Изобретението на полупроводников лазерен диод заслужено се счита за едно от най-добрите постижения в областта на физиката през втората половина на миналия век. Независими разработки на съветските и американските учени в областта на оптичните излъчвания на твърди материали, проведени преди повече от половин век, днес показват своята ефективност в домашната, индустриалната и военната сфера.
За разлика от светодиодите, чиято работа се основава на спонтанно излъчване на фотони, лазерните диоди имат по-сложен принцип на действие и кристална структура.
Принцип на работа
За да разберем къде се появяват фотоните, нека разгледаме процеса на рекомбинация (изчезването на двойка свободни носители - електрон и дупка). При прилагане на директно напрежение към p-n прехода на диода има инжектиране, т.е. рязко увеличаване на концентрацията на неравновесни носители. В процеса на инжектиране, придвижвайки се един към друг, електроните и дупките се рекомбинират, отделяйки енергия под формата на частица - фотон и квазичастици - фонони. Така се наблюдава спонтанно излъчване в светодиодите.
В случая на лазерен диод вместо спонтанен, е необходимо да се стартира механизмът на принудително лъчение на фотони със същите параметри. За целта се образува оптичен резонатор от кристал, преминаващ през който фотонът с дадена честота рекомбинира електронните носители, което допринася за появата на нови фотони от същата поляризация и фаза. Те се наричат последователни.
В този случай генерирането на лазер е възможно само в случаяналичието на прекалено голям брой електронни носители на горното енергийно ниво, освободено от инжектирането. За тази цел токът на изпомпване на такава сила се използва за предизвикване на инверсия на електронните популации. Под този феномен имаме предвид състоянието, в което горното ниво е много по-населено от електрони от долното. В резултат на това се стимулира излъчването на кохерентни фотони.
Освен това, такива фотони многократно се отразяват от лицата на оптичния резонатор, предизвиквайки положителна обратна връзка. Това явление е лавинообразно, което води до лазерен лъч. По този начин създаването на всеки оптичен генератор, включително лазерен диод, изисква изпълнението на две условия:
- наличието на кохерентни фотони;
- организиране на положителна оптична обратна връзка (POS).
За да се предотврати разсейването на формирания лъч поради дифракция, устройството се сглобява с леща. Типът обектив зависи от вида на лазера.
Видове лазерни диоди
През годините лазерният диод претърпя много промени. Нейният дизайн е подобрен, до голяма степен поради появата на високотехнологично оборудване. Най-високата точност на допирането и полирането на полупроводникови кристали, както и създаването на хетероструктурни модели, са фактори, които осигуряват висок коефициент на отражение на границата на кристалния въздух и образуването на кохерентна радиация.
Първият лазерен диод (диод с хомоструктура) има един p-n преход и можеда работи изключително в импулсен режим поради бързото прегряване на кристала. Тя има само историческо значение и не се използва на практика.
Лазерният диод с двойна хетероструктура (DSO диод) е по-ефективен. Кристалът му се основава на две хетероструктури. Всяка хетероструктура е материал (галиев арсенид и галиев алуминиев арсенид) с малка ширина на ширината на лентата, която е разположена между слоевете с по-голяма ширина на ширината на пропускане. Предимството на лазерния диод DGS е значително увеличаване на концентрацията на многополюсни носители в тънък слой, което значително ускорява проявлението на положителна обратна връзка. В допълнение, отражението на фотоните от хетероперехода води до намаляване на тяхната концентрация в областта на ниско усилване и по този начин повишава ефективността на цялото устройство.
Лазерен диод с квантови ямки е разположен в съответствие с принципа на диода на DGS, но с по-фина активна област. Това означава, че елементарните частици, попадащи в такава потенциална яма, започват да се движат в една равнина. Ефектът на квантуване в този случай замества потенциалната бариера и служи като генератор на радиация.
Недостатъчната ефективност на поддържането на светлинния поток в диодите на DGS доведе до създаването на хетероструктурни лазери с отделно съдържание. В този модел кристалът е допълнително покрит със слой от материал от всяка страна. Въпреки по-ниския коефициент на пречупване на тези слоеве, те уверено държат частиците, действайки като леки. Технологията SCH е водеща в производството на диодилазери.
Лазерен диод с разпределена обратна връзка (RIS) е част от оптичното оборудване в областта на изграждането на телекомуникационни системи. Дължината на вълната на лазера на ROS-лазера е константа, която се постига чрез прилагане на напречна вложка към полупроводник в областта на р-п-връзката. Разрезът изпълнява функцията на дифракционната решетка, като по този начин фотоните се превръщат в резонатор само от една (дадена) дължина на вълната. Тези кохерентни фотони участват в усилването.
Повърхностно монтиран лазерен диод с вертикална кухина или вертикален излъчващ лазер (VCSEL), за разлика от предишните устройства, излъчва лъч светлина, перпендикулярна на повърхността на кристала. Дизайнът на VCSEL се основава на използването на вертикални оптични микроресурси с огледала, както и на постигането на DHS и квантовите кладенци. Предимството на технологията VCSEL е стабилността на температурата и радиацията, възможността за групово производство на кристали и тяхното изпитване директно на етапа на производство.
VCSEL модификацията е HIV с външен резонатор (ENG - VECSEL). И двата лазерен диод се позиционират като високоскоростни устройства с възможност за предаване на данни в бъдеще при скорости до 25 Gbps чрез оптична комуникация.
видове случаи
Популяризирането на лазерните диоди принуждава производителите самостоятелно да разработват нови видове случаи. Предвид специфичното им предназначение, компанията издава все повече и повече нови видове защита и охлаждане на кристаладоведе до липсата на обединение. В момента няма международни стандарти, регулиращи случая на лазерни диоди.
Опитващи се да въведат ред, големите производители сключват споразумение за унифициране на сгради. Въпреки това, преди практическото приложение на неизвестен лазерен диод, винаги е необходимо да се изясни целта на заключенията и дължината на вълната на излъчването, въпреки познатия тип тяло. Сред предлаганите на пазара полупроводникови лазери най-често се срещат два типа със следните случаи.
1 Устройства с отворен оптичен канал:
- ТО-кутия (транзисторен-външен метален контейнер). Корпусът е изработен от метал и се използва при производството на транзистори;
- C-mount;
- D-mount.
2 Оптични устройства:
- DIL (Dual-In-Line);
- DBUT (двойна пеперуда);
- SBUT (единична пеперуда).
приложение
Всеки тип лазерен диод намира практическо приложение, поради неговите уникални характеристики. Цената на пробите с ниска мощност е намаляла на моменти, което се вижда от използването им в детските играчки и показалеца. Те са оборудвани с лазерни рулетки-далекомери, което позволява на един човек да прекарва разстояния от разстояние и свързани с него изчисления. Работата по баркод четци, компютърни манипулатори и DVD плейъри се основава на червени лазери. Някои видове се използват при провеждане на изследвания и за изпомпване на други лазери.
Най-търсени лазерни диоди за предаване на данни в оптични мрежи. Новите модели VCSEL осигуряват скорост на отваряне от 10 Gb /sдопълнителни функции за комплекс от далекосъобщителни услуги, включително:
- допринасят за увеличаването на скоростта на интернет;
- подобряване на телефонната и видео комуникацията;
- повишаване на качеството на телевизионното приемане.
Усъвършенстването на лазерния диод доведе до по-дълъг живот, което сега е сравнимо с отнемащото време отказ на светодиодите. Намаляването на тока на помпата е увеличило надеждността на устройствата, а приносът им за развитието на техническия прогрес не е по-малък от този на другите електронни компоненти.
