A lézerdióda egy diódán alapuló félvezető lézer . Munkája a töltéshordozók injektálása során a pn átmenet tartományában bekövetkező populációinverzión alapul. [1] [2]
Ha pozitív potenciált alkalmazunk egy hagyományos dióda anódjára , a diódát előre előfeszítettnek mondjuk . Ebben az esetben az n-régió elektronjait a p-régióba, a p-régióból származó lyukakat pedig a félvezető pn -átmenet n-régiójába injektálják . Ha egy elektron és egy lyuk "közel" van (olyan távolságban, amikor lehetséges az alagút ), akkor újra egyesülhetnek az energia felszabadulásával egy bizonyos hullámhosszú foton (az energia megőrzése miatt) és egy fonon formájában ( a lendület megmaradása miatt , mert a foton elviszi a lendületet) . Az ilyen folyamatot spontán emissziónak nevezik, és ez a LED -ek fő sugárzási forrása .
Bizonyos körülmények között azonban egy elektron és egy lyuk a rekombináció előtt meglehetősen hosszú ideig (akár mikroszekundumig) ugyanabban a térrégióban lehet. Ha ebben a pillanatban a kívánt (rezonáns) frekvenciájú foton áthalad ezen a tértartományon, az kényszerrekombinációt idézhet elő egy második foton felszabadulásával, és iránya, polarizációs vektora és fázisa pontosan megegyezik az első foton jellemzőivel. foton.
A lézerdiódában egy félvezető kristályt készítenek nagyon vékony téglalap alakú lemez formájában. Egy ilyen lemez lényegében egy optikai hullámvezető , ahol a sugárzás viszonylag kis térre korlátozódik. A kristály felső rétegét adalékolják , hogy n-régiót hozzunk létre, és egy p-régiót az alsó rétegben. Az eredmény egy lapos pn-elágazás nagy területtel. A kristály két oldalát (végét) csiszolják, hogy sima párhuzamos síkokat képezzenek, amelyek egy Fabry-Perot rezonátornak nevezett optikai rezonátort alkotnak . A spontán emisszió véletlenszerű fotonja, amely ezekre a síkokra merőlegesen bocsát ki, áthalad a teljes optikai hullámvezetőn, és többször visszaverődik a végeiről, mielőtt kilép. A rezonátoron áthaladva stimulált rekombinációt idéz elő, egyre több azonos paraméterű fotont hozva létre, és a sugárzás felerősödik ( stimulált emissziós mechanizmus ). Amint a nyereség meghaladja a veszteséget, megkezdődik a lézergenerálás.
A lézerdiódák többféle típusúak lehetnek. Ezek nagy részében a rétegek nagyon vékonyak, és egy ilyen szerkezet csak ezekkel a rétegekkel párhuzamos irányú sugárzást képes generálni. Másrészt, ha a hullámvezetőt a hullámhosszhoz képest kellően szélesre készítik, már több transzverzális üzemmódban is működhet . Az ilyen diódát többmódusúnak (az angol "multi-mode" ) nevezik. Ilyen lézerek alkalmazása olyan esetekben lehetséges, amikor a készüléktől nagy sugárzási teljesítményre van szükség, és nincs beállítva a jó sugárkonvergencia feltétele (vagyis ennek jelentős eltérése megengedett). Ilyen alkalmazási területek a nyomtatók, a vegyipar, egyéb lézerek szivattyúzása . Másrészt, ha jó sugárfókuszálásra van szükség, akkor a hullámvezető szélességét a sugárzás hullámhosszához kell hasonlítani. Itt a nyaláb szélességét csak a diffrakciós határok határozzák meg . Az ilyen eszközöket optikai tárolóeszközökben, lézeres jelölésekben, valamint a szálas technológiában is használják. Megjegyzendő azonban, hogy az ilyen lézerek nem tudnak több longitudinális módot támogatni, vagyis nem tudnak egyszerre különböző hullámhosszon kibocsátani.
A lézerdióda sugárzási hullámhossza a félvezető p- és n-tartományának energiaszintjei közötti sávszélességtől függ .
Tekintettel arra, hogy a sugárzó elem meglehetősen vékony, a dióda kimenetén lévő nyaláb a diffrakció miatt szinte azonnal eltér. Ennek a hatásnak a kompenzálásához és a vékony sugár eléréséhez konvergáló lencséket kell használni . A hengeres lencséket leggyakrabban többmódusú széles lézerekhez használják. Egymódusú lézereknél szimmetrikus lencsék használatakor a nyaláb keresztmetszete elliptikus lesz, mivel a függőleges síkban az eltérés meghaladja a vízszintes eltérést. Ez a legtisztábban a lézermutató sugár példáján látható.
A fent leírt legegyszerűbb eszközben lehetetlen egyetlen hullámhosszt elkülöníteni, kivéve az optikai rezonátorra jellemző értéket. A többféle longitudinális üzemmóddal és kellõen széles frekvenciatartományban sugárzást erõsítõ anyaggal rendelkezõ készülékekben azonban több hullámhosszon is lehet mûködni. Sok esetben, beleértve a legtöbb látható lézert is, egyetlen hullámhosszon működnek, amely azonban erős instabilitást mutat, és számos tényezőtől függ - az áramerősség változásaitól, a környezeti hőmérséklettől stb. Az elmúlt években a legegyszerűbb lézer kialakítása A fent leírt dióda számos fejlesztésen esett át, hogy az ezekre épülő eszközök megfeleljenek a modern követelményeknek.
A fent leírt lézerdióda kialakítását "np homostruktúrájú diódának" nevezik, aminek jelentése kicsit később válik világossá. Az ilyen diódák rendkívül hatástalanok. Olyan nagy bemeneti teljesítményt igényelnek, hogy csak impulzus üzemmódban működnek; különben gyorsan túlmelegednek. A tervezés egyszerűsége és történelmi jelentősége ellenére a gyakorlatban nem használják őket.
Ezekben az eszközökben egy keskenyebb szalaghézagú anyagréteget helyeznek el két szélesebb sávközű anyagréteg közé. Leggyakrabban gallium-arzenidet (GaAs) és alumínium-gallium-arzenidet (AlGaAs) használnak a kettős heterostruktúrán alapuló lézer megvalósítására. Két ilyen különböző félvezető minden egyes csatlakozását heterostruktúrának , az eszközt pedig "kettős heteroszerkezetű diódának" (DHS) nevezik. Az angol szakirodalomban a "double heterostructure laser" vagy a "DH laser" elnevezést használják. A cikk elején ismertetett kialakítást "homojunkciós diódának" nevezik, csak hogy szemléltesse a különbségeket ettől a ma széles körben használt típustól.
A kettős heteroszerkezetű lézerek előnye, hogy az elektronok és lyukak együttélési tartománya ("aktív régió") egy vékony középső rétegbe záródik. Ez azt jelenti, hogy sokkal több elektron-lyuk pár járul majd hozzá az erősítéshez – ezek közül nem sok marad a periférián az alacsony erősítésű tartományban. Ezenkívül a fény magukról a heterojunkciókról is visszaverődik, vagyis a sugárzás teljesen bezáródik a maximális effektív erősítési tartományba.
Ha a DHS-dióda középső rétegét még vékonyabbá tesszük, egy ilyen réteg kvantumkútként kezd működni. Ez azt jelenti, hogy függőleges irányban az elektronok energiája kvantálódik . A kvantumkutak energiaszintje közötti különbség potenciálgát helyett sugárzás generálható. Ez a megközelítés nagyon hatékony a sugárzás hullámhosszának szabályozása szempontjából, amely a középső réteg vastagságától függ. Egy ilyen lézer hatékonysága nagyobb lesz az egyrétegű lézerhez képest, mivel az emissziós folyamatban részt vevő elektronok és lyukak sűrűségének függősége egyenletesebb eloszlású.
A vékony rétegű heteroszerkezetű lézerek fő problémája a fény hatékony korlátozásának lehetetlensége. Ennek leküzdésére további két réteget adnak a kristály mindkét oldalára. Ezeknek a rétegeknek a törésmutatója alacsonyabb a központi rétegekhez képest. Egy ilyen fényvezető-szerű szerkezet hatékonyabban tartja vissza a fényt . Ezeket az eszközöket " külön bezárt heterostruktúra" (SCH) heterostruktúráknak nevezik.
Az 1990 óta gyártott félvezető lézerek többsége ezzel a technológiával készül.
Az elosztott visszacsatolású (DFB) lézereket leggyakrabban többfrekvenciás száloptikai kommunikációs rendszerekben használják. A hullámhossz stabilizálása érdekében a pn átmenet tartományában egy keresztirányú bevágás jön létre, amely diffrakciós rácsot képez . Ennek a bevágásnak köszönhetően az egyetlen hullámhosszú sugárzás visszatér a rezonátorba, és részt vesz a további erősítésében. A DFB lézerek stabil sugárzási hullámhosszúak, amelyet a gyártási szakaszban a bevágási osztás határozza meg, de a hőmérséklet hatására kis mértékben változhat. Az ilyen lézerek a modern optikai távközlési rendszerek alapját képezik.
A VCSEL a "Vertical Cavity Surface Emitting Laser" rövidítése – egy félvezető lézer, amely a kristályfelületre merőleges irányban bocsát ki fényt, ellentétben a hagyományos lézerdiódákkal, amelyek a felülettel párhuzamos síkban bocsátanak ki.
A VECSEL egy "függőleges külső üreges felületet kibocsátó lézer". Felépítésében hasonló a VCSEL-hez, de külső rezonátorral. Áramról és optikai pumpálással is kivitelezhető .
A lézerdiódák széles körben elterjedt alkalmazása a speciális alkalmazásokhoz szabott csomagok széles választékát eredményezte. Nincsenek hivatalos szabványok ebben a kérdésben, de néha a nagy gyártók megállapodásokat kötnek az esetek egyesítéséről [3] . Ezen kívül a csomagolóanyag-kibocsátók számára is vannak szolgáltatások a vevői igények szerint, így nehéz felsorolni a sokféle esetet ( miniBUT , miniDIL , stb.). Ugyanígy az ismerős csomagolásban lévő tűk egyediek lehetnek, ezért a csapok hozzárendelését mindig ellenőrizni kell, mielőtt új gyártótól vásárolnánk. Nem szabad továbbá a megjelenést a sugárzás hullámhosszához kötni, hiszen a gyakorlatban bármelyik házba beépíthető szinte bármilyen (soron belüli) hullámhosszú emitter. A lézermodul fő elemei:
Az alábbiakban bemutatjuk a gyártók körében leggyakrabban előforduló eseteket.
Az ilyen típusú tokokat kis és közepes sugárzási teljesítménytartományra (250 mW-ig) tervezték, mivel nem rendelkeznek speciális hőelvezető felülettel. A méretek 3,8 és 10 mm között változnak. A lábak száma 3-tól 4-ig terjed, ezek többféleképpen kapcsolhatók, így 8 féle kivezetéshez vezet.
C-mount D-mountEnnek a csomagnak a használata 10 mW-nál nagyobb teljesítmény esetén indokolt (különböző hullámhosszoknál ez az érték jelentősen változik), amikor a félvezető felülete nem elegendő a hőelvezetéshez. A hatékonyabb hőelvezetés a beépített Peltier-hűtő használatával érhető el, amely a hőt az alumínium ház ellenkező oldalára vezeti el a szálkimenethez képest. Mindaddig, amíg a ház hőmérséklete működés közben nem változik, elegendő a felületről érkező természetes léghűtés. Erősebb alkalmazásokhoz a fő hőelvezető felületre (a szálkimenettel szemben) egy radiátort szerelnek fel, amely rögzítésére a házon található fülek találhatók. A lábak 2 sorban elhelyezett elhelyezkedése 2,54 mm-es osztásközzel lehetővé teszi a forrasztással együtt levehető elektromos csatlakozások használatát - egy blokk az elektronikus alkatrészek számára DIP -tokokban és egy nulla erő blokk ZIF .
DBUT - Dual-ButterflyA lézerdiódák legelterjedtebb csomagja 10 mW-tól 800 mW-ig és még nagyobb teljesítménnyel. A fő különbség-előny a DIL csomaggal szemben a hatékonyabb hőelvezetés a Peltier elem és a lézermodul házzal való megnövekedett érintkezési felülete miatt - a fő hőelvezető felület az alsó. Ennek érdekében az elektromos vezetékeket az oldalfelületekre mozgatták, ami megnehezíti a lézermodul és a vezérlőkártya közötti leszerelhető kapcsolat megszervezését.
SBUT - Single ButterflyA teljes BUTTERFLY test egyoldalú változata. A fele számú érintkező miatt nem lehet belső fotodiódát használni.
A lézerdiódák fontos elektronikai alkatrészek . Széles körben használják vezérelt fényforrásként az optikai kommunikációs vonalakban . Különféle mérőberendezésekben is használják, például lézeres távolságmérőben . Egy másik gyakori alkalmazás a vonalkódolvasás . Látható lézerek, általában piros és néha zöld - lézermutatók , számítógépes egerek . Infravörös és vörös lézerek - CD és DVD lejátszókban . Ibolya lézerek – HD DVD és Blu-Ray eszközökön . Kék lézerek - az új generációs projektorokban kék és zöld fényforrásként (különleges összetételű fluoreszcenciával nyerve kék fény hatására). Vizsgálják a félvezető lézerek gyors és olcsó spektroszkópiai eszközökben való alkalmazásának lehetőségeit .
Amíg a CD-lejátszókban és vonalkód-olvasókban megbízható félvezető lézereket nem fejlesztettek ki, a fejlesztők kénytelenek voltak kis hélium-neon lézereket használni .
Elektronikai szempontból a lézerdióda egy közönséges dióda, amelynek áram-feszültség karakterisztikája széles körben ismert. A fő optikai jellemző a kimenő optikai teljesítmény függése a pn átmeneten átfolyó áramtól. Így minden emittáló dióda meghajtó szükséges része egy áramforrás. Az áramforrás funkcionalitása (tartomány, stabilitás, moduláció stb.) közvetlenül meghatározza az optikai teljesítmény funkcióját. Az aktív hűtéssel rendelkező lézereknél az átlagos teljesítmény kívánt szintjének fenntartása mellett a vezetőnek gondoskodnia kell a hűtő vezérléséről. Szerkezetileg a dióda áram- és hűtésszabályozása egy vagy két különálló eszköz lehet. A meghajtó fontos tulajdonsága az is, hogy milyen típusú lézerdióda csomagot támogat.
| Félvezető diódák | ||
|---|---|---|
| Bejelentkezés alapján | ||
| LED-ek | ||
| Helyreigazítás | ||
| Generátor diódák | ||
| Referencia feszültségforrások | ||
| Egyéb | ||
| Lásd még |
| |