Vynález polovodičovej laserovej diódy je zaslúžene považovaný za jeden z najlepších úspechov v oblasti fyziky v druhej polovici minulého storočia. Nezávislý vývoj sovietskych a amerických vedcov v oblasti optického žiarenia polovodičových materiálov, ktorý sa uskutočnil pred viac ako polstoročím, dnes vykazuje svoju účinnosť v domácej, priemyselnej a vojenskej sfére.
Na rozdiel od diód emitujúcich svetlo, ktorých práca je založená na spontánnej emisii fotónov, majú laserové diódy zložitejší princíp pôsobenia a kryštálovej štruktúry.
Princíp práce
Aby sme pochopili, kde sa objavujú fotóny, uvažujme o procese rekombinácie (zmiznutie dvojice voľných nosičov - elektrón a otvor). Pri aplikácii priameho napätia na prechod p-n diódy dochádza k injekcii, tj k ostrému zvýšeniu koncentrácie nerovnovážnych nosičov. V procese vstrekovania, pohybujúc sa smerom k sebe, sú elektróny a otvory rekombinované, vylučujú energiu vo forme častíc - fotón a kvasipartikuly - fonóny. Takto sa pozoruje spontánne žiarenie LED.
V prípade laserovej diódy namiesto spontánnej je potrebné spustiť mechanizmus núteného žiarenia fotónov s rovnakými parametrami. Na tento účel sa z kryštálu vytvorí optický rezonátor, ktorým prechádza fotón s danými frekvenčnými silami rekombináciou elektronických nosičov, čo prispieva k vzniku nových fotónov rovnakej polarizácie a fázy. Sú nazývané koherentné.
V tomto prípade je generovanie laserov možné iba v tomto prípadeprítomnosť príliš veľkého počtu elektronických nosičov na hornej úrovni energie uvoľnenej injekciou. Na tento účel sa prúd čerpania takejto sily používa na vyvolanie inverzie elektrónových populácií. Pod týmto javom máme na mysli stav, v ktorom horná úroveň je oveľa viac obyvateľov elektrónov než nižšia. Výsledkom je stimulácia žiarenia koherentných fotónov.
Takéto fotóny sa opakovane odrážajú od plôch optického rezonátora a vyvolávajú pozitívnu spätnú väzbu. Tento jav je lavínový, ktorý má za následok laserový lúč. Takže vytvorenie akéhokoľvek optického generátora vrátane laserovej diódy si vyžaduje splnenie dvoch podmienok:
- prítomnosť koherentných fotónov;
- organizácia pozitívnej optickej spätnej väzby (POS).
Aby sa zabránilo rozptýleniu vytvoreného lúča v dôsledku difrakcie, zariadenie je zostavené šošovkou. Typ sady šošoviek závisí od typu lasera.
Typy laserových diód
Laserové diódy prešli mnohými zmenami. Jeho dizajn sa zlepšil, prevažne kvôli vzniku technologicky vyspelých zariadení. Najvyššia presnosť dopingu a leštenia polovodičových kryštálov, ako aj vytvorenie modelov Heterostructure sú faktormi, ktoré zabezpečujú vysoký koeficient odrazu na rozhraní kryštálov a tvorby koherentného žiarenia.
Prvá laserová dióda (dióda s homostruktúrou) mala jeden p-n prechod a mohla bypracovať výlučne v impulznom režime kvôli rýchlemu prehriatiu kryštálu. Má iba historický význam a v praxi sa nepoužíva.
Duálna heteroštruktúrna laserová dióda (DSO dióda) bola účinnejšia. Jeho kryštál je založený na dvoch heteroštruktúrach. Každá heteroštruktúra je materiálom (arzenid gallia a arzenid hlinitý gália) s malou šírkou pásovej medzery, ktorá je umiestnená medzi vrstvami s väčšou šírkou pásma. Výhodou laserovej diódy DGS je výrazné zvýšenie koncentrácie multipolárnych nosičov v tenkej vrstve, čo výrazne urýchľuje prejav kladnej spätnej väzby. Okrem toho odraz fotónov z heterojunkcií vedie k zníženiu ich koncentrácie v oblasti nízkej amplifikácie a tým zvyšuje účinnosť celého zariadenia.
Laserová dióda s kvantovými jamkami je usporiadaná v súlade so zásadou diódy DGS, ale s jemnejšou aktívnou oblasťou. To znamená, že elementárne častice, ktoré sa dostanú do takejto potenciálnej jamy, začnú pohybovať v jednej rovine. Kvantizačný účinok v tomto prípade nahrádza potenciálnu bariéru a slúži ako generátor žiarenia.
Nedostatočná účinnosť udržiavania svetelného toku v diódach DGS viedla k vytvoreniu heteroštruktúrovaných laseri s oddeleným obsahom. V tomto modeli je kryštál dodatočne pokrytý vrstvou materiálu z každej strany. Napriek nižšiemu koeficientu lomu týchto vrstiev, s istotou drží častice, pôsobia ako ľahké. Technológia SCH má vedúcu pozíciu vo výrobe diódlasery.
Distribuovaná spätnoväzobná laserová dióda (RIS) je súčasťou optických zariadení v oblasti konštrukcie telekomunikačných systémov. Vlnová dĺžka lasera ROS je konštantná, čo je dosiahnuté aplikáciou priečny rez v polovodičovom p-n-prechodu. Notch slúži ako difrakčné mriežka, takže otáčanie fotóny v rezonátora s iba jedným (špecifikované) vlnovej dĺžky. Tieto koherentné fotóny sa podieľajú na amplifikácii.
povrchovo emitujúce laserové diódy alebo vertikálne dutiny zvisle emitujúce laser HIV (angl. - VCSEL), na rozdiel od predtým diskutovanej zariadení emituje svetelný lúč kolmo k povrchu kryštálu. V srdci VCSEL prevedení je spôsob použitia optického vertikálne mikrorezonatoriv so zrkadlami a dosiahnuť spôsob DGS a kvantovej žumpy. Výhodou VCSEL technológie pozostávajúce z teploty a žiarenia stabilitu, schopnosť produkcie skupiny kryštálov a ich testovanie priamo vo výrobnej fáze.
Modifikácia VCSEL je HIV s externým rezonátorom (ENG - VECSEL). Obe zariadenia laserové diódy sú umiestnené tak, ako vysoký výkon a schopnosť poskytovať údaje v budúcnosti pri rýchlostiach až do 25 Gbit /s cez spojenie optických vlákien.
typy prípadov
Popularizácia laserových diód prinútila výrobcov samostatne rozvíjať nové typy prípadov. Vzhľadom na ich špecifický účel spoločnosť vydala stále viac nových typov ochrany a chladenia kryštáluviedlo k nedostatku zjednotenia. V súčasnosti neexistujú žiadne medzinárodné normy upravujúce prípad laserových diód.
Pokúšajúc sa priniesť rozkaz, veľkí výrobcovia uzavreli dohodu o zjednotení budov. Avšak pred praktickou aplikáciou neznámej laserovej diódy je vždy potrebné objasniť účel záverov a vlnovú dĺžku žiarenia napriek známym typom tela. Medzi komerčne dostupnými polovodičovými lasérmi sa najčastejšie vyskytujú dva typy s nasledujúcimi prípadmi.
1 Zariadenia s otvoreným optickým kanálom:
- TO-can (balenie v balení s kovovou koncovkou). Puzdro je vyrobené z kovu a používa sa pri výrobe tranzistorov.
- C-mount;
- D-mount.
2 Zariadenia s optickými vláknami:
- DIL (Dual-In-Line);
- DBUT (dvojitý motýľ);
- SBUT (Single-Butterfly).
aplikácia
Každý typ laserovej diódy nájde praktickú aplikáciu vďaka svojim jedinečným vlastnostiam. Náklady na vzorky s nízkym výkonom klesli niekedy, čo dokazuje ich použitie v detských hračkách a ukazovateľ. Sú vybavené laserovými ruletami, ktoré umožňujú jednej osobe stráviť vzdialenosť na diaľku a súvisiace výpočty. Práca na čítačkách čiarových kódov, počítačových manipulátoroch a DVD prehrávačoch je založená na červených laseri. Niektoré typy sa používajú pri vykonávaní výskumu a pri čerpaní iných laserov.
Najvyhľadávanejšie laserové diódy na prenos dát v sieťach s optickými vláknami. Nové modely VCSEL poskytujú rýchlosť otvárania 10 Gb /sďalšie funkcie pre komplex telekomunikačných služieb vrátane:
- prispievajú k rastu rýchlosti internetu;
- zdokonaľovanie telefónnej a video komunikácie;
- zvyšujú kvalitu televízneho príjmu.
Zlepšenie laserovej diódy malo za následok zvýšenú predpokladanú dĺžku života, ktorá je teraz porovnateľná s dĺžkou, v ktorej boli diódy vyžarujúce svetlo prerušené. Zníženie prúdu čerpadla zvýšilo spoľahlivosť zariadení a ich príspevok k rozvoju technického pokroku nie je menší ako iné elektronické komponenty.
