Laser diodowy to laser półprzewodnikowy, który emituje światło. Laser składa się z fotonów, które są emitowane z kryształu półprzewodnikowego. Działa on poprzez emisję fotonów w trybie impulsowym. Laser może być wykorzystywany do wielu zastosowań.
Laser półprzewodnikowy emitujący fotony
Laser półprzewodnikowy to urządzenie emitujące światło, które wytwarza fotony. Emisja fotonów zależy od długości fali światła. Długość fali emitującego fotony lasera półprzewodnikowego zależy od materiału, z którego jest on wykonany. Do stworzenia lasera można wykorzystać kilka różnych rodzajów półprzewodników – te dane są udostępnione przez portal skalowaniebiznesu.pl.
Laser półprzewodnikowy działa poprzez pompowanie elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa. Odbywa się to albo optycznie, albo przez zastosowanie przedniego prądu elektrycznego. Technologia ta ma duże znaczenie, ponieważ może być pompowana prądem o natężeniu kilkudziesięciu miliamperów.
Laser półprzewodnikowy ma podstawową częstotliwość oscylacji, która jest bliska częstotliwości oscylacji relaksacyjnej. Po niej następują stany o wyższej częstotliwości, a te wyższe częstotliwości są widoczne jako wyższe harmoniczne na wyjściu lasera. Lasery półprzewodnikowe emitujące fotony z optycznym sprzężeniem zwrotnym mogą wykazywać bifurkację quasi-okresową, która zależy od parametrów chaosu.
Oprócz długości fali emisji, widmo emisji lasera półprzewodnikowego może być dostrajane. Różne półprzewodniki mają różne przerwy między pasmem walencyjnym i przewodnictwa. Ta różnica energii nazywana jest przerwą pasmową. Dostosowując szerokość pasma, półprzewodniki mogą pokrywać szeroki zakres długości fal.
Laser półprzewodnikowy emitujący fotony może być jedno- lub wielomodowy. Laser jednomodowy może działać na jednym trybie podłużnym, natomiast laser dwumodowy może działać na wielu trybach podłużnych. Lasery jednomodowe wymagają zwykle zastosowania powłok antyrefleksyjnych.
Lasery półprzewodnikowe emitujące fotony zostały po raz pierwszy opracowane w latach 60. XX wieku. Oparte były na strukturze heterozłącza p-n. Dzięki temu półprzewodnik p-n ma dużą gęstość nośników w obszarze czynnym.
Podwójna heterostruktura
Laser diodowy o podwójnej heterostrukturze to rodzaj lasera z dwoma regionami aktywnymi. Jeden z regionów aktywnych jest zbudowany z kryształu półprzewodnika, a drugi z rozszczepionego lustra. Właściwości optyczne podwójnego heterostrukturalnego lasera diodowego są zasadniczo takie same jak w przypadku pojedynczego heterostrukturalnego lasera diodowego. Pomimo podobieństw oba typy różnią się pod kilkoma względami.
Po pierwsze, podwójna heterostruktura posiada dwie warstwy kryształów półprzewodnikowych o różnych przerwach pasmowych. Ten typ struktury umożliwia laserowi bardziej wydajny strumień światła. Struktura ta poprawia wydajność elektronów przewodnictwa poprzez umożliwienie elektronom z jednego typu półprzewodnika przedostanie się do drugiego. W ten sposób rekombinują one w półprzewodniku wewnętrznym, emitując fotony.
Lasery te mają wiele zastosowań. Niektóre są tanie, jak np. te używane w laserowej spektrometrii absorpcyjnej. Inne są używane do celów przemysłowych, takich jak spawanie, platerowanie i obróbka cieplna. Ponadto, lasery te są przydatne jako urządzenia pompujące dla innych laserów.
Podwójne heterostrukturalne lasery diodowe są zaprojektowane tak, aby były wysoce wydajne i mają zdolność do osiągania niezwykle wysokich poziomów mocy. Jednym z popularnych typów podwójnego heterostrukturalnego lasera diodowego jest laser z studnią kwantową. Ten typ lasera wykorzystuje dwa różne rodzaje półprzewodników dla regionu aktywnego, przy czym każda warstwa ma nieco inny współczynnik załamania światła.
Innym typem lasera DFB jest laser z rozłożonym reflektorem Bragga. Laser DFB posiada wnękę optyczną, region wzmocnienia i lustro selektywne długości fali. Region wzmocnienia w jednoczęstotliwościowym laserze DFB jest preferowany w stosunku do wielu trybów. Laser DFB jest szeroko stosowany w komunikacji optycznej. Ten typ lasera jest stabilny i ma wąską szerokość linii.
Proces emisji stymulowanej
Proces emisji stymulowanej lasera to proces generowania światła laserowego poprzez wzbudzenie półprzewodnika. Jego długość fali zależy od przerwy pasmowej półprzewodnika i trybów wnęki optycznej. Gdy fotony o energii powyżej przerwy pasmowej przechodzą przez półprzewodnik, uzyskują maksymalną energię. Gdy dioda jest silnie wysterowana, mogą być generowane dodatkowe tryby boczne. Niektóre diody laserowe pracują na jednej długości fali, podczas gdy inne zmieniają długość fali w wyniku wahań temperatury i prądu.
Emisja stymulowana jest bardzo ważnym aspektem działania lasera diodowego. Jest to proces, dzięki któremu lasery są tak efektywne. W procesie tym zewnętrzne źródło energii indukuje ponad 50% atomów w stanie podstawowym do przejścia w stan wzbudzony. Wzbudzone atomy emitują następnie własne fotony, zwiększając natężenie światła wejściowego.
W procesie emisji pobudzającej dochodzi do rekombinacji pomiędzy elektronami i dziurami, które mogły współistnieć bez rekombinacji. Rekombinacja ta uwalnia energię w postaci fotonów o energii równej różnicy między stanami elektronu i dziury. W konwencjonalnych półprzewodnikowych diodach junction proces ten skutkuje generacją fotonów o jednakowej polaryzacji i częstotliwości. Rekombinacja ta skutkuje również generacją drgań sieciowych.
Jednowarstwowa struktura lasera diodowego jest mało wydajna i wymaga dużej mocy do uzyskania pracy impulsowej. Ten typ lasera można uczynić bardziej wydajnym poprzez umieszczenie materiału o niskiej przerwie między dwoma warstwami o wysokiej przerwie, takimi jak arsenek galu lub arsenek galu. Proces ten znany jest jako heterostruktura.
Prąd progowy
Gęstość prądu progowego w laserze diodowym jest proporcjonalna do jego temperatury. Jeśli gęstość prądu progowego jest niewrażliwa na temperaturę, urządzenie nie będzie wymagało chłodzenia, które może być kosztowne i nieekonomiczne. Różne procesy przyczyniają się do gęstości prądu progowego, w tym rekombinacja barierowa, rekombinacja Augera i wyciek nośników z obszaru zamkniętego. Dryf i dyfuzja również odgrywają rolę w gęstości prądu progowego.
Przy zakupie lasera diodowego należy upewnić się, że jest on stabilny termicznie, a system regulacji termicznej jest odpowiedni dla diody laserowej i otaczającego ją środowiska. Ten system regulacji termicznej powinien być wystarczająco duży, aby pochłaniać ciepło z diody laserowej i odprowadzać je do otoczenia. Jeśli jest zbyt mały, może spowodować ucieczkę termiczną.
Innym czynnikiem, który należy wziąć pod uwagę, jest poziom sprzężenia zwrotnego, które może wystąpić. Podczas pracy w pobliżu maksymalnej mocy wyjściowej laser może być narażony na odbicia, które mogą uszkodzić układ scalony diody laserowej. Aby zapobiec temu problemowi, należy stosować zasilacz prądowy, który został zaprojektowany specjalnie dla diod laserowych.
W celu porównania laserów diodowych należy również upewnić się, że gęstość prądu progowego jest porównywalna w różnych diodach laserowych. Dzieje się tak dlatego, że progowa gęstość prądu zależy od długości wnęki diody laserowej. Ponadto, wzrost prądu progowego o jeden nanometr może spowodować znaczny wzrost mocy wyjściowej. Może to spowodować gwałtowne przekroczenie przez laser wartości krytycznej dla optycznej mocy wyjściowej. W związku z tym konieczne jest stosowanie środków chłodzących, aby zapewnić stabilność i długą pracę diody laserowej.
Gęstość prądu progowego lasera diodowego można zmierzyć poprzez wstrzyknięcie prądu do urządzenia. Wynikiem tego pomiaru jest krzywa znana jako krzywa L.I. Gdy prąd wzrasta, dioda laserowa najpierw emituje promieniowanie spontaniczne, a następnie emituje promieniowanie pobudzone. Jest to początek akcji laserowej. Gęstość prądu progowego (Ith) to poziom prądu elektrycznego potrzebny do zmiany trybu emisji lasera ze spontanicznego na stymulowany.
Materiały stosowane do tworzenia laserów diodowych
Lasery diodowe są urządzeniami emitującymi światło, w których materiałem jest półprzewodnik. Urządzenia te mogą emitować światło i ciepło przy dużych mocach. Jest to możliwe dzięki zastosowaniu napięcia stałego. Swobodne elektrony są przepychane przez złącze diody przez to napięcie stałe, a niektóre z nich będą oddziaływać z elektronami walencyjnymi w materiale typu n, podczas gdy inne będą rekombinować z dziurami w półprzewodniku typu p. Proces ten znany jest jako emisja spontaniczna.
Głównym materiałem używanym do tworzenia laserów diodowych jest półprzewodnik z przerwą pasmową pomiędzy półprzewodnikiem typu p a półprzewodnikiem typu n. Materiał ten nazywany jest diodą i posiada kilka właściwości, które czynią go idealnym do tego zastosowania. Laser diodowy musi również zawierać rezonator optyczny umieszczony w płaszczyźnie światła wyjściowego.
Nośnik wzmocnienia określa długość fali lasera i inne właściwości. Media wzmacniające mogą być liniowe lub szerokie, co pozwala operatorowi na precyzyjne dostrojenie częstotliwości lasera. Ośrodek wzmocnienia może składać się z półprzewodnika, diody lub VCSEL.
Nowoczesne lasery diodowe są wykonane z kilku różnych materiałów, ale ich podstawowa struktura pozostaje taka sama. Generują one światło poprzez serię elektronów i fotonów w złączu p-n, podobnym do konwencjonalnej diody jarzeniowej. W przeciwieństwie do wcześniejszych diod, dzisiejsze diody są zaprojektowane tak, aby wytwarzać wiele długości fali jednocześnie.
Długość fali i natężenie laserów diodowych zależą od długości fali światła i gęstości zanieczyszczeń w materiale. Zmiana szerokości złącza lub kierunku kryształu powoduje poprawę długości fali i czasu życia lasera.
Podobne tematy