Diodo laser

I diodi laser svolgono un ruolo importante nella nostra vita quotidiana. Sono molto economici e piccoli. I diodi laser sono il più piccolo di tutti i laser conosciuti. La loro dimensione è una frazione di millimetro.
I diodi laser sono noti anche come laser a semiconduttore, laser a giunzione, laser a diodi a giunzione o laser a iniezione. Prima di entrare in diodi laser, vediamo prima diodo stesso.

Che cos’è un diodo a giunzione p-n?

Un diodo a giunzione p-n è un dispositivo a semiconduttore che consente il flusso di corrente in una sola direzione.

Il diodo di giunzione p-n è costituito da due tipi di materiali semiconduttori, ovvero semiconduttori di tipo p e di tipo N. Il semiconduttore di tipo p è unito al semiconduttore di tipo n per formare una giunzione p – N. Il dispositivo che risulta dall’unione di un semiconduttore di tipo p e di tipo n è chiamato diodo di giunzione p-n.

Il diodo di giunzione p-n consente la corrente elettrica in condizioni di polarizzazione in avanti mentre blocca la corrente elettrica in condizioni di polarizzazione inversa.

Se il terminale positivo della batteria è collegato al semiconduttore di tipo p e il terminale negativo della batteria è collegato al semiconduttore di tipo n, si dice che il diodo sia prevenuto in avanti.

Whena avanti la tensione di polarizzazione applicata al diodo, elettroni liberi iniziare a muoversi dal terminale negativo della batteria al terminale positivo della batteria allo stesso modo fori di iniziare a muoversi dal terminale positivo della batteria al terminale negativo della batteria.

A causa di questi flussi di portatori di carica (elettroni liberi e fori), la corrente elettrica viene generata nel diodo di giunzione p-N.

Nei comuni diodi a giunzione p-n, gli elettroni che si spostano dal tipo n al tipo p si ricombinano con i fori nel semiconduttore o nella giunzione di tipo P. Allo stesso modo, i fori che si spostano dal tipo p al tipo n si ricombinano con gli elettroni nel semiconduttore o nella giunzione di tipo N.

Sappiamo che il livello di energia degli elettroni liberi nella banda di conduzione è alto rispetto ai fori nella banda di valenza. Pertanto, gli elettroni liberi rilasceranno la loro energia extra (energia non radiativa) mentre si ricombinano con i fori.

Nei diodi emettitori di luce (LED) o diodi laser, la ricombinazione avviene in modo simile. Tuttavia, gli elettroni liberi nei LED o nei diodi laser rilasciano energia sotto forma di luce mentre si ricombinano con i fori.

Cos’è un diodo laser?

Un diodo laser è un dispositivo optoelettronico, che converte l’energia elettrica in energia luminosa per produrre luce coerente ad alta intensità. In un diodo laser, la giunzione p-n del diodo semiconduttore agisce come mezzo laser o mezzo attivo.

Il funzionamento del diodo laser è quasi simile al diodo ad emissione luminosa (LED). La differenza principale fra il LED ed il diodo laser è che il LED emette la luce incoerente mentre il diodo laser emette la luce coerente.

Costruzione del diodo laser

Il diodo laser è costituito da due strati di arseniuro di gallio drogato. Uno strato di arseniuro di gallio drogato produrrà un semiconduttore di tipo n mentre un altro strato di arseniuro di gallio drogato produrrà un semiconduttore di tipo P. Nei diodi laser, selenio, alluminio e silicio sono usati come agenti droganti.

Giunzione P-N

Quando uno strato di tipo p viene unito allo strato di tipo n, si forma una giunzione p-n. Il punto in cui i livelli di tipo p e n sono uniti è chiamato giunzione p-n. La giunzione p-n separa i semiconduttori di tipo p e di tipo N.

Per la costruzione di diodi laser, l’arseniuro di gallio viene scelto sul silicio. Nei diodi di silicio, l’energia viene rilasciata durante la ricombinazione. Tuttavia, questo rilascio di energia non è sotto forma di luce.

Nei diodi arseniuro di gallio, il rilascio di energia è sotto forma di luce o fotoni. Pertanto, l’arseniuro di gallio viene utilizzato per la costruzione di diodi laser.

Semiconduttore di tipo N

L’aggiunta di una piccola percentuale di atomi estranei nel semiconduttore intrinseco produce un semiconduttore di tipo n o P.

Se al semiconduttore intrinseco o puro vengono aggiunte impurezze pentavalenti, viene prodotto un semiconduttore di tipo N. Nei semiconduttori di tipo n, gli elettroni liberi sono i portatori di carica di maggioranza mentre i fori sono i portatori di carica di minoranza. Pertanto, gli elettroni liberi trasportano la maggior parte della corrente elettrica nei semiconduttori di tipo N.

Semiconduttore di tipo P

Se al semiconduttore puro vengono aggiunte impurità trivalenti, viene prodotto un semiconduttore di tipo P. Nei semiconduttori di tipo p, i fori sono i portatori di carica di maggioranza mentre gli elettroni liberi sono i portatori di carica di minoranza. Pertanto, i fori trasportano la maggior parte della corrente elettrica nei semiconduttori di tipo P.

Fasi principali necessarie per produrre un fascio di luce coerente nei diodi laser

Le fasi principali necessarie per produrre un fascio di luce coerente nei diodi laser sono: assorbimento della luce, emissione spontanea ed emissione stimolata.

Assorbimento di energia

L’assorbimento di energia è il processo di assorbimento di energia dalle fonti energetiche esterne.

Nei diodi laser, l’energia elettrica o la tensione CONTINUA vengono utilizzate come fonte di energia esterna. Quando la tensione continua o l’energia elettrica fornisce abbastanza energia agli elettroni di valenza o agli elettroni di banda di valenza, rompono il legame con l’atomo genitore e salta nel livello di energia più alto (banda di conduzione). Gli elettroni nella banda di conduzione sono noti come elettroni liberi.

Quando l’elettrone di valenza lascia il guscio di valenza, viene creato uno spazio vuoto nel punto da cui l’elettrone è partito. Questo spazio vuoto nella shell di valenza è chiamato un buco.

Quindi, sia gli elettroni liberi che i fori sono generati come coppia a causa dell’assorbimento di energia dalla sorgente DC esterna.

Emissione spontanea

L’emissione spontanea è il processo di emissione naturale di luce o fotoni mentre gli elettroni cadono allo stato di energia inferiore.

Nei diodi laser, gli elettroni della banda di valenza o elettroni di valenza sono nello stato di energia inferiore. Pertanto, i fori generati dopo gli elettroni di valenza lasciati sono anche nello stato di energia inferiore.

D’altra parte, gli elettroni della banda di conduzione o gli elettroni liberi sono nello stato di energia superiore. In parole semplici, gli elettroni liberi hanno più energia dei buchi.

Gli elettroni liberi nella banda di conduzione devono perdere la loro energia extra per ricombinarsi con i fori nella banda di valenza.

Gli elettroni liberi nella banda di conduzione non rimarranno per lungo periodo. Dopo un breve periodo, gli elettroni liberi si ricombinano con i buchi di energia inferiori rilasciando energia sotto forma di fotoni.

Emissione stimolata

L’emissione stimolata è il processo mediante il quale gli elettroni eccitati o gli elettroni liberi vengono stimolati a cadere nello stato di energia inferiore rilasciando energia sotto forma di luce. L’emissione stimolata è un processo artificiale.

Emissione stimolata, gli elettroni eccitati o gli elettroni liberi non devono aspettare il completamento della loro vita. Prima del completamento della loro vita, i fotoni incidenti o esterni costringeranno gli elettroni liberi a ricombinarsi con i fori. In emissione stimolata, ogni fotone incidente genererà due fotoni.

Tutti i fotoni generati a causa dell’emissione stimolata viaggeranno nella stessa direzione. Di conseguenza, viene prodotto un fascio stretto di luce laser ad alta intensità.

Come diodo laser funziona?

Quando la tensione CONTINUA viene applicata attraverso il diodo laser, gli elettroni liberi si muovono attraverso la regione di giunzione dal materiale di tipo n al materiale di tipo P. In questo processo, alcuni elettroni interagiranno direttamente con gli elettroni di valenza e li ecciteranno al livello di energia più alto mentre altri elettroni si ricombineranno con i fori nel semiconduttore di tipo p e rilasceranno energia sotto forma di luce. Questo processo di emissione è chiamato emissione spontanea.

I fotoni generati a causa dell’emissione spontanea viaggeranno attraverso la regione di giunzione e stimoleranno gli elettroni eccitati (elettroni liberi). Di conseguenza, vengono rilasciati più fotoni. Questo processo di emissione di luce o fotoni è chiamato emissione stimolata. La luce generata a causa dell’emissione stimolata si muove parallelamente alla giunzione.

Le due estremità della struttura del diodo laser sono otticamente riflettenti. Un’estremità è completamente riflettente mentre un’altra estremità è parzialmente riflettente. L’estremità completamente riflettente rifletterà completamente la luce mentre l’estremità parzialmente riflettente rifletterà la maggior parte della luce ma consente una piccola quantità di luce.

La luce generata nella giunzione p-n rimbalzerà avanti e indietro (centinaia di volte) tra le due superfici riflettenti. Di conseguenza, si ottiene un enorme guadagno ottico.

La luce generata a causa dell’emissione stimolata è sfuggita attraverso l’estremità parzialmente riflettente del diodo laser per produrre una luce laser a fascio stretto.
Tutti i fotoni generati a causa dell’emissione stimolata viaggeranno nella stessa direzione. Pertanto, questa luce viaggerà a lunghe distanze senza diffondersi nello spazio.

Vantaggi dei diodi laser

1. Costruzione semplice
2. Leggero
3. Molto economico
4. Dimensioni ridotte
5. Altamente affidabile rispetto ad altri tipi di laser.
6. Vita operativa più lunga
7. Alta efficienza
8. Gli specchi non sono necessari nei laser a semiconduttore.
9. Basso consumo energetico

Svantaggiodi laser

1. Non adatti per le applicazioni in cui sono richieste potenze elevate.
2. I semiconduttori sono altamente dipendenti dalla temperatura.

Applicazioni di diodi laser

1. I diodi laser sono utilizzati nei puntatori laser.
2. I diodi laser sono utilizzati nelle comunicazioni in fibra ottica.
3. I diodi laser sono utilizzati nei lettori di codici a barre.
4. I diodi laser sono utilizzati nella stampa laser.
5. I diodi laser sono utilizzati nella scansione laser.
6. I diodi laser sono utilizzati nei telemetri.
7. I diodi laser sono utilizzati nella spettrometria di assorbimento laser.

Tipi di diodi

I vari tipi di diodi sono i seguenti:

1. Zener diode
2. Avalanche diode
3. Photodiode
4. Light Emitting Diode
5. Laser diode
6. Tunnel diode
7. Schottky diode
8. Varactor diode
9. P-N junction diode