Лазерный диод
-
Лазерный диод
- Полупроводниковое устройство, генерирующее свет при накачке электрическим током.
- Легированный p–n-переход обеспечивает рекомбинацию электронов и дырок.
- Излучение происходит при падении электрона с более высокого энергетического уровня.
-
Теория и структура
- Лазерный диод — это электрически PIN-диод с активной областью в собственной области.
- Современные лазеры используют двойную гетероструктуру для максимизации рекомбинации.
- Активный слой состоит из квантовых ям для снижения порогового тока.
-
Электрическая и оптическая накачка
- Лазерные диоды могут быть накачены электрическим током или оптической накачкой.
- Инжекционные лазеры используют прямое электрическое смещение для инжекции носителей заряда.
- OPSL используют полупроводниковый чип III-V и другой лазер для накачки.
-
Генерация спонтанного и вынужденного излучения
- Спонтанное излучение происходит при рекомбинации электронов и дырок.
- Вынужденное излучение происходит при воздействии фотона с энергией, равной энергии рекомбинации.
- Полупроводники с прямой запрещенной зоной излучают фотоны, а не фононы.
-
Оптический резонатор и лазерные режимы
- Лазерный диод окружен оптическим резонатором для усиления света.
- Лазеры могут быть одномодовыми или многомодовыми в зависимости от ширины волновода.
- Одночастотные лазеры используются в спектроскопии и метрологии.
-
Формирование лазерного луча
- Луч быстро расходится после выхода из чипа.
- Для формирования коллимированного луча используется линза.
-
История лазерных диодов
- В 1962 году Роберт Н. Холл и Маршалл Натан продемонстрировали когерентное излучение света полупроводниковым диодом из арсенида галлия.
- Уильям П. Думке предложил арсенид галлия как материал для лазеров.
- В 1963 году Николай Басов создал лазеры на GaAs в СССР.
-
Развитие технологий
- В 1960-х годах Герберт Нельсон изобрел жидкофазную эпитаксию (LPE).
- В 1970-х годах LPE была вытеснена молекулярно-лучевой эпитаксией и металлоорганическим химическим осаждением из газовой фазы.
-
Типы лазерных диодов
- Простые диоды неэффективны и работают только в импульсном режиме.
- Лазеры на двойной гетероструктуре имеют тонкий средний слой, что улучшает усиление.
- Лазеры с квантовыми ямами имеют более высокую эффективность благодаря квантованию волновой функции электронов.
- Квантовые каскадные лазеры используют разницу между энергетическими уровнями квантовых ям для лазерного перехода.
- Межзонные каскадные лазеры генерируют когерентное излучение в средней инфракрасной области.
- Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием имеют дополнительные слои для ограничения потока света.
- Лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR) используют оптический резонатор для генерации на одной частоте.
- Лазеры с распределенной обратной связью (DFB) стабилизируют длину волны генерации с помощью дифракционной решетки.
-
Лазеры с обратной связью (DFB)
- Используют решетку для обратной связи, что устраняет необходимость в отражении от граней.
- Имеют стабильную длину волны, устанавливаемую в процессе изготовления.
- Применяются в системах оптической связи.
-
Лазеры с вертикальным резонатором и поверхностным излучением (VCSEL)
- Имеют оптическую ось резонатора вдоль направления тока.
- Излучение исходит от поверхности резонатора, а не от края.
- Используют диэлектрические зеркала для селективного отражения.
- Имеют меньшую выходную мощность по сравнению с лазерами с краевым излучением.
-
Лазеры с вертикальным излучением на поверхности внешнего резонатора (VECSEL)
- Аналогичны VCSEL, но одно из зеркал находится снаружи диодной структуры.
- Имеют небольшую толщину области усиления, что минимизирует влияние антинаправляющих нелинейностей.
- Используются для промышленной обработки и проекционных дисплеев.
-
Диодные лазеры с внешним резонатором
- Используют двойные гетероструктурные диоды типа AlxGa(1-x)As.
- Включают решетки Литтроу и другие конструкции.
-
Надежность лазерных диодов
- Подвержены катастрофическим оптическим повреждениям (COD).
- Достижения в надежности остаются собственностью разработчиков.
- Используются различные методы для уменьшения нагрева и предотвращения COD.
-
Приложения лазерных диодов
- Широко используются в телекоммуникациях, сканировании и спектрометрии.
- Применяются в измерительных приборах, считывателях штрих-кодов и полиграфической промышленности.
-
Применение лазерных диодов
- Используются в проигрывателях компакт-дисков, CD-ROM и DVD-технике
- Применяются в технологии HD DVD и Blu-ray
- Используются в лазерной абсорбционной спектрометрии для оценки концентрации веществ в газовой фазе
- Применяются в термообработке, наплавке, сварке швов и накачке других лазеров
-
Классификация областей применения
- Используются в лазерных принтерах, считывателях штрих-кодов, сканерах изображений, осветителях, указателях местоположения, оптической записи данных, воспламенении топлива, лазерной хирургии, промышленной сортировке, механической обработке, беспроводной передаче энергии и оружии направленной энергии
- Применяются в медицине, стоматологии, интерферометрии, голографии, когерентной связи и контроле химических реакций
- Используются в определении дальности, телекоммуникациях, инфракрасных средствах противодействия, спектроскопическом зондировании, генерации радиочастотных и терагерцовых волн, подготовке состояния атомных часов, криптографии, удвоении и преобразовании частоты, очистке воды и фотодинамической терапии
- Применяются для генерации сверхкоротких световых импульсов, распределения тактовых импульсов, источников с высокой пиковой мощностью, генерации сигналов произвольной формы, фотонной дискретизации и оптических систем множественного доступа
-
Медицинские применения
- Используются в лазерной медицине и стоматологии
- Применяются для небольших процедур на мягких тканях
- Длины волн варьируются от 810 до 1100 нм
- Лазерные диоды могут вызвать термическое повреждение окружающих тканей
-
Фотолитография без маски
- Используются в качестве источника света для безмасковой фотолитографии
-
Общие длины волн
- Видимый свет: 405 нм, 445-465 нм, 488 нм, 505 нм, 510-525 нм, 635 нм, 650-660 нм, 670 нм
- Инфракрасный: 760 нм, 785 нм, 808 нм, 848 нм, 980 нм, 1064 нм, 1310 нм, 1480 нм, 1512 нм, 1550 нм, 1625 нм, 1654 нм, 1877 нм, 2004 нм, 2330 нм, 2680 нм, 3030 нм, 3330 нм
-
Дополнительные ресурсы
- Коллимирующая линза
- Лазерная безопасность
- Список изделий для лазеров
- Суперлюминесцентный диод
- Рекомендации по дальнейшему чтению
- Внешние ссылки