Что такое лазерный диод? Его работа, Конструкция, Типы и Использование

1. Что такое лазерный диод? Лазерный диод - это полупроводниковое устройство, похожее на светодиод (LED)....
2. Поглощение энергии
3. Спонтанное излучение
4. Вынужденная эмиссия
5. Конструкция лазерного диода
6. Типы лазерных диодов
7. Лазерный диод Quantum Well
8. Раздельный конфайнмент гетероструктурный лазерный диод
9. Вертикальный полый лазерный диод (VCSEL)
10. Другие типы
11. Как сделать схему драйвера лазерного диода?

Что такое лазерный диод?

Лазерный диод - это полупроводниковое устройство, похожее на светодиод (LED). Он использует pn-переход для излучения когерентного света, в котором все волны имеют одинаковую частоту и фазу. Этот когерентный свет генерируется лазерным диодом с использованием процесса, называемого «усиление света стимулированным излучением», который сокращенно обозначается как ЛАЗЕР. А поскольку для получения лазерного излучения используется pn-переход, это устройство называется лазерным диодом. Прежде чем мы узнаем больше о процессе работы лазерного диода, давайте посмотрим, как лазерный свет отличается от других типов света, и его преимущества.

Свет от солнечного света или от большинства источников искусственного света содержит волны нескольких длин волн, и они не в фазе друг с другом. Световые волны от монохроматических источников света, таких как лампа накаливания, также не в фазе друг с другом. В отличие от предыдущих источников света, лазерные диоды производят узкий луч лазерного света, в котором все световые волны имеют одинаковые длины волн, и они движутся вместе со своими выровненными пиками. Вот почему лазерные лучи очень яркие и могут быть сфокусированы на очень маленьком пятне.

Из всех устройств, которые производят лазерное излучение, лазерные диоды или полупроводниковые лазеры являются наиболее эффективными и поставляются в небольших упаковках. Поэтому они широко используются в различных устройствах, таких как лазерные принтеры, считыватели штрих-кода, системы безопасности, автономные транспортные средства (LIDAR), оптоволоконные коммуникации и т. Д.

Также читайте о Светоизлучающий диод ,

Как работает лазерный диод?

Работа лазерного диода происходит в три основных этапа:

Поглощение энергии

Лазерный диод состоит из pn-перехода, где существуют дырки и электроны. (Здесь дыра означает отсутствие электрона). Когда определенное напряжение прикладывается к pn-переходу, электроны поглощают энергию и переходят на более высокий энергетический уровень. Отверстия образуются в исходном положении возбужденного электрона. Электроны остаются в этом возбужденном состоянии без рекомбинации с дырками в течение очень малого промежутка времени, называемого «временем рекомбинации» или «временем жизни в верхнем состоянии». Время рекомбинации составляет около наносекунды для большинства лазерных диодов.

Спонтанное излучение

По истечении времени жизни возбужденных электронов в верхнем состоянии они рекомбинируют с дырками. Когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, разница в энергии преобразуется в фотоны или электромагнитное излучение. Этот же процесс используется для получения света в светодиодах. Энергия испущенного фотона определяется разностью двух уровней энергии.

Вынужденная эмиссия

Нам нужно больше когерентных фотонов от лазерного диода, чем излучаемых в процессе самопроизвольного излучения. Частично отражающее зеркало используется по обе стороны от диода, так что фотоны, испускаемые спонтанным излучением, захватываются в pn-переходе, пока их концентрация не достигнет порогового значения. Эти захваченные фотоны стимулируют возбужденные электроны рекомбинировать с дырками еще до времени их рекомбинации. Это приводит к высвобождению большего количества фотонов, которые находятся в точной фазе с исходными фотонами, и поэтому выходной сигнал усиливается. Как только концентрация фотонов становится выше порогового значения, они выходят из частично отражающих зеркал, что приводит к яркому монохроматическому когерентному свету.

Конструкция лазерного диода

Простой полупроводниковый лазерный диод состоит из следующих частей по порядку:

• Металл Контакт
• Материал P-типа
• Активная / Внутренняя Область (Материал N-типа)
• Материал N-типа
• Металл Контакт

Входные клеммы соединены с металлическими пластинами, которые зажаты между слоями n-типа и p-типа. Этот тип лазерного диода также называют «лазерным диодом с гомопереходом». Собственная область между материалом p-типа и n-типа используется для увеличения объема активной области, так что на стыке может накапливаться большее количество дырок и электронов. Это позволяет большему количеству электронов рекомбинировать с дырками в любой момент времени, что приводит к лучшей выходной мощности. Лазерный свет излучается из эллиптической области. Этот луч от лазерного диода может быть дополнительно сфокусирован с помощью оптической линзы. Вся эта конструкция с PIN-диодами (P-типа, встроенного, N-типа) обычно заключена в металлический корпус.

Типы лазерных диодов

Лазерный диод с двойной гетероструктурой

В лазерных диодах этого типа дополнительный удерживающий слой из другого материала расположен между двумя материалами p-типа и n-типа. Каждое соединение между различными материалами называется гетероструктурой. Из-за наличия двух гетероструктур этот тип лазерного диода назван лазерным диодом с двойной гетероструктурой (DH). Преимущество этого лазерного диода DH заключается в том, что активная область ограничена тонким слоем, который обеспечивает лучшее оптическое усиление.

Лазерный диод Quantum Well

Лазерный диод с квантовой ямой имеет очень тонкий средний слой, который действует как квантовая яма. Электроны смогут использовать квантовые энергетические уровни при переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Это дает лучшую эффективность для этого типа лазерного диода.

Раздельный конфайнмент гетероструктурный лазерный диод

Тонкий средний слой в лазерном диоде с квантовыми ямами очень мал для эффективного удержания излучаемого света. Чтобы компенсировать это, в отдельном гетероструктурном лазерном диоде удержания добавляются еще два слоя поверх трех начальных слоев. Эти слои имеют более низкий показатель преломления и помогают эффективно ограничивать излучаемый свет.

Вертикальный полый лазерный диод (VCSEL)

На всех ранее обсуждавшихся лазерных диодах оптический резонатор размещен перпендикулярно потоку тока. Однако в вертикальных резонаторах с лазерным диодом, излучающим поверхность, оптический резонатор расположен вдоль оси протекания тока. Частично отражающие зеркала располагаются вблизи концов оптического резонатора.

Другие типы

• Квантовый лазерный диод
• Межзонный каскадный лазерный диод
• Лазерный диод с брэгговским отражателем
• Лазерный диод с распределенной обратной связью
• Диодный лазер с внешней полостью
• Вертикальный лазерный диод с внешней полостью (VCSEL)

Характеристики лазерного диода PI

Приведенная ниже диаграмма является графическим графиком между выходной оптической мощностью на оси Y и током, поступающим на лазерный диод на оси X.

По мере увеличения тока, протекающего к лазерному диоду, оптическая мощность выходного света постепенно увеличивается до определенного порога. До этого момента большая часть излучаемого света происходит из-за спонтанного излучения. Выше этого порогового тока процесс стимулированного излучения усиливается. Это приводит к значительному увеличению мощности выходного света даже при небольшом увеличении входного тока. Выходная оптическая мощность также зависит от температуры и уменьшается с понижением температуры.

Как сделать схему драйвера лазерного диода?

Лазерные диоды требуют сложных схем возбуждения, которые включают в себя петли обратной связи путем измерения выходной оптической мощности, температуры, напряжения и входного тока. Но для управления лазерным диодом, используемым в приложениях, где высокая точность не требуется, можно создать простую схему управления лазерным диодом, используя ИС регулятора напряжения LM317. Ниже приведена схема.

LM317 сконфигурирован для работы в качестве источника постоянного тока. Выходной ток зависит от значения сопротивления между Vout и Vadj LM317 (Pin2 и Pin1). Таким образом, регулировка потенциометра 100R изменит выходной ток, который течет в лазерный диод. Резистор 10R используется для предотвращения протекания больших токов, когда значение потенциометра 100R равно нулю. Конденсатор 47 мкФ используется для поглощения любых скачков напряжения батареи.

Лазерные диодные модули используются во всех основных областях электроники, начиная от

• Бытовая электроника : CD / DVD-плееры, лазерные принтеры, оптоволоконная связь, считыватели штрих-кода и т. Д.
• Медицинские машины : лазерные диоды используются в машинах, используемых для удаления нежелательных тканей, устранения раковых клеток, неинвазивных операций и операций по удалению катаракты и т. Д.
• Автономные транспортные средства : лазерные диодные технологии используются при создании систем LIDAR для автономного вождения.
• Научные приборы : Лазеры используются в устройствах, используемых для дистанционных бесконтактных измерений, спектрометрии, дальномеров и т. Д.
• Промышленное применение : лазерные диоды используются в качестве источника высокоинтенсивного лазерного луча для точной резки материалов. Они также используются в 3D-печати для смягчения подложки.

Похожие

Комментарии