diodă Laser

diodele Laser joacă un rol important în viața noastră de zi cu zi. Ele sunt foarte ieftine și mici. Diodele Laser sunt cele mai mici dintre toate laserele cunoscute. Dimensiunea lor este o fracțiune de milimetru.
diodele Laser sunt, de asemenea, cunoscute sub numele de lasere semiconductoare, lasere de joncțiune, lasere cu diode de joncțiune sau lasere de injecție. Înainte de a intra în diode laser, să ne uităm mai întâi la dioda în sine.

ce este o diodă de joncțiune p-n?

o diodă de joncțiune p-n este un dispozitiv semiconductor care permite curgerea curentului într-o singură direcție.

dioda de joncțiune p-n este realizată din două tipuri de materiale semiconductoare și anume semiconductoare de tip p și de tip N. Semiconductorul de tip p este unit cu semiconductorul de tip n pentru a forma o joncțiune p-N. Dispozitivul care rezultă din îmbinarea unui semiconductor de tip p și n se numește diodă de joncțiune p-N.

dioda de joncțiune p-n permite curentul electric în stare de polarizare înainte, în timp ce blochează curentul electric în stare de polarizare inversă.

dacă borna pozitivă a bateriei este conectată la semiconductorul de tip p și borna negativă a bateriei este conectată la semiconductorul de tip n, se spune că dioda este părtinitoare înainte.

când se aplică dioda tensiunea de polarizare înainte, electronii liberi încep să se deplaseze de la borna negativă a bateriei la borna pozitivă a bateriei în mod similar găurile încep să se deplaseze de la borna pozitivă a bateriei la borna negativă a bateriei.

datorită acestor fluxuri de purtători de sarcină (electroni liberi și găuri), curentul electric este generat în dioda de joncțiune p-N.

în diodele obișnuite de joncțiune p – n, electronii care se deplasează de la tip n la tip p se vor recombina cu găurile din semiconductorul sau joncțiunea de tip P. În mod similar, găurile care se deplasează de la tipul p la tipul n se vor recombina cu electronii din semiconductorul sau joncțiunea de tip N.

știm că nivelul de energie al electronilor liberi din banda de conducție este ridicat în comparație cu găurile din banda de valență. Prin urmare, electronii liberi își vor elibera energia suplimentară (energie non-radiativă) în timp ce se recombină cu găurile.

în diode emițătoare de lumină (LED-uri) sau diode laser, recombinarea are loc într-un mod similar. Cu toate acestea, electronii liberi din diodele LED sau laser eliberează energie sub formă de lumină în timp ce se recombină cu găurile.

ce este o diodă laser?

o diodă laser este un dispozitiv optoelectronic, care transformă energia electrică în energie luminoasă pentru a produce lumină coerentă de înaltă intensitate. Într-o diodă laser, joncțiunea p-n a diodei semiconductoare acționează ca mediu laser sau mediu activ.

funcționarea diodei laser este aproape similară cu dioda emițătoare de lumină (LED). Principala diferență între LED și dioda laser este că LED-ul emite lumină incoerentă, în timp ce dioda laser emite lumină coerentă.

construcția diodei Laser

dioda laser este realizată din două straturi dopate de arsenid de galiu. Un strat dopat de arsenid de galiu va produce un semiconductor de tip n, în timp ce un alt strat dopat de arsenid de galiu va produce un semiconductor de tip P. În diodele laser, seleniul, aluminiul și siliciul sunt utilizate ca agenți de dopaj.

joncțiune P-N

când un strat de tip p este unit cu stratul de tip n, se formează o joncțiune p-N. Punctul în care sunt unite straturile de tip p și n se numește joncțiune p-N. Joncțiunea p-n separă semiconductorii de tip p și de tip N.

pentru construcția diodelor laser, arsenidul de galiu este ales peste siliciu. În diodele de siliciu, energia este eliberată în timpul recombinării. Cu toate acestea, această eliberare de energie nu este sub formă de lumină.

în diodele de arsenid de galiu, eliberarea de energie este sub formă de lumină sau fotoni. Prin urmare, arsenidul de galiu este utilizat pentru construirea diodelor laser.

semiconductor de tip N

adăugarea unui procent mic de atomi străini în semiconductorul intrinsec produce un semiconductor de tip N sau P.

dacă se adaugă impurități Pentavalente la semiconductorul intrinsec sau pur, se produce un semiconductor de tip N. În semiconductorii de tip N, electronii liberi sunt purtătorii de sarcină majoritari, în timp ce găurile sunt purtătorii de sarcină minoritară. Prin urmare, electronii liberi transportă cea mai mare parte a curentului electric în semiconductori de tip N.

semiconductor de tip P

dacă se adaugă impurități trivalente la semiconductorul pur, se produce un semiconductor de tip P. În semiconductorii de tip p, găurile sunt purtătorii de sarcină majoritari, în timp ce electronii liberi sunt purtătorii de sarcină minoritari. Prin urmare, găurile transportă cea mai mare parte a curentului electric în semiconductorii de tip P.

etapele principale necesare pentru producerea unui fascicul coerent de lumină în diodele laser

etapele principale necesare pentru producerea unui fascicul coerent de lumină în diodele laser sunt: absorbția luminii, emisia spontană și emisia stimulată.

absorbția energiei

absorbția energiei este procesul de absorbție a energiei din sursele externe de energie.

în diodele laser, energia electrică sau tensiunea DC este utilizată ca sursă externă de energie. Când tensiunea DC sau energia electrică furnizează suficientă energie electronilor de valență sau electronilor de bandă de valență, aceștia rup legătura cu atomul părinte și sare în nivelul superior de energie (banda de conducere). Electronii din banda de conducere sunt cunoscuți ca electroni liberi.

când electronul de valență părăsește învelișul de valență, se creează un spațiu gol în punctul din care a plecat electronul. Acest spațiu gol din cochilia de valență se numește gaură.

astfel, atât electronii liberi, cât și găurile sunt generate ca o pereche datorită absorbției energiei din sursa externă de curent continuu.

emisie spontană

Spontaneemission este procesul de emitere a luminii sau a fotonilor în mod natural în timp ce electronii cad la starea de energie inferioară.

în diodele laser, electronii benzii de valență sau electronii de valență se află în starea de energie inferioară. Prin urmare, găurile generate după electronii de valență rămași sunt, de asemenea, în starea de energie inferioară.

pe de altă parte, electronii de bandă de conducere sau electronii liberi se află în starea de energie superioară. În cuvinte simple, electronii liberi au mai multă energie decât găurile.

electronii liberi din banda de conducție trebuie să-și piardă energia suplimentară pentru a se recombina cu găurile din banda de valență.

electronii liberi din banda de conducție nu vor rămâne pentru o perioadă lungă de timp. După o perioadă scurtă, electronii liberi se recombină cu găurile de energie inferioare prin eliberarea de energie sub formă de fotoni.

emisie stimulată

emisie stimulată este procesul prin care electronii excitați sau electronii liberi sunt stimulați să cadă în starea de energie inferioară prin eliberarea de energie sub formă de lumină. Emisia stimulată este un proces artificial.

emisie stimulată, electronii excitați sau electronii liberi nu trebuie să aștepte finalizarea vieții lor. Înainte de finalizarea duratei lor de viață, incidentul sau fotonii externi vor forța electronii liberi să se recombine cu găurile. În emisia stimulată, fiecare foton incident va genera doi fotoni.

toți fotonii generați datorită emisiei stimulate se vor deplasa în aceeași direcție. Ca rezultat, se produce un fascicul îngust de lumină laser de înaltă intensitate.

cum funcționează dioda laser?

când tensiunea DC este aplicată pe dioda laser, electronii liberi se deplasează de-a lungul regiunii de joncțiune de la Materialul de tip n la Materialul de tip P. În acest proces, unii electroni vor interacționa direct cu electronii de valență și îi vor excita la nivelul superior de energie, în timp ce alți electroni se vor recombina cu găurile din semiconductorul de tip p și vor elibera energie sub formă de lumină. Acest proces de emisie se numește emisie spontană.

fotonii generați datorită emisiei spontane vor călători prin regiunea de joncțiune și vor stimula electronii excitați (electroni liberi). Ca urmare, sunt eliberați mai mulți fotoni. Acest proces de emisie de lumină sau fotoni se numește emisie stimulată. Lumina generată datorită emisiei stimulate se va deplasa paralel cu joncțiunea.

cele două capete ale structurii diodei laser sunt reflectorizante optic. Un capăt este complet reflectorizant, în timp ce un alt capăt este parțial reflectorizant. Capătul complet reflectorizant va reflecta lumina complet, în timp ce capătul parțial reflectorizant va reflecta cea mai mare parte a luminii, dar permite o cantitate mică de lumină.

lumina generată în joncțiunea p-n va sări înainte și înapoi (de sute de ori) între cele două suprafețe reflectorizante. Ca rezultat, se obține un câștig optic enorm.

lumina generată datorită emisiei stimulate este scăpată prin capătul parțial reflectorizant al diodei laser pentru a produce o lumină laser cu fascicul îngust.
toți fotonii generați datorită emisiei stimulate se vor deplasa în aceeași direcție. Prin urmare, această lumină va călători pe distanțe lungi fără a se răspândi în spațiu.

avantajele diodelor laser

1. construcție simplă
2. ușoare
3. foarte ieftine
4. dimensiuni mici
5. foarte fiabile în comparație cu alte tipuri de lasere.
6. durată de funcționare mai lungă
7. eficiență ridicată
8. oglinzile nu sunt necesare în laserele semiconductoare.
9. consum redus de energie

dezavantaje ale diodelor laser

1. nu sunt potrivite pentru aplicațiile în care sunt necesare puteri mari.
2. Semiconductorelaserele sunt foarte dependente de temperatură.

aplicațiile diodelor laser

1. diodele Laser sunt utilizate în indicatoarele laser.
2. diodele Laser sunt utilizate în comunicațiile cu fibră optică.
3. diodele Laser sunt utilizate în cititoarele de coduri de bare.
4. diodele Laser sunt utilizate în imprimarea cu laser.
5. diodele Laser sunt utilizate în scanarea cu laser.
6. diodele Laser sunt utilizate în Telemetre.
7. diodele Laser sunt utilizate în spectrometria de absorbție cu laser.

tipuri de diode

diferitele tipuri de diode sunt după cum urmează:

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