaga laserske diode zavisi od ulazne struje i efikasnosti uređaja.

Izlazna snaga zavisi od temperature uređaja; veće temperature smanjuju efikasnost i povećavaju prag struje, čime se zahteva hlađenje za optimalnu performansu.

Tipovi laserskih dioda

Laserske diode se klasiču prema svojoj strukturi, načinu rada, dugačini talasa, izlaznoj snazi i primeni. Neki od najčešćih tipova su:

• Jednomodalne laserske diode

• Višemodalne laserske diode

• Laserske diode sa glavnim oscilatorom i pojačivačem (MOPA)

• Laserske diode sa vertikalnom šupljom i površinskim emitovanjem (VCSEL)

• Laserske diode sa raspodeljenim povratnim signalom (DFB)

• Laserske diode sa vanjskom šupljom (ECDL)

Primene laserskih dioda

• Optička skladištenja

• Optička komunikacija

• Optičko skeniranje

• Optičko senziranje

• Optički prikaz

• Optička kirurgija

Prednosti laserskih dioda

• Kompaktne veličine

• Niska potrošnja energije

• Visoka efikasnost

• Duga životna doba

• Veselost

Mane laserskih dioda

• Osetljivost na temperaturu

• Optički povratni signal

• Preklapanje modova

• Cena

Sazetak

Laserska dioda je poluprovodni uređaj koji proizvodi koherentnu svetlost procesom stimulisano emitovanja. Slična je LED-u, ali ima složeniju strukturu i bržu vremensku karakteristiku.

Laserska dioda sastoji se od p-n prelaza sa dodatnim intrinzičnim slojem između, formirajući p-i-n strukturu. Intrinzični sloj je aktivna regija gde se svetlost generiše rekompozicijom elektrona i rupa.

Laserska dioda radi primenom napona prednapajanja preko p-n prelaza, što dovodi do toka struje kroz uređaj. Struja ubacuje elektrone iz n-tip regije i rupe iz p-tip regije u intrinzični sloj, gde se oni rekomponuju i oslobađaju energiju u obliku fotona.

Neki od ovih fotona su spontano emitovani u nasumičnim smerovima, dok druge fotone stimuliraju postojeći fotoni u šuplji da emituju u fazi sa njima. Stimulisani fotoni odbijaju se unazad i naprijed između reflektivnih krajeva, uzrokujući više stimulisano emitovanje i stvarajući inverziju populacije, gde postoji više uzbudenih elektrona nego neuzbudjenih.

Kada inverzija populacije dostigne prag, postiže se stabilno lasersko izlazno stanje, gde se stopa stimulisano emitovanja podudara sa stopom gubitka fotona zbog transmisije ili apsorpcije. Izlazna snaga laserske diode zavisi od ulazne struje i efikasnosti uređaja.

Dugačina talasa laserske svetlosti zavisi od band gap-a poluprovodnog materijala i dužine optičke šuplje. Laserske diode mogu proizvoditi svetlost u različitim regionima elektromagnetnog spektra, od infracrvenog do ultraljubičastog.

Laserske diode se klasiču prema svojoj strukturi, načinu rada, dugačini talasa, izlaznoj snazi i primeni. Neki od najčešćih tipova su jednomodalne laserske diode, višemodalne laserske diode, laserske diode sa glavnim oscilatorom i pojačivačem (MOPA), laserske diode sa vertikalnom šupljom i površinskim emitovanjem (VCSEL), laserske diode sa raspodeljenim povratnim signalom (DFB) i laserske diode sa vanjskom šupljom (ECDL).

Laserske diode imaju širok spektar primena u različitim oblastima zbog svojih prednosti, poput kompaktnih dimenzija, niske potrošnje energije, visoke efikasnosti, dugačkog životnog veka i veselosti. Neki od njihovih primera primene su optička skladištenja, optička komunikacija, optičko skeniranje, optičko senziranje, optički prikaz i optička kirurgija.

Unatoč svojim prednostima, laserske diode imaju mane, uključujući osetljivost na temperaturu, optički povratni signal, preklapanje modova i visoku cenu.