Що таке лазерний діод?

Що таке лазерна діода?

Визначення лазерної діоди

Лазерна діода визначається як діода, яка може генерувати лазерне світло при електричному насиченні струмом. Вона складається з p-n переходу з додатковим внутрішнім шаром посередині, що формує p-i-n структуру. Внутрішній шар є активною зоною, де світло генерується через рекомбінацію електронів та дірок.

Регіони p-типу та n-типу сильно доповнюються забруднювачами для створення надлишкових носіїв заряду, а внутрішній шар не доповнюється або слабко доповнюється, щоб дозволити оптичне зміцнення. Кінці внутрішнього шару покриваються відбивальними матеріалами, один повністю відбивальний, а інший частково відбивальний, для формування оптичного резонатора, який утримує світло та підвищує стимульоване випромінювання.

Стимульоване випромінювання відбувається, коли входячий фотон спричиняє ексцитований електрон опуститися на нижчий енергетичний рівень та видати інший фотон, який ідентичний входячому за частотою, фазою, поляризацією та напрямком. Таким чином, кількість фотонів у резонаторі зростає експоненціально, створюючи когерентний промінь світла, який виходить через частково відбивальний кінець.

Довжина хвилі лазерного світла змінюється зі зростанням бандажного перетворення півпровідникового матеріалу та довжиною оптичного резонатора, що дозволяє випромінювання в різних діапазонах електромагнітного спектру, від інфрачервоного до ультрафіолетового.

Механізм роботи

Лазерна діода працює за рахунок застосування прямого напруги до p-n переходу, що спричиняє потік струму через пристрій. Струм вводить електрони з регіону n-типу та дірики з регіону p-типу до внутрішнього шару, де вони рекомбінуються та виділяють енергію у вигляді фотонів.

Деякі з цих фотонів випромінюються спонтанно у випадкових напрямках, а інші стимулюються існуючими фотонами у резонаторі, щоб видати фотони у фазі з ними. Стимульовані фотони відбиваються між відбивальними кінцями, спричиняючи більше стимульованого випромінювання та створюючи перевищений стан популяції, де більше ексцитованих електронів, ніж невекситованих.

Коли перевищений стан популяції досягає порогового рівня, досягається стаціонарний вивід лазера, де швидкість стимульованого випромінювання дорівнює швидкості втрат фотонів через передачу або поглинання. Вивідна потужність лазерної діоди залежить від вхідного струму та ефективності пристрою.

Вивідна потужність залежить від температури пристрою; вищі температури знижують ефективність та підвищують пороговий струм, що вимагає систем охолодження для оптимальної продуктивності.

Типи лазерних діод

Лазерні діоди класифікуються на різні типи залежно від їхньої структури, режиму роботи, довжини хвилі, вивідної потужності та застосування. Деякі з поширених типів:

• Одномодові лазерні діоди

• Багатомодові лазерні діоди

• Лазерні діоди з основним осцилятором та підсилювачем (MOPA)

• Лазерні діоди з вертикальним резонатором поверхневого випромінювання (VCSEL)

• Лазерні діоди з розподіленим зворотним зв'язком (DFB)

• Зовнішньорезонаторні діодні лазери (ECDLs)

Застосування лазерних діод

• Оптичне зберігання

• Оптична зв'язок

• Оптичне сканування

• Оптичне зондування

• Оптичні дисплеї

• Оптичні операції

Переваги лазерних діод

• Компактні розміри

• Низьке споживання енергії

• Висока ефективність

• Довгий термін служби

• Універсальність

Недоліки лазерних діод

• Чутливість до температури

• Оптичний зворотний зв'язок

• Перескок режимів

• Вартість

Підсумок

Лазерна діода — це напівпровідниковий прилад, який виробляє когерентне світло шляхом стимульованого випромінювання. Вона схожа на світлодіод (LED), але має більш складну структуру та швидку реакцію.

Лазерна діода складається з p-n переходу з додатковим внутрішнім шаром посередині, що формує p-i-n структуру. Внутрішній шар є активною зоною, де світло генерується через рекомбінацію електронів та дірок.

Лазерна діода працює за рахунок застосування прямого напруги до p-n переходу, що спричиняє потік струму через пристрій. Струм вводить електрони з регіону n-типу та дірики з регіону p-типу до внутрішнього шару, де вони рекомбінуються та виділяють енергію у вигляді фотонів.

Деякі з цих фотонів випромінюються спонтанно у випадкових напрямках, а інші стимулюються існуючими фотонами у резонаторі, щоб видати фотони у фазі з ними. Стимульовані фотони відбиваються між відбивальними кінцями, спричиняючи більше стимульованого випромінювання та створюючи перевищений стан популяції, де більше ексцитованих електронів, ніж невекситованих.

Коли перевищений стан популяції досягає порогового рівня, досягається стаціонарний вивід лазера, де швидкість стимульованого випромінювання дорівнює швидкості втрат фотонів через передачу або поглинання. Вивідна потужність лазерної діоди залежить від вхідного струму та ефективності пристрою.

Довжина хвилі лазерного світла залежить від ширини забороненої зони напівпровідникового матеріалу та довжини оптичного резонатора. Лазерні діоди можуть виробляти світло в різних діапазонах електромагнітного спектру, від інфрачервоного до ультрафіолетового.

Лазерні діоди класифікуються на різні типи залежно від їхньої структури, режиму роботи, довжини хвилі, вивідної потужності та застосування. Деякі з поширених типів: одномодові лазерні діоди, багатомодові лазерні діоди, лазерні діоди з основним осцилятором та підсилювачем (MOPA), лазерні діоди з вертикальним резонатором поверхневого випромінювання (VCSEL), лазерні діоди з розподіленим зворотним зв'язком (DFB), зовнішньорезонаторні діодні лазери (ECDLs) тощо.

Лазерні діоди мають широкий спектр застосувань у різних галузях завдяки своїм перевагам, таким як компактні розміри, низьке споживання енергії, висока ефективність, довгий термін служби та універсальність. Деякі з їхніх застосувань: оптичне зберігання, оптична зв'язок, оптичне сканування, оптичне зондування, оптичні дисплеї та оптичні операції.

Незважаючи на свої переваги, лазерні діоди мають недоліки, такі як чутливість до температури, оптичний зворотний зв'язок, перескок режимів та високі витрати.