Vad är en laserdiod?
Vad är en laserdiod?
Laserdiodens definition
En laserdiod definieras som en diod som kan generera laserljus när den elektriskt pumpas med ström. Den består av en p-n-förbindelse med en ytterligare inre lager mellan, vilket bildar en p-i-n-struktur. Det inre lagret är den aktiva regionen där ljuset genereras genom återförening av elektroner och hål.
P- och n-typregionerna är starkt dopade med föroreningar för att skapa överflödshämtare, medan det inre lagret är odopat eller svagt dopat för att tillåta optisk förstärkning. Slutet på det inre lagret är belagt med reflekterande material, ett fullständigt reflekterande och ett delvis reflekterande, för att forma en optisk kammare som fångar ljuset och förbättrar den stimulerade emissionen.
Den stimulerade emissionen inträffar när ett inkommande foton orsakar att en upphetsad elektron faller till en lägre energinivå och utsläpper ett annat foton som är identiskt med det inkommande fotonet i frekvens, fas, polarisering och riktning. På detta sätt ökar antalet fotoner i kammaren exponentiellt, vilket skapar en sammanhängande ljusbäve som går ut genom det delvis reflekterande slutet.
Våglängden på laserljus varierar beroende på halvledarmaterials bandgap och optiska kammarens längd, vilket möjliggör emission över elektromagnetiska spektrum, från infrarött till ultraviolett.
Driftmekanism
En laserdiod fungerar genom att applicera en framåtvänd spänningsförskjutning över p-n-förbindelsen, vilket orsakar att ström flödar genom enheten. Strömmen injicerar elektroner från n-typregionen och hål från p-typregionen till det inre lagret, där de återförenas och släpper energi i form av fotoner.
Några av dessa fotoner emitts spontant i slumpmässiga riktningar, medan andra stimuleras av existerande fotoner i kammaren för att emitta i fas med dem. De stimulerade fotonerna studsar fram och tillbaka mellan de reflekterande ändarna, vilket orsakar mer stimulerad emission och skapar en populationsinversion, där det finns fler upphetsade elektroner än icke-upphetsade.
När populationsinversionen når ett tröskelvärde uppnås en stabil laserausgang, där hastigheten för stimulerad emission liknar hastigheten för fotonförlust på grund av transmission eller absorbering. Utmatningskraften hos laserdioden beror på ingångsströmmen och enhetens effektivitet.
Utmatningskraften beror på enhetens temperatur; högre temperaturer minskar effektiviteten och höjer tröskelströmmen, vilket kräver kylsystem för optimal prestanda.
Typer av laserdioder
Laserdioder klassificeras i olika typer beroende på deras struktur, driftläge, våglängd, utmatningskraft och tillämpning. Några av de vanliga typerna är:
Enkelmodig laserdiod
Fleramodig laserdiod
Master oscillator power amplifier (MOPA) laserdiod
Vertikal kammare yta-emitterande laser (VCSEL) diod
Distribuerad feedback (DFB) laserdiod
Extern kammare diodelaser (ECDL)
Tillämpningar av laserdioder
Optisk lagring
Optisk kommunikation
Optisk scanning
Optisk sensoring
Optisk display
Optisk kirurgi
Fördelar med laserdioder
Kompakt storlek
Låg strömkonsumtion
Hög effektivitet
Lång livstid
Mångsidighet
Nackdelar med laserdioder
Temperaturkänslighet
Optisk återkoppling
Modhoppning
Kostnad
Sammanfattning
En laserdiod är en halvledarenhet som producerar sammanhängande ljus genom en process av stimulerad emission. Den liknar en lysdiod (LED), men har en mer komplex struktur och snabbare respons tid.
En laserdiod består av en p-n-förbindelse med en ytterligare inre lager mellan, vilket bildar en p-i-n-struktur. Det inre lagret är den aktiva regionen där ljuset genereras genom återförening av elektroner och hål.
En laserdiod fungerar genom att applicera en framåtvänd spänningsförskjutning över p-n-förbindelsen, vilket orsakar att ström flödar genom enheten. Strömmen injicerar elektroner från n-typregionen och hål från p-typregionen till det inre lagret, där de återförenas och släpper energi i form av fotoner.
Några av dessa fotoner emitts spontant i slumpmässiga riktningar, medan andra stimuleras av existerande fotoner i kammaren för att emitta i fas med dem. De stimulerade fotonerna studsar fram och tillbaka mellan de reflekterande ändarna, vilket orsakar mer stimulerad emission och skapar en populationsinversion, där det finns fler upphetsade elektroner än icke-upphetsade.
När populationsinversionen når ett tröskelvärde uppnås en stabil laserausgang, där hastigheten för stimulerad emission liknar hastigheten för fotonförlust på grund av transmission eller absorbering. Utmatningskraften hos laserdioden beror på ingångsströmmen och enhetens effektivitet.
Våglängden på laserljus beror på bandgapen i halvledarmaterialet och längden på den optiska kammaren. Laserdioder kan producera ljus i olika regioner av elektromagnetiska spektrum, från infrarött till ultraviolett.
Laserdioder klassificeras i olika typer beroende på deras struktur, driftläge, våglängd, utmatningskraft och tillämpning. Några av de vanliga typerna är enkelmodiga laserdioder, fleramodiga laserdioder, master oscillator power amplifier (MOPA) laserdioder, vertikal kammare yta-emitterande laser (VCSEL) dioder, distribuerad feedback (DFB) laserdioder, extern kammare diodelaser (ECDL), etc.
Laserdioder har en bred mängd tillämpningar inom olika områden tack vare sina fördelar som kompakt storlek, låg strömkonsumtion, hög effektivitet, lång livstid och mångsidighet. Några av deras tillämpningar är optisk lagring, optisk kommunikation, optisk scanning, optisk sensoring, optisk display och optisk kirurgi.
Trots sina fördelar har laserdioder nackdelar inklusive temperaturkänslighet, optisk återkoppling, modhoppning och höga kostnader.
