Δίοδος Λέιζερ – Ορισμός, Χαρακτηριστικά και Εφαρμογές

Η σημερινή τεχνολογία φωτονικής βασίζεται σε μεγάλο βαθμό στις διόδους LASER. Το LASER σημαίνει «Ενίσχυση φωτός με διεγερμένη εκπομπή ακτινοβολίας». Μια δίοδος λέιζερ υψηλής ισχύος είναι μια δίοδος σύνδεσης PN που παράγει ακτινοβολία λέιζερ όταν εφαρμόζεται ρεύμα προς την κατεύθυνση προς τα εμπρός. Τα οπτικά και ηλεκτρικά χαρακτηριστικά των ημιαγωγών υλικών και των συνδέσεων PN είναι ο τρόπος λειτουργίας αυτών των διόδων. Σε αντίθεση με τις δίοδοι εκπομπής φωτός, οι οποίες απελευθερώνουν φως αυθόρμητα, αυτή η δίοδος εκπέμπει συνεκτικό φως μέσω διεγερμένης εκπομπής. Σε αντίθεση με τα LED, το LASER εκπέμπει φως πιο λογικά, αλλά τα συστατικά και των δύο διόδων είναι τα ίδια. Ανάλογα με τη σύνθεση του ενεργού στρώματος, αυτές οι δίοδοι έχουν μήκη κύματος που κυμαίνονται από ορατό έως υπέρυθρο.

Το άρθρο καλύπτει μια περίληψη της διόδου λέιζερ, των εφαρμογών, των χαρακτηριστικών και των πλεονεκτημάτων και μειονεκτημάτων της.

Ορισμός

Η δίοδος λέιζερ είναι ένας ημιαγωγός που χρησιμοποιείται για την παραγωγή συνεκτικού φωτός υψηλής έντασης χρησιμοποιώντας μια τεχνική παρόμοια με την Ενίσχυση Φωτός με Διεγερμένη Εκπομπή Ακτινοβολίας (LASER). Το συνεκτικό φως, σε αυτό το πλαίσιο, αναφέρεται σε φωτεινά σήματα που παράγονται από τη συσκευή με την ίδια συχνότητα και φάση. Παρόμοια με τα LED, αυτή η δίοδος λειτουργεί με την έννοια της διεγερμένης εκπομπής.

Αν και τα κύματα στο ηλιακό φως και οι λαμπτήρες φθορισμού έχουν διαφορετικά μήκη κύματος, δεν είναι συγχρονισμένα. Ωστόσο, αυτές οι δίοδοι παράγουν μια λεπτή δέσμη φωτός λέιζερ στην οποία κάθε φωτεινό σήμα έχει το ίδιο μήκος κύματος και κινείται ομόφωνα.

Επειδή τα λέιζερ είναι τόσο έντονα, μπορούν να εστιάσουν σε πολύ μικρές περιοχές. Αυτά χρησιμοποιούνται σε διάφορα gadget, όπως ραντάρ, συστήματα ασφαλείας, εκτυπωτές λέιζερ, συσκευές ανάγνωσης γραμμωτού κώδικα και FOC (επικοινωνίες οπτικών ινών). Συνήθως, η θερμοκρασία μιας διόδου λέιζερ κυμαίνεται μεταξύ 20 και 25 °C.

Το ξέρατε; Ένα μόνο πέρασμα της διόδου λέιζερ 10W μπορεί να κόψει 4-5 χιλιοστά κόντρα πλακέ, ξύλο ή ακρυλικό.

 Σύμβολο

Το σύμβολο για μια δίοδο λέιζερ είναι

Κατασκευή

Η κατασκευή μιας μονάδας λέιζερ περιλαμβάνει τη χρήση διαφορετικών υλικών όπως μεταλλικές επαφές, υλικά τύπου p, υλικά τύπου n και εγγενείς στρώσεις. Οι ακροδέκτες εισόδου αυτής της συσκευής συνδέονται σε μεταλλικές πλάκες που εισάγονται στα στρώματα τύπου n και τύπου p. Αυτές οι δίοδοι λέιζερ υψηλής ισχύος ονομάζονται επίσης Διόδους Λέιζερ Homojunction.

Χρησιμοποιείται μια εγγενής περιοχή μεταξύ των ημιαγωγών τύπου p και τύπου n για να μεγιστοποιηθεί η χωρητικότητα της θέσης μετάβασης και να επιτραπεί η συσσώρευση περισσότερων φορέων φορτίου στη διασταύρωση.

Βελτιώνει την ισχύ εξόδου επιτρέποντας σε πολλαπλά ηλεκτρόνια να αλληλεπιδρούν μέσω οπών ταυτόχρονα. Ένας οπτικός φακός εστιάζει το φως λέιζερ που παράγεται από την ελλειπτική περιοχή. Συνήθως, μια μεταλλική θήκη περιβάλλει ολόκληρη τη διαμόρφωση της διόδου PIN.

Δίοδος λέιζερ:Τύποι

Οι δίοδοι λέιζερ είναι διαθέσιμες σε διάφορες ποικιλίες, συμπεριλαμβανομένων των παρακάτω.

Διπλή ετεροδομή

Σε αυτή τη μορφή διόδου, μια Ετεροδομή που μοιάζει με ουσία τοποθετείται μεταξύ υλικών τύπου p και n. Δεδομένης της παρουσίας ουσιών ετεροδομής, αυτό το είδος διόδου αναφέρεται ως δίοδος λέιζερ διπλής ετεροδομής. Το κύριο πλεονέκτημά του είναι ότι το ενεργό τμήμα αυτής της διόδου μπορεί να χρησιμοποιηθεί για βελτιωμένη οπτική ενίσχυση.

Κβαντικό πηγάδι

Μια άλλη δίοδος λέιζερ υψηλής ισχύος είναι όπου το στρώμα κβαντικού φρεατίου υπάρχει στο κέντρο της συσκευής. Η κβαντική ενέργεια χρησιμοποιείται κυρίως για τη μετάβαση ηλεκτρονίων και άλλων φορέων φορτίου από υψηλότερες σε χαμηλότερες ενέργειες, γεγονός που οδηγεί σε αυξημένη αποτελεσματικότητα.

Ετεροδομή χωριστού περιορισμού

Ένα λεπτό ενδιάμεσο στρώμα σε διόδους λέιζερ κβαντικών πηγαδιών δημιουργεί αποτελεσματικό περιορισμό του φωτός. Δύο επιπλέον στρώματα προστίθενται στα αρχικά τρία στρώματα για να εξισορροπηθεί αυτό σε κάθε διαφορετική δίοδο λέιζερ. Αυτά τα στρώματα βοηθούν στον αποτελεσματικό περιορισμό του παραγόμενου φωτός, καθώς έχουν χαμηλότερο δείκτη διάθλασης.

Εκπομπή επιφάνειας κάθετης κοιλότητας

Σε όλες τις προαναφερθείσες διόδους λέιζερ, η οπτική κοιλότητα είναι τοποθετημένη κάθετα προς την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος. Ωστόσο, η οπτική κοιλότητα στην επιφάνεια της κάθετης κοιλότητας που εκπέμπει διόδους λέιζερ είναι τοποθετημένη παράλληλα με την κατεύθυνση της ροής του ρεύματος. Τα μερικώς ανακλαστικά κάτοπτρα τοποθετούνται κοντά στα άκρα της οπτικής κοιλότητας.

Άλλοι τύποι διόδων λέιζερ

• Δίοδος Laser Cascade Interband
• Λέιζερ διόδων εξωτερικής κοιλότητας
• Quantum Cascade Laser Diode
• Δίοδος λέιζερ κατανεμημένης ανάδρασης
• Κατανεμημένη δίοδος λέιζερ ανακλαστή Bragg
• Δίοδος λέιζερ που εκπέμπει κάθετη εξωτερική επιφάνεια κοιλότητας (VCSEL)

Πλεονεκτήματα

Τα παρακάτω είναι μερικά από τα πλεονεκτήματα των διόδων λέιζερ.

• Η ισχύς λειτουργίας του λέιζερ είναι χαμηλή σε σύγκριση με άλλες διόδους.
• Αυτές οι δίοδοι είναι σχετικά απλοί στον χειρισμό.
• Μπορεί κανείς να δημιουργήσει ένα φως υψηλής απόδοσης.
• Η χρήση ενέργειας είναι ελάχιστη.
• Το κόστος παραγωγής και λειτουργίας είναι χαμηλότερο.
• Μεγάλη αντοχή
• Εξαιρετικά αξιόπιστο

Μειονεκτήματα

Τα παρακάτω είναι μερικά από τα μειονεκτήματα των διόδων λέιζερ.

• Είναι ακριβότερο σε σύγκριση με άλλες διόδους.
• Οι ακτίνες λέιζερ είναι ιδιαίτερα επικίνδυνες για τα μάτια.
• Είναι ευαίσθητα στη θερμοκρασία. όταν η θερμοκρασία αυξάνεται, θα επηρεάσει τη λειτουργία της διόδου.
• οι εφαρμογές υψηλής ισχύος δεν είναι κατάλληλες.

 Εφαρμογές

Οι δίοδοι λέιζερ χρησιμοποιούνται σε κάθε σημαντικό τομέα των ηλεκτρονικών, συμπεριλαμβανομένων:

• Ηλεκτρονικά είδη καταναλωτή:Μερικά κοινά παραδείγματα εφαρμογής διόδων λέιζερ περιλαμβάνουν συσκευές αναπαραγωγής CD/DVD, συσκευές ανάγνωσης γραμμωτού κώδικα, εκτυπωτές λέιζερ, επικοινωνία οπτικών ινών κ.λπ.
• Ιατρικός εξοπλισμός:Οι δίοδοι λέιζερ χρησιμοποιούνται για μη επεμβατικές επεμβάσεις καταρράκτη, αφαίρεση καρκινικών κυττάρων και άλλες ιατρικές διαδικασίες.
• Αυτόνομα οχήματα:Τα συστήματα LIDAR που χρησιμοποιούνται για αυτόνομη οδήγηση κατασκευάζονται με τεχνολογία διόδων λέιζερ.
• Επιστημονικά όργανα:Τα λέιζερ χρησιμοποιούνται σε επιστημονικά όργανα όπως αποστασιομετρητές, φασματομετρικά όργανα και απομακρυσμένο εξοπλισμό μέτρησης χωρίς επαφή.
• Βιομηχανικές Εφαρμογές:Αυτές περιλαμβάνουν την κοπή ακριβείας υλικών με χρήση ακτίνων λέιζερ υψηλής έντασης που παράγονται από διόδους λέιζερ. Στην τρισδιάστατη εκτύπωση, χρησιμοποιούνται επίσης για να μαλακώσουν την ουσία.

Χαρακτηριστικά

Χαρακτηριστικά L-I

• Η φωτεινή ενέργεια αυξάνεται με την αύξηση του ρεύματος λέιζερ, αλλά εξαρτάται από τη θερμοκρασία.
• Ομοίως, το διάγραμμα δείχνει ότι η ενέργεια λέιζερ αυξάνεται μετά από ένα συγκεκριμένο κατώφλι ρεύμα λέιζερ. Η τιμή κατωφλίου ρεύματος λέιζερ αυξάνεται σημαντικά με τη θερμοκρασία.
• Με λίγα λόγια, η τιμή κατωφλίου του ρεύματος λέιζερ κατά τη διάρκεια του οποίου εκπέμπεται φωτεινή ενέργεια αυξάνεται με τη θερμοκρασία. Δεδομένου ότι δεν υπάρχει φωτεινή ενέργεια πέρα ​​από αυτό το όριο, η δίοδος λέιζερ πρέπει να οδηγηθεί μέχρι την τιμή κατωφλίου ρεύματος λέιζερ.
• Η τιμή κατωφλίου ρεύματος λέιζερ πρέπει να προσδιοριστεί για να διασφαλιστεί η αξιόπιστη λειτουργία.

Χαρακτηριστικά V-I

Η αρχική τάση ισχύος μιας διόδου λέιζερ είναι συνήθως 1,5 V. η θερμοκρασία λειτουργίας επηρεάζει την μπροστινή τάση.

Το συνημμένο διάγραμμα δείχνει πώς η τάση επηρεάζει το ρεύμα σε μια δίοδο.

Στα χαρακτηριστικά που αναφέρθηκαν παραπάνω, η οριζόντια γραμμή ορίζει το ρεύμα, ενώ η κάθετη γραμμή την οπτική ισχύ του παραγόμενου φωτός. Επομένως, με βάση αυτά τα χαρακτηριστικά, είναι σαφές ότι αφού η ισχύς φτάσει στην τάση κατωφλίου, θα αυξηθεί προοδευτικά για μια ελαφρά αύξηση του ρεύματος. Η ικανότητα αυτής της διόδου να παράγει ρεύμα εξαρτάται από τη θερμοκρασία της συσκευής και του περιβάλλοντος.

Δυνατότητες

Τα χαρακτηριστικά του φωτός λέιζερ που παράγεται από μια δίοδο λέιζερ είναι τα εξής:

Συνοχή: Η συνοχή είναι ένα κρίσιμο χαρακτηριστικό λέιζερ που προκύπτει από διεγερμένη εκπομπή. Ουσιαστικά, υποδεικνύει ότι τα μήκη κύματος των κυμάτων φωτός που εκπέμπονται είναι σε φάση. Δεδομένου ότι παράγονται μέσω αυθόρμητης εκπομπής φωτονίων, οι κοινές πηγές φωτός όπως τα LED δεν διαθέτουν την ποιότητα της συνοχής.

Μονοχρωματικότητα: Αυτή η δίοδος εκπέμπει μονοχρωματικό φως, το οποίο έχει ένα μόνο μήκος κύματος. Το φως που παράγεται θα έχει ένα μόνο χρώμα εάν έχει κύματα με ένα μόνο μήκος κύματος.

Φωτεινότητα: Η φωτεινότητα του φωτός υπολογίζεται κυρίως χρησιμοποιώντας τη μετρική ισχύ ανά μονάδα επιφάνειας ανά μονάδα στερεάς γωνίας. Λόγω των συνεχών ανακλάσεων, αυτή η δίοδος εκπέμπει ένα φωτεινό, υψηλής ισχύος φως. Επομένως, η τεχνολογία μπορεί να δημιουργήσει λαμπρό φως.

Κατευθυντικότητα: Το φως που εκπέμπεται από μια δίοδο λέιζερ δεν εμφανίζει σημαντική απόκλιση επειδή το φως λέιζερ εστιάζεται έντονα. Σε μια δίοδο λέιζερ, τα φωτόνια που απελευθερώνονται βιώνουν πολλαπλές αντανακλάσεις μέσω του καθρέφτη, προκαλώντας κατευθυντικότητα. Το φως παραλείπεται καθώς αποκλίνει από τον άξονά του. Ως αποτέλεσμα, παράγεται μόνο μια δέσμη φωτός που έχει συγκεντρωθεί πολύ.

Ενδιαφέρουσες λεπτομέρειες: Ένα ρυθμιζόμενο λέιζερ διόδου είναι μια πηγή φωτός για να φωτίζει την περιοχή μέτρησης. Μια φωτοδίοδος αξιολογεί το εκπεμπόμενο φως. Η ανίχνευση των σημάτων απορρόφησης συνήθως βελτιώνεται με τη χρήση φωτός λέιζερ με τροποποιημένο μήκος κύματος. Έτσι, μια συντονιζόμενη δίοδος λέιζερ είναι αυτή της οποίας το μήκος κύματος λειτουργίας μπορεί να αλλάξει με ακρίβεια. Παρόλο που όλα τα μέσα απολαβής λέιζερ επιτρέπουν μικρές μετατοπίσεις στο μήκος κύματος εξόδου, μόνο μερικά είδη λέιζερ επιτρέπουν συνεχή συντονισμό σε ένα μεγάλο εύρος μήκους κύματος.

Συμπέρασμα

Το επίκεντρο αυτού του άρθρου είναι ένα γενικό περίγραμμα της συμπεριφοράς των διόδων λέιζερ. Μεγάλες ηλεκτρονικές βιομηχανίες όπως ηλεκτρονικά είδη ευρείας κατανάλωσης, υγειονομική περίθαλψη, αυτόνομα οχήματα, επιστήμη, βιομηχανικές εφαρμογές κ.λπ. τις χρησιμοποιούν. Το εύρος μήκους κύματος των διόδων λέιζερ είναι 810–1064 nm.

Συχνές ερωτήσεις

1. Ποιος είναι ο σκοπός μιας παλμικής διόδου λέιζερ;

Απ. Ο σκοπός ενός οδηγού παλμικής διόδου λέιζερ είναι να παρέχει μια επαναλαμβανόμενη ακολουθία παλμών ρεύματος σε ένα προκαθορισμένο επίπεδο εξόδου σε χρονικά διαστήματα που καθορίζονται από τον χρήστη. Είναι μια πηγή σταθερού ρεύματος ελεγχόμενη από τάση. Η έξοδος στο λέιζερ καθορίζεται σε μονάδες χρόνου και πλάτους.

2. Τι σημαίνουν οι δίοδοι λέιζερ;

Απ. Μια δίοδος λέιζερ, που περιγράφεται επίσης ως λέιζερ έγχυσης ή λέιζερ διόδου, είναι ένας τύπος ημιαγωγού που απελευθερώνει πολλαπλές ακτινοβολίες (στην οποία τα μήκη κύματος είναι όλα στην ίδια φάση και συχνότητα) στο υπέρυθρο ή ορατό φάσμα όταν το ρεύμα ρέει μέσω αυτού.

3. Πόσα διαφορετικά είδη διόδων λέιζερ υπάρχουν;

Απ. Τα διαφορετικά είδη διόδων λέιζερ περιλαμβάνουν:MLM, που αναφέρεται ως λέιζερ Fabry-Perot. Το SLM αναφέρεται ως λέιζερ μονής διαμήκους λειτουργίας.

4. Τι λειτουργία εξυπηρετεί ένα λέιζερ;

Απ. Η επικοινωνία με οπτικές ίνες, τα DVD, τα CD και τα CD-ROM έχουν γίνει δυνατά λόγω της σημασίας τους στην επιστήμη, τις επιχειρήσεις και την ψυχαγωγία. Χωρίς λέιζερ, δεν θα υπήρχαν ακριβείς διαδικασίες πλοήγησης εμπορικών αεροπλάνων, ορισμένες θεραπείες καρκίνου που σώζουν ζωές ή συσκευές ανάγνωσης γραμμωτού κώδικα παντοπωλείου.