Lazer diyotu nedir?

Lazer Diodu Nedir?

Lazer Diodu Tanımı

Lazer diodu, elektrik akımıyla beslendiğinde lazer ışığı üretebilen bir diod olarak tanımlanır. Bir p-n ekleminin arasına ek bir içsel katmanı içererek, p-i-n yapısını oluşturur. İçsel katman, elektronlar ve deliklerin yeniden birleşmesiyle ışığın üretilen aktif bölgedir.

P-tipi ve n-tipi bölgeler, fazla taşıyıcı oluşturmak için impüritlerle yoğun bir şekilde doygunlaştırılırken, içsel katman optik amplifikasyonu sağlamak için doygunlaştırılmamış veya hafif doygunlaştırılmıştır. İçsel katmanın uçları, ışığı tuzağa düşürerek ve uyarılmış yayılımı artıran tamamen yansıyan ve kısmen yansıyan malzemelerle kaplanır.

Uyarılmış yayılım, gelen bir fotonun uyarılmış bir elektronu daha düşük enerji seviyesine düşürmesi ve gelen fotonun frekansı, fazı, polarizasyonu ve yönüyle aynı olan başka bir foton yaratması ile gerçekleşir. Bu şekilde, kavite içindeki foton sayısı üssel olarak artar ve kısmen yansıyan ucu aracılığıyla çıkan tutarlı bir ışık demeti oluşturur.

Lazer ışığının dalga boyu, yarıiletken malzemenin bant boşluğu ve optik kavitinin uzunluğuyla değişir, bu da kızılötesinden ultraviyoleye kadar elektromanyetik spektrumda yayılmasına olanak tanır.

İşleyiş Mekanizması

Bir lazer diodu, cihazdan geçişli bir akım akışına neden olacak şekilde p-n eklemine ileri yönde bir gerilim uygulayarak çalışır. Akım, n-tipi bölgesinden elektronları ve p-tipi bölgesinden delikleri içsel katmana enjekte eder, burada onlar yeniden birleşir ve fotonlar şeklinde enerjiyi serbest bırakır.

Bu fotonlardan bazıları rastgele yönlerde spontane olarak yayılırken, diğerleri kavitedeki mevcut fotonlar tarafından onlarla fazda yayılır. Uyarılmış fotonlar yansıtıcı uçlar arasında gidip gelir, daha fazla uyarılmış yayılıma neden olur ve uyarılmış elektronların sayısının non-uyarılmış elektronlardan fazla olduğu bir popülasyon ters çevrimesi oluşturur.

Popülasyon ters çevrimesi belirli bir eşik seviyesine ulaştığında, sabit durum lazer çıkışı elde edilir, burada uyarılmış yayılım oranı foton kaybı oranı (iletim veya soğuruma bağlı) ile eşittir. Lazer diodun çıkış gücü, giriş akımı ve cihazın verimliliğine bağlıdır.

Çıkış güç, cihaz sıcaklığına bağlıdır; daha yüksek sıcaklıklar verimliliği azaltır ve eşik akımını artırır, bu nedenle optimal performans için soğutma sistemleri gerekir.

Lazer Diodu Türleri

Lazer diodları, yapılarına, çalışma modlarına, dalga boyuna, çıkış gücüne ve uygulamalarına göre farklı türler halinde sınıflandırılır. Bazı yaygın türler şunlardır:

• Tek modlu lazer diodları

• Çok modlu lazer diodları

• Ana osilatör güç amplifikatörü (MOPA) lazer diodları

• Dikey kavite yüzey emiten lazer (VCSEL) diodları

• Dağıtılmış geri besleme (DFB) lazer diodları

• Dış kavite diod lazerleri (ECDL'ler)

Lazer Diodu Uygulamaları

• Optik depolama

• Optik iletişim

• Optik tarama

• Optik algılama

• Optik gösterge

• Optik cerrahi

Lazer Diodu Avantajları

• Kompakt boyut

• Düşük enerji tüketimi

• Yüksek verimlilik

• Uzun ömür

• Çok yönlülük

Lazer Diodu Dezavantajları

• Sıcaklık hassasiyeti

• Optik geri besleme

• Mod atlama

• Maliyet

Özet

Lazer diodu, uyarılmış yayılım süreciyle tutarlı ışık üreten bir yarıiletken cihazdır. Işık yayan diod (LED) gibi olsa da, daha karmaşık bir yapıya ve daha hızlı tepki süresine sahiptir.

Lazer diodu, ek bir içsel katmanı içeren bir p-n eklemini içerir ve böylece p-i-n yapısını oluşturur. İçsel katman, elektronlar ve deliklerin yeniden birleşmesiyle ışığın üretilen aktif bölgedir.

Lazer diodu, cihazdan geçişli bir akım akışına neden olacak şekilde p-n eklemine ileri yönde bir gerilim uygulayarak çalışır. Akım, n-tipi bölgesinden elektronları ve p-tipi bölgesinden delikleri içsel katmana enjekte eder, burada onlar yeniden birleşir ve fotonlar şeklinde enerjiyi serbest bırakır.

Bu fotonlardan bazıları rastgele yönlerde spontane olarak yayılırken, diğerleri kavitedeki mevcut fotonlar tarafından onlarla fazda yayılır. Uyarılmış fotonlar yansıtıcı uçlar arasında gidip gelir, daha fazla uyarılmış yayılıma neden olur ve uyarılmış elektronların sayısının non-uyarılmış elektronlardan fazla olduğu bir popülasyon ters çevrimesi oluşturur.

Popülasyon ters çevrimesi belirli bir eşik seviyesine ulaştığında, sabit durum lazer çıkışı elde edilir, burada uyarılmış yayılım oranı foton kaybı oranı (iletim veya soğuruma bağlı) ile eşittir. Lazer diodun çıkış gücü, giriş akımı ve cihazın verimliliğine bağlıdır.

Lazer ışığının dalga boyu, yarıiletken malzemenin bant boşluğu ve optik kavitinin uzunluğuyla değişir. Lazer diodları, kızılötesinden ultraviyoleye kadar elektromanyetik spektrumda ışık üretebilir.

Lazer diodları, yapılarına, çalışma modlarına, dalga boyuna, çıkış gücüne ve uygulamalarına göre farklı türler halinde sınıflandırılır. Bazı yaygın türler tek modlu lazer diodları, çok modlu lazer diodları, ana osilatör güç amplifikatörü (MOPA) lazer diodları, dikey kavite yüzey emiten lazer (VCSEL) diodları, dağıtılmış geri besleme (DFB) lazer diodları, dış kavite diod lazerleri (ECDL'ler) vb. dir.

Lazer diodları, kompakt boyut, düşük enerji tüketimi, yüksek verimlilik, uzun ömür ve çok yönlülük gibi avantajlarından dolayı çeşitli alanlarda geniş bir uygulama alanına sahiptir. Bazı uygulamaları optik depolama, optik iletişim, optik tarama, optik algılama, optik gösterge ve optik cerrahidir.

Faydalarına rağmen, lazer diodları sıcaklık hassasiyeti, optik geri besleme, mod atlama ve yüksek maliyet gibi dezavantajlarına sahiptir.