Azərbaycanca
Беларускі
Dansk
Deutsch
Española
Français
Indonesia
Italiana
日本語
Қазақ
Lietuvos
Nederlands
Português
Русский
සිංහල
แบบไทย
Türkçe
Українська
中國人
United State
Afrikaans
Лазерний діод — лазер, в якому активним середовищем є , а робочою областю напівпровідниковий p-n перехід, аналогічний p-n переходу звичайного світлодіода.
Принцип дії
Коли на анод звичайного діода подається позитивний потенціал, то говорять, що діод зміщений в прямому напрямі. При цьому дірки з p-області інжектуються в n-область p-n переходу, а електрони з n-області інжектуються в p-область напівпровідника. Якщо електрон і дірка виявляються "поблизу" (на відстані коли можливо тунелювання), то вони можуть рекомбінувати (або анігілювати) з виділенням енергії у вигляді фотона певної довжини хвилі (через збереження енергії) і фонона (через збереження імпульсу, тому що імпульс фотона малий). Такий процес називається спонтанним випромінюванням, і є основним джерелом випромінювання в світлодіодах.
Проте, за певних умов, електрон і дірка, перед рекомбінацією, можуть знаходитися в одній області простору достатньо довго (до мікросекунд). Якщо у цей момент через цю область простору пройде фотон потрібної частоти (резонансної частоти), він може викликати вимушену рекомбінацію з виділенням другого фотона, причому його напрям, вектор поляризації і фаза будуть точно збігатися з тими ж характеристиками першого фотона.
У лазерному діоді напівпровідниковий кристал виготовляють у вигляді дуже тонкої прямокутної пластинки. Така пластинка по суті є оптичним хвилеводом, де випромінювання обмежене у відносно невеликому просторі. Верхній шар кристала легується для створення n-області, а в нижньому шарі створюють p-область. В результаті виходить плоский p-n перехід великої площі. Дві бічні сторони (торці) кристала поліруються для утворення гладких паралельних площин, які утворюють оптичний резонатор, званий резонатором Фабрі — Перо. Фотон спонтанного випромінювання, що поширюється перпендикулярно цим площинам, пройде через весь оптичний хвилевід і кілька разів віддзеркалиться від них, перш ніж вийде назовні. Щоразу, коли фотон проходитиме уздовж резонатора, випромінювання посилюватиметься завдяки механізму вимушеного випромінювання. І як тільки підсилення перевищить втрати почнеться .
Лазерні діоди можуть бути декількох типів. У основної їх частини шари зроблені дуже тонкими, і така структура може генерувати випромінювання тільки в напрямі, паралельному цим шарам. З іншого боку, якщо хвилевід зробити достатньо широким в порівнянні з довжиною хвилі, він зможе працювати вже в декількох поперечних режимах. Такий діод називається багатомодовим (англ.. «multi-mode». Застосування таких лазерів можливо в тих випадках, коли від пристрою потрібна висока потужність випромінювання, і не ставиться умова хорошої збіжності променя (тобто допускається його значне розсіювання). Такими сферами застосувань є: друкувальні пристрої, хімічна промисловість, накачка інших лазерів. З іншого боку, якщо потрібне хороше фокусування променя, ширина хвилеводу повинна виготовлятися порівнянної з довжиною хвилі випромінювання. Тут вже ширина променя визначатиметься тільки межами, що накладаються дифракцією. Такі пристрої застосовуються в оптичних модулях пам’яті, лазерних цілевказівниках, а також в оптоволоконній техніці. Слід, проте, помітити, що такі лазери можуть підтримувати декілька подовжніх режимів, тобто можуть випромінювати на різних довжинах хвиль одночасно.
Довжина хвилі випромінювання лазерного діода залежить від ширини забороненої зони між енергетичними рівнями p- і n-областей напівпровідника.
У зв'язку з тим, що випромінюючий елемент достатньо тонкий, промінь на виході діода, завдяки дифракції, практично відразу розходиться. Для компенсації цього ефекту і отримання тонкого променя необхідно застосовувати збираючи лінзи. Для багатомодових широких лазерів, найчастіше застосовуються циліндрові лінзи. Для одномодових лазерів, при використанні симетричних лінз, перетин променя буде еліптичним, оскільки розбіжність у вертикальній площині перевищує розбіжність в горизонтальній. Найнаочніше це видно на прикладі променя лазерної указки.
У простому пристрої, який був описаний вище, неможливо виділити окрему довжину хвилі, виключаючи значення, характерне для оптичного резонатора. Проте в пристроях з декількома подовжніми режимами і матеріалом, здатним підсилювати випромінювання в достатньо широкому діапазоні частот, можлива робота на декількох довжинах хвиль. У багатьох випадках, включаючи більшість лазерів з видимим випромінюванням, вони працюють на єдиній довжині хвилі, яка, проте володіє сильною нестабільністю і залежить від безлічі факторів — зміни сили струму, зовнішньої температури і т.д. Останніми роками описана вище конструкція простого лазерного діода піддавалася численним удосконаленням, щоб пристрої на їх основі могли відповідати сучасним вимогам.
Види лазерних діодів
Конструкція лазерного діода, описана вище, має назву «діод із n-p гомоструктурою» (значення терміну стане зрозумілим трохи пізніше). На жаль, такі діоди украй неефективні. Вони вимагають такої великої вхідної потужності, що можуть працювати тільки в імпульсному режимі, інакше вони перегріваються. Незважаючи на простоту конструкції і історичну значущість, на практиці вони не застосовуються.
Лазери на подвійній гетероструктурі
У цих пристроях шар матеріалу з вужчою забороненою зоною розташовується між двома шарами матеріалу з ширшою забороненою зоною. Найчастіше для реалізації лазери на основі подвійної гетероструктури використовують арсенід галію (GaAs) і (AlGaAs). Кожне з'єднання двох таких різних напівпровідників називається гетероструктурою, а пристрій — «діодом з подвійною гетероструктурою» (ПГС). У англомовній літературі використовуються назви «double heterostructure laser» або «DH laser». Описана на початку статті конструкція називається «діод на гомопереході» якраз для ілюстрації відмінностей від даного типа, який сьогодні використовується достатньо широко.
Перевага лазерів з подвійною гетероструктурою полягає в тому, що область співіснування електронів і дірок («активна область») розташована в тонкому середньому шарі. Це означає, що набагато більше електронно-діркових пар даватимуть внесок в підсилення - і не так багато залишиться їх на периферії, в області з низьким підсиленням. Додатково світло відбиватиметься від самих гетеропереходів, тобто випромінювання буде цілком локалізовано у області максимально ефективного підсилення.
Діод з квантовими ямами
Якщо середній шар діода ПГС зробити ще тоншим, такий шар почне працювати як квантова яма. Це означає, що у вертикальному напрямі енергія електронів почне квантуватися. Різниця між енергетичними рівнями квантових ям може використовуватися для генерації випромінювання замість потенційного бар'єру. Такий підхід дуже ефективний з огляду на можливість керування довжиною хвилі випромінювання, яка залежатиме від товщини середнього шару. Ефективність такого лазера буде вищою в порівнянні з одношаровим лазером завдяки тому, що густина електронів і дірок, що беруть участь в процесі випромінювання, має більш рівномірний розподіл.
Гетероструктурні лазери з роздільним утриманням
Основна проблема гетероструктурних лазерів з тонким шаром — неможливість ефективного утримання світла. Щоб подолати її, з двох сторін кристала додають ще два шари. Ці шари мають менший коефіцієнт заломлення в порівнянні з центральними шарами. Така структура, що нагадує світловод, ефективніше утримує світло. Ці пристрої називаються гетероструктурами з роздільним утриманням («separate confinement heterostructure», SCH)
Більшість напівпровідникових лазерів, вироблених після 1990-го року, виготовлені за цією технологією.
Лазери з розподіленим зворотним зв'язком
Лазери з розподіленим зворотним зв'язком (РІС) найчастіше використовуються в системах багаточастотного оптоволоконного зв'язку. Щоб стабілізувати довжину хвилі, в районі p-n переходу створюється поперечна насічка, створююча дифракційні ґратки. Завдяки цій насічці, випромінювання тільки з однією довжиною хвилі повертається назад в резонатор і бере участь в подальшому посиленні. РОС-лазери мають стабільну довжину хвилі випромінювання, яка визначається на етапі виробництва кроком насічки, але може трохи мінятися під впливом температури. Такі лазери — основа сучасних оптичних телекомунікаційних систем.
VCSEL
VCSEL — «Поверхнево випромінюючий лазер з вертикальним резонатором» — напівпровідниковий лазер, випромінюючий світло в напрямі, перпендикулярному поверхні кристала, на відміну від звичайних лазерних діодів, випромінюючих в площині, паралельній поверхні.
VECSEL
VECSEL — «Поверхнево випромінюючий лазер з вертикальним зовнішнім резонатором». аналогічний VCSEL, але має зовнішній резонатор.
Застосування лазерних діодів
Лазерні діоди — важливі електронні компоненти. Вони знаходять широке застосування як керовані джерела світла в оптоволоконних лініях зв'язку. Також, вони використовуються в різному вимірювальному устаткуванні, наприклад лазерних далекомірах. Інше поширене застосування — зчитування штрих-кодів. Лазери з видимим випромінюванням, звичайно червоні і іноді і зелені — в цілівказівниках. Інфрачервоні і червоні лазери — в програвачах CD- і DVD-дисків. Сині лазери — в пристроях HD DVD і Blu-Ray. Досліджуються можливості застосування напівпровідникових лазерів в швидких і недорогих пристроях для спектроскопії.
До моменту розробки надійних напівпровідникових лазерів, в програвачах CD і зчитувачів штрих-коду розробники вимушені були використовувати невеличкі гелій-неонові лазери.
Див. також
Література
- Пилкун М. Инжекционные лазеры // Успехи физических наук. — 1969. — Т. 98, вып. 2.
Посилання
- Kincade, Kathy and Stephen Anderson (2005) «Laser Marketplace 2005: Consumer applications boost laser sales 10 %», Laser Focus World, vol. 41, no. 1. ()
- Steele, Robert V. (2005) «Diode-laser market grows at a slower rate», Laser Focus World, vol. 41, no. 2. ()
- Alferov Z. I. The double heterostructure: concept and applications in physics, electronics and technology [ 15 травня 2006 у Wayback Machine.] / Zhores I. Alferov. — 2000. — December 8. (Нобелsвська лекція Ж. І. Алфьорова.)
Вікіпедія, Українська, Україна, книга, книги, бібліотека, стаття, читати, завантажити, безкоштовно, безкоштовно завантажити, mp3, відео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, малюнок, музика, пісня, фільм, книга, гра, ігри, мобільний, телефон, android, ios, apple, мобільний телефон, samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Інтернет
Lazernij diod lazer v yakomu aktivnim seredovishem ye a robochoyu oblastyu napivprovidnikovij p n perehid analogichnij p n perehodu zvichajnogo svitlodioda Lazernij diod pered odnocentovoyu monetkoyu dlya porivnyannya Princip diyiZobrazhennya zvichajnogo chipa lazernogo dioda pokazanij na vushci golki dlya porivnyannya sho mistitsya v upakovci sho zobrazhena vishe Koli na anod zvichajnogo dioda podayetsya pozitivnij potencial to govoryat sho diod zmishenij v pryamomu napryami Pri comu dirki z p oblasti inzhektuyutsya v n oblast p n perehodu a elektroni z n oblasti inzhektuyutsya v p oblast napivprovidnika Yaksho elektron i dirka viyavlyayutsya poblizu na vidstani koli mozhlivo tunelyuvannya to voni mozhut rekombinuvati abo anigilyuvati z vidilennyam energiyi u viglyadi fotona pevnoyi dovzhini hvili cherez zberezhennya energiyi i fonona cherez zberezhennya impulsu tomu sho impuls fotona malij Takij proces nazivayetsya spontannim viprominyuvannyam i ye osnovnim dzherelom viprominyuvannya v svitlodiodah Prote za pevnih umov elektron i dirka pered rekombinaciyeyu mozhut znahoditisya v odnij oblasti prostoru dostatno dovgo do mikrosekund Yaksho u cej moment cherez cyu oblast prostoru projde foton potribnoyi chastoti rezonansnoyi chastoti vin mozhe viklikati vimushenu rekombinaciyu z vidilennyam drugogo fotona prichomu jogo napryam vektor polyarizaciyi i faza budut tochno zbigatisya z timi zh harakteristikami pershogo fotona U lazernomu diodi napivprovidnikovij kristal vigotovlyayut u viglyadi duzhe tonkoyi pryamokutnoyi plastinki Taka plastinka po suti ye optichnim hvilevodom de viprominyuvannya obmezhene u vidnosno nevelikomu prostori Verhnij shar kristala leguyetsya dlya stvorennya n oblasti a v nizhnomu shari stvoryuyut p oblast V rezultati vihodit ploskij p n perehid velikoyi ploshi Dvi bichni storoni torci kristala poliruyutsya dlya utvorennya gladkih paralelnih ploshin yaki utvoryuyut optichnij rezonator zvanij rezonatorom Fabri Pero Foton spontannogo viprominyuvannya sho poshiryuyetsya perpendikulyarno cim ploshinam projde cherez ves optichnij hvilevid i kilka raziv viddzerkalitsya vid nih persh nizh vijde nazovni Shorazu koli foton prohoditime uzdovzh rezonatora viprominyuvannya posilyuvatimetsya zavdyaki mehanizmu vimushenogo viprominyuvannya I yak tilki pidsilennya perevishit vtrati pochnetsya Lazerni diodi mozhut buti dekilkoh tipiv U osnovnoyi yih chastini shari zrobleni duzhe tonkimi i taka struktura mozhe generuvati viprominyuvannya tilki v napryami paralelnomu cim sharam Z inshogo boku yaksho hvilevid zrobiti dostatno shirokim v porivnyanni z dovzhinoyu hvili vin zmozhe pracyuvati vzhe v dekilkoh poperechnih rezhimah Takij diod nazivayetsya bagatomodovim angl multi mode Zastosuvannya takih lazeriv mozhlivo v tih vipadkah koli vid pristroyu potribna visoka potuzhnist viprominyuvannya i ne stavitsya umova horoshoyi zbizhnosti promenya tobto dopuskayetsya jogo znachne rozsiyuvannya Takimi sferami zastosuvan ye drukuvalni pristroyi himichna promislovist nakachka inshih lazeriv Z inshogo boku yaksho potribne horoshe fokusuvannya promenya shirina hvilevodu povinna vigotovlyatisya porivnyannoyi z dovzhinoyu hvili viprominyuvannya Tut vzhe shirina promenya viznachatimetsya tilki mezhami sho nakladayutsya difrakciyeyu Taki pristroyi zastosovuyutsya v optichnih modulyah pam yati lazernih cilevkazivnikah a takozh v optovolokonnij tehnici Slid prote pomititi sho taki lazeri mozhut pidtrimuvati dekilka podovzhnih rezhimiv tobto mozhut viprominyuvati na riznih dovzhinah hvil odnochasno Dovzhina hvili viprominyuvannya lazernogo dioda zalezhit vid shirini zaboronenoyi zoni mizh energetichnimi rivnyami p i n oblastej napivprovidnika U zv yazku z tim sho viprominyuyuchij element dostatno tonkij promin na vihodi dioda zavdyaki difrakciyi praktichno vidrazu rozhoditsya Dlya kompensaciyi cogo efektu i otrimannya tonkogo promenya neobhidno zastosovuvati zbirayuchi linzi Dlya bagatomodovih shirokih lazeriv najchastishe zastosovuyutsya cilindrovi linzi Dlya odnomodovih lazeriv pri vikoristanni simetrichnih linz peretin promenya bude eliptichnim oskilki rozbizhnist u vertikalnij ploshini perevishuye rozbizhnist v gorizontalnij Najnaochnishe ce vidno na prikladi promenya lazernoyi ukazki U prostomu pristroyi yakij buv opisanij vishe nemozhlivo vidiliti okremu dovzhinu hvili viklyuchayuchi znachennya harakterne dlya optichnogo rezonatora Prote v pristroyah z dekilkoma podovzhnimi rezhimami i materialom zdatnim pidsilyuvati viprominyuvannya v dostatno shirokomu diapazoni chastot mozhliva robota na dekilkoh dovzhinah hvil U bagatoh vipadkah vklyuchayuchi bilshist lazeriv z vidimim viprominyuvannyam voni pracyuyut na yedinij dovzhini hvili yaka prote volodiye silnoyu nestabilnistyu i zalezhit vid bezlichi faktoriv zmini sili strumu zovnishnoyi temperaturi i t d Ostannimi rokami opisana vishe konstrukciya prostogo lazernogo dioda piddavalasya chislennim udoskonalennyam shob pristroyi na yih osnovi mogli vidpovidati suchasnim vimogam Vidi lazernih diodivKonstrukciya lazernogo dioda opisana vishe maye nazvu diod iz n p gomostrukturoyu znachennya terminu stane zrozumilim trohi piznishe Na zhal taki diodi ukraj neefektivni Voni vimagayut takoyi velikoyi vhidnoyi potuzhnosti sho mozhut pracyuvati tilki v impulsnomu rezhimi inakshe voni peregrivayutsya Nezvazhayuchi na prostotu konstrukciyi i istorichnu znachushist na praktici voni ne zastosovuyutsya Lazeri na podvijnij geterostrukturi U cih pristroyah shar materialu z vuzhchoyu zaboronenoyu zonoyu roztashovuyetsya mizh dvoma sharami materialu z shirshoyu zaboronenoyu zonoyu Najchastishe dlya realizaciyi lazeri na osnovi podvijnoyi geterostrukturi vikoristovuyut arsenid galiyu GaAs i AlGaAs Kozhne z yednannya dvoh takih riznih napivprovidnikiv nazivayetsya geterostrukturoyu a pristrij diodom z podvijnoyu geterostrukturoyu PGS U anglomovnij literaturi vikoristovuyutsya nazvi double heterostructure laser abo DH laser Opisana na pochatku statti konstrukciya nazivayetsya diod na gomoperehodi yakraz dlya ilyustraciyi vidminnostej vid danogo tipa yakij sogodni vikoristovuyetsya dostatno shiroko Perevaga lazeriv z podvijnoyu geterostrukturoyu polyagaye v tomu sho oblast spivisnuvannya elektroniv i dirok aktivna oblast roztashovana v tonkomu serednomu shari Ce oznachaye sho nabagato bilshe elektronno dirkovih par davatimut vnesok v pidsilennya i ne tak bagato zalishitsya yih na periferiyi v oblasti z nizkim pidsilennyam Dodatkovo svitlo vidbivatimetsya vid samih geteroperehodiv tobto viprominyuvannya bude cilkom lokalizovano u oblasti maksimalno efektivnogo pidsilennya Diod z kvantovimi yamami Yaksho serednij shar dioda PGS zrobiti she tonshim takij shar pochne pracyuvati yak kvantova yama Ce oznachaye sho u vertikalnomu napryami energiya elektroniv pochne kvantuvatisya Riznicya mizh energetichnimi rivnyami kvantovih yam mozhe vikoristovuvatisya dlya generaciyi viprominyuvannya zamist potencijnogo bar yeru Takij pidhid duzhe efektivnij z oglyadu na mozhlivist keruvannya dovzhinoyu hvili viprominyuvannya yaka zalezhatime vid tovshini serednogo sharu Efektivnist takogo lazera bude vishoyu v porivnyanni z odnosharovim lazerom zavdyaki tomu sho gustina elektroniv i dirok sho berut uchast v procesi viprominyuvannya maye bilsh rivnomirnij rozpodil Geterostrukturni lazeri z rozdilnim utrimannyam Osnovna problema geterostrukturnih lazeriv z tonkim sharom nemozhlivist efektivnogo utrimannya svitla Shob podolati yiyi z dvoh storin kristala dodayut she dva shari Ci shari mayut menshij koeficiyent zalomlennya v porivnyanni z centralnimi sharami Taka struktura sho nagaduye svitlovod efektivnishe utrimuye svitlo Ci pristroyi nazivayutsya geterostrukturami z rozdilnim utrimannyam separate confinement heterostructure SCH Bilshist napivprovidnikovih lazeriv viroblenih pislya 1990 go roku vigotovleni za ciyeyu tehnologiyeyu Lazeri z rozpodilenim zvorotnim zv yazkom Lazeri z rozpodilenim zvorotnim zv yazkom RIS najchastishe vikoristovuyutsya v sistemah bagatochastotnogo optovolokonnogo zv yazku Shob stabilizuvati dovzhinu hvili v rajoni p n perehodu stvoryuyetsya poperechna nasichka stvoryuyucha difrakcijni gratki Zavdyaki cij nasichci viprominyuvannya tilki z odniyeyu dovzhinoyu hvili povertayetsya nazad v rezonator i bere uchast v podalshomu posilenni ROS lazeri mayut stabilnu dovzhinu hvili viprominyuvannya yaka viznachayetsya na etapi virobnictva krokom nasichki ale mozhe trohi minyatisya pid vplivom temperaturi Taki lazeri osnova suchasnih optichnih telekomunikacijnih sistem VCSEL VCSEL Poverhnevo viprominyuyuchij lazer z vertikalnim rezonatorom napivprovidnikovij lazer viprominyuyuchij svitlo v napryami perpendikulyarnomu poverhni kristala na vidminu vid zvichajnih lazernih diodiv viprominyuyuchih v ploshini paralelnij poverhni VECSEL VECSEL Poverhnevo viprominyuyuchij lazer z vertikalnim zovnishnim rezonatorom analogichnij VCSEL ale maye zovnishnij rezonator Zastosuvannya lazernih diodivLazerni diodi vazhlivi elektronni komponenti Voni znahodyat shiroke zastosuvannya yak kerovani dzherela svitla v optovolokonnih liniyah zv yazku Takozh voni vikoristovuyutsya v riznomu vimiryuvalnomu ustatkuvanni napriklad lazernih dalekomirah Inshe poshirene zastosuvannya zchituvannya shtrih kodiv Lazeri z vidimim viprominyuvannyam zvichajno chervoni i inodi i zeleni v cilivkazivnikah Infrachervoni i chervoni lazeri v progravachah CD i DVD diskiv Sini lazeri v pristroyah HD DVD i Blu Ray Doslidzhuyutsya mozhlivosti zastosuvannya napivprovidnikovih lazeriv v shvidkih i nedorogih pristroyah dlya spektroskopiyi Do momentu rozrobki nadijnih napivprovidnikovih lazeriv v progravachah CD i zchituvachiv shtrih kodu rozrobniki vimusheni buli vikoristovuvati nevelichki gelij neonovi lazeri Div takozhSvitlodiod Kolimator Superlyuminescentnij diodLiteraturaPilkun M Inzhekcionnye lazery Uspehi fizicheskih nauk 1969 T 98 vyp 2 PosilannyaKincade Kathy and Stephen Anderson 2005 Laser Marketplace 2005 Consumer applications boost laser sales 10 Laser Focus World vol 41 no 1 Steele Robert V 2005 Diode laser market grows at a slower rate Laser Focus World vol 41 no 2 Alferov Z I The double heterostructure concept and applications in physics electronics and technology 15 travnya 2006 u Wayback Machine Zhores I Alferov 2000 December 8 Nobelsvska lekciya Zh I Alforova