Izum poluvodičke laserske diode zasluženo se smatra jednim od najboljih dostignuća na polju fizike u drugoj polovici prošlog stoljeća. Nezavisni razvoj sovjetskih i američkih znanstvenika u području optičkog zračenja čvrstih materijala, provedenih prije više od pola stoljeća, danas pokazuje svoju učinkovitost u domaćoj, industrijskoj i vojnoj sferi.
Za razliku od svjetlećih dioda, čiji se rad temelji na spontanoj emisiji fotona, laserske diode imaju složeniji princip djelovanja i kristalnu strukturu.
Načelo rada
Da bismo razumjeli gdje se pojavljuju fotoni, razmotrimo proces rekombinacije (nestanak para slobodnih nositelja - elektrona i rupe). Prilikom primjene izravnog napona na p-n prijelaz diode nalazi se injekcija, tj. Naglo povećanje koncentracije neravnotežnih nosača. U procesu ubrizgavanja, krećući se jedan prema drugome, elektroni i rupe se rekombiniraju, lučeći energiju u obliku čestice - fotona i kvazipartica - fonona. Tako se spontano zračenje uočava u LED.
U slučaju laserske diode umjesto spontane, potrebno je pokrenuti mehanizam prisilnog zračenja fotona s istim parametrima. U tu svrhu se iz kristala formira optički rezonator koji prolazi kroz koji foton s danom frekvencijom sjedinjuje elektronske nosače, što pridonosi pojavi novih fotona iste polarizacije i faze. Nazivaju se koherentni.
U ovom slučaju, laserska generacija je moguća samo u slučajuprisutnost pretjerano velikog broja elektronskih nosača na gornjoj razini energije koja se oslobađa ubrizgavanjem. U tu svrhu, struja pumpanja takve sile koristi se za izazivanje inverzije elektronskih populacija. Pod ovim fenomenom podrazumijevamo stanje u kojem je gornja razina mnogo više naseljena elektronima nego donjim. Kao rezultat toga, stimulira se zračenje koherentnih fotona.
Nadalje, takvi se fotoni stalno reflektiraju od lica optičkog rezonatora, izazivajući pozitivnu povratnu petlju. Ovaj fenomen nalik je lavini, što rezultira laserskom zrakom. Dakle, stvaranje bilo kojeg optičkog generatora, uključujući lasersku diodu, zahtijeva ispunjenje dva uvjeta:
- prisutnost koherentnih fotona;
- organizacija pozitivne optičke povratne veze (POS).
Kako bi se spriječilo raspršivanje formirane zrake uslijed difrakcije, uređaj je sastavljen od leće. Vrsta skupa leća ovisi o vrsti lasera.
Tipovi laserskih dioda
Tijekom godina, laserska dioda je doživjela mnoge promjene. Njegov dizajn je poboljšan, uglavnom zbog pojave visokotehnološke opreme. Najveća točnost dopiranja i poliranja poluvodičkog kristala, kao i stvaranje modela Heterostrukture, faktori su koji osiguravaju visoki koeficijent refleksije na granici kristalnog zraka i stvaranje koherentnog zračenja.
Prva laserska dioda (dioda s homostrukturom) imala je jedan p-n prijelaz i moglaradi isključivo u pulsnom modu zbog brzog pregrijavanja kristala. Ima samo povijesno značenje i ne koristi se u praksi.
Dvojna heterostrukturna laserska dioda (DSO dioda) bila je učinkovitija. Njegov kristal temelji se na dvije heterostrukture. Svaka heterostruktura je materijal (galij arsenid i galij aluminij arzenid) s malom širinom pojasnog raspona, koji se nalazi između slojeva s većom širinom zona. Prednost laserske diode DGS je značajno povećati koncentraciju multipolarnih nosača u tankom sloju, što uvelike ubrzava pojavu pozitivnih povratnih informacija. Osim toga, refleksija fotona iz heterotočaka dovodi do smanjenja njihove koncentracije u području niskog pojačanja, te tako povećava učinkovitost cjelokupnog uređaja.
Laserska dioda s kvantnim bušotinama raspoređena je u skladu s načelom diode DGS-a, ali sa suptilnijom aktivnom regijom. To znači da se elementarne čestice koje padaju u takvu potencijalnu jamu počinju kretati u jednoj ravnini. Efekt kvantizacije u ovom slučaju zamjenjuje potencijalnu barijeru i služi kao generator zračenja.
Nedovoljna učinkovitost održavanja svjetlosnog fluksa u DGS diodama dovela je do stvaranja heterostrukturiranih lasera s odvojenim sadržajem. U ovom modelu, kristal je dodatno prekriven slojem materijala sa svake strane. Unatoč nižem koeficijentu loma tih slojeva, oni pouzdano drže čestice, djelujući kao lagani. SCH tehnologija ima vodeću poziciju u proizvodnji diodalaseri.
Raspodijeljena povratna sprega laserska dioda (RIS) dio je optičke opreme u području izgradnje telekomunikacijskih sustava. Valna duljina lasera ROS lasera je konstanta, koja se postiže nanošenjem poprečnog umetka na poluvodič u području p-n-spoja. Urez obavlja funkciju difrakcijske rešetke, čime se fotoni pretvaraju u rezonator samo s jedne (dane) valne duljine. Ti koherentni fotoni uključeni su u pojačanje.
Površinski montirana laserska dioda s vertikalnom šupljinom ili laserskim zračenjem (VCSEL), za razliku od prethodno razmatranih uređaja, emitira zraku svjetlosti okomitu na površinu kristala. Dizajn VCSEL-a temelji se na korištenju vertikalnih optičkih mikroprozora s ogledalima, kao i na postizanju DHS i kvantnih bušotina. Prednost VCSEL tehnologije je stabilnost temperature i radijacije, mogućnost grupne proizvodnje kristala i njihovo ispitivanje izravno u fazi proizvodnje.
Modifikacija VCSEL je HIV s vanjskim rezonatorom (ENG - VECSEL). Oba laserska dioda pozicionirana su kao uređaji velike brzine s mogućnošću prijenosa podataka u budućnosti pri brzinama do 25 Gbps kroz optičku komunikaciju.vrste slučajeva
Popularizacija laserskih dioda natjerala je proizvođače da samostalno razvijaju nove vrste slučajeva. Uzimajući u obzir njihovu specifičnu svrhu, tvrtka je izdala sve više novih vrsta zaštite i hlađenja kristaladovela je do nedostatka ujedinjenja. Trenutno ne postoje međunarodni standardi koji reguliraju slučaj laserskih dioda.
Pokušavajući dovesti red, veliki proizvođači sklapaju sporazum o ujedinjenju zgrada. Međutim, prije praktične primjene nepoznate laserske diode, uvijek je potrebno pojasniti svrhu zaključaka i valnu duljinu zračenja, unatoč poznatom tipu tijela. Među komercijalno dostupnim poluvodičkim laserima najčešće se susreću dva tipa sa sljedećim slučajevima.
1 Uređaji s otvorenim optičkim kanalom:
- TO-can (metalni kontejner s tranzistorskom linijom). Kućište je izrađeno od metala i koristi se u proizvodnji tranzistora;
- C-nosač;
- D-nosač.
2 Optički uređaji:
- DIL (Dual-In-Line);
- DBUT (dvostruki leptir);
- SBUT (Single-Butterfly).
primjena
Svaki tip laserske diode pronalazi praktičnu primjenu zbog svojih jedinstvenih značajki. Troškovi uzoraka male snage pali su s vremena na vrijeme, što dokazuje njihova upotreba u dječjim igračkama i pokazivaču. Opremljeni su laserskim ruletom-daljinomjerom, koji jednoj osobi omogućuje provođenje udaljenosti i izračune. Rad na čitačima barkodova, računalnim manipulatorima i DVD playerima temelji se na crvenim laserima. Neke vrste se koriste u provođenju istraživanja i za pumpanje drugih lasera.
Najtraženije laserske diode za prijenos podataka u optičkim mrežama. Novi VCSEL modeli osiguravaju brzinu otvaranja od 10 Gb /sdodatne značajke za kompleks telekomunikacijskih usluga, uključujući:
- doprinose rastu brzine Interneta;
- poboljšanje telefonske i video komunikacije;
- povećati kvalitetu televizijskog prijema.
Poboljšanje laserske diode rezultiralo je povećanim vijekom trajanja, što je sada usporedivo s dugotrajnim kvarom svjetlećih dioda. Smanjenje struje pumpe povećalo je pouzdanost uređaja, a njihov doprinos razvoju tehničkog napretka nije manji od ostalih elektroničkih komponenti.
