อะไรคือไดโอด์เลเซอร์

เลเซอร์ไดโอดคืออะไร?

คำนิยามของเลเซอร์ไดโอด

เลเซอร์ไดโอดถูกกำหนดให้เป็นไดโอดที่สามารถสร้างแสงเลเซอร์เมื่อได้รับการป้อนกระแสไฟฟ้า ประกอบด้วย p-n junction พร้อมกับชั้นภายในที่เป็นกลาง (intrinsic layer) อยู่ระหว่างกลาง ทำให้เกิดโครงสร้าง p-i-n ชั้นภายในที่เป็นกลางเป็นพื้นที่ที่มีการสร้างแสงจากการรวมตัวของอิเล็กตรอนและหลุม

พื้นที่ p-type และ n-type ถูกทำให้มีความหนาแน่นสูงของสารเจือปนเพื่อสร้างพาหะส่วนเกิน ในขณะที่ชั้นภายในที่เป็นกลางไม่ได้ถูกเจือปนหรือเจือปนเบาๆ เพื่อให้สามารถขยายแสงได้ ปลายของชั้นภายในที่เป็นกลางถูกเคลือบด้วยวัสดุสะท้อนแสง หนึ่งข้างสะท้อนเต็มที่และอีกข้างสะท้อนบางส่วน เพื่อสร้างโพรงแสงที่กักเก็บแสงและเพิ่มการปล่อยแบบกระตุ้น

การปล่อยแบบกระตุ้นเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนที่เข้ามาทำให้อิเล็กตรอนที่อยู่ในระดับพลังงานสูงลดลงสู่ระดับพลังงานต่ำและปล่อยโฟตอนอีกตัวหนึ่งที่เหมือนกับโฟตอนที่เข้ามาในด้านความถี่ เฟส ขั้ว และทิศทาง ด้วยวิธีนี้ จำนวนโฟตอนในโพรงแสงจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว สร้างลำแสงที่สอดคล้องกันซึ่งออกผ่านปลายที่สะท้อนบางส่วน

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์แตกต่างกันตามช่องว่างวงจรของวัสดุกึ่งตัวนำและขนาดของโพรงแสง ทำให้สามารถปล่อยแสงได้ตั้งแต่แสงอินฟราเรดจนถึงแสงอัลตราไวโอเลต

กลไกการทำงาน

เลเซอร์ไดโอดทำงานโดยการใช้แรงดันไปข้างหน้าที่ p-n junction ซึ่งทำให้กระแสไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสฉีดอิเล็กตรอนจากพื้นที่ n-type และหลุมจากพื้นที่ p-type เข้าสู่ชั้นภายในที่เป็นกลาง ซึ่งที่นั่นพวกมันรวมตัวกันและปล่อยพลังงานในรูปของโฟตอน

บางโฟตอนถูกปล่อยออกมาแบบสุ่มในทิศทางต่างๆ ในขณะที่โฟตอนอื่น ๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่ในโพรงแสงเพื่อปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นกระโดดกลับไปกลับมาระหว่างปลายที่สะท้อนแสง ทำให้เกิดการปล่อยแบบกระตุ้นมากขึ้นและสร้างสถานะของการกลับด้านประชากร ซึ่งมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อสถานะของการกลับด้านประชากรถึงระดับขีดจำกัด การผลิตเลเซอร์แบบคงที่จะเกิดขึ้น ที่นั่นอัตราการปล่อยแบบกระตุ้นเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังการผลิตของเลเซอร์ไดโอดขึ้นอยู่กับกระแสที่ป้อนเข้าและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

กำลังการผลิตขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอุปกรณ์ อุณหภูมิสูงจะลดประสิทธิภาพและเพิ่มกระแสขีดจำกัด จึงจำเป็นต้องใช้ระบบทำความเย็นเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

ประเภทของเลเซอร์ไดโอด

เลเซอร์ไดโอดถูกแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังการผลิต และการใช้งาน ประเภทที่พบบ่อยคือ:

• เลเซอร์ไดโอดโหมดเดียว

• เลเซอร์ไดโอดหลายโหมด

• เลเซอร์ไดโอดแบบเครื่องกำเนิดหลักและแอมพลิฟายเออร์กำลัง (MOPA)

• เลเซอร์ไดโอดแบบปล่อยผิวแนวตั้ง (VCSEL)

• เลเซอร์ไดโอดแบบป้อนกลับกระจาย (DFB)

• เลเซอร์ไดโอดแบบโพรงแสงภายนอก (ECDLs)

การใช้งานของเลเซอร์ไดโอด

• การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง

• การสื่อสารด้วยแสง

• การสแกนด้วยแสง

• การตรวจจับด้วยแสง

• การแสดงผลด้วยแสง

• การผ่าตัดด้วยแสง

ข้อดีของเลเซอร์ไดโอด

• ขนาดกะทัดรัด

• ใช้พลังงานต่ำ

• ประสิทธิภาพสูง

• อายุการใช้งานยาวนาน

• ความหลากหลายในการใช้งาน

ข้อเสียของเลเซอร์ไดโอด

• ความไวต่ออุณหภูมิ

• การป้อนกลับแสง

• การกระโดดโหมด

• ราคาสูง

สรุป

เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์กึ่งตัวนำที่สร้างแสงที่สอดคล้องกันผ่านกระบวนการปล่อยแบบกระตุ้น มันคล้ายกับไดโอดเปล่งแสง (LED) แต่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าและมีเวลาตอบสนองที่เร็วขึ้น

เลเซอร์ไดโอดประกอบด้วย p-n junction พร้อมกับชั้นภายในที่เป็นกลาง (intrinsic layer) อยู่ระหว่างกลาง ทำให้เกิดโครงสร้าง p-i-n ชั้นภายในที่เป็นกลางเป็นพื้นที่ที่มีการสร้างแสงจากการรวมตัวของอิเล็กตรอนและหลุม

เลเซอร์ไดโอดทำงานโดยการใช้แรงดันไปข้างหน้าที่ p-n junction ซึ่งทำให้กระแสไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสฉีดอิเล็กตรอนจากพื้นที่ n-type และหลุมจากพื้นที่ p-type เข้าสู่ชั้นภายในที่เป็นกลาง ซึ่งที่นั่นพวกมันรวมตัวกันและปล่อยพลังงานในรูปของโฟตอน

บางโฟตอนถูกปล่อยออกมาแบบสุ่มในทิศทางต่างๆ ในขณะที่โฟตอนอื่น ๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่ในโพรงแสงเพื่อปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นกระโดดกลับไปกลับมาระหว่างปลายที่สะท้อนแสง ทำให้เกิดการปล่อยแบบกระตุ้นมากขึ้นและสร้างสถานะของการกลับด้านประชากร ซึ่งมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อสถานะของการกลับด้านประชากรถึงระดับขีดจำกัด การผลิตเลเซอร์แบบคงที่จะเกิดขึ้น ที่นั่นอัตราการปล่อยแบบกระตุ้นเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังการผลิตของเลเซอร์ไดโอดขึ้นอยู่กับกระแสที่ป้อนเข้าและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ขึ้นอยู่กับช่องว่างวงจรของวัสดุกึ่งตัวนำและความยาวของโพรงแสง เลเซอร์ไดโอดสามารถสร้างแสงในหลายส่วนของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่แสงอินฟราเรดจนถึงแสงอัลตราไวโอเลต

เลเซอร์ไดโอดถูกแบ่งออกเป็นประเภทต่างๆ ตามโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังการผลิต และการใช้งาน ประเภทที่พบบ่อยคือ เลเซอร์ไดโอดโหมดเดียว เลเซอร์ไดโอดหลายโหมด เลเซอร์ไดโอดแบบเครื่องกำเนิดหลักและแอมพลิฟายเออร์กำลัง (MOPA) เลเซอร์ไดโอดแบบปล่อยผิวแนวตั้ง (VCSEL) เลเซอร์ไดโอดแบบป้อนกลับกระจาย (DFB) และเลเซอร์ไดโอดแบบโพรงแสงภายนอก (ECDLs) เป็นต้น

เลเซอร์ไดโอดมีการใช้งานที่หลากหลายในหลายสาขาเนื่องจากข้อดีเช่น ขนาดกะทัดรัด ใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความหลากหลายในการใช้งาน บางการใช้งานคือ การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง การสื่อสารด้วยแสง การสแกนด้วยแสง การตรวจจับด้วยแสง การแสดงผลด้วยแสง และการผ่าตัดด้วยแสง

ถึงแม้ว่าจะมีประโยชน์ แต่เลเซอร์ไดโอดก็มีข้อเสียเช่น ความไวต่ออุณหภูมิ การป้อนกลับแสง การกระโดดโหมด และค่าใช้จ่ายสูง