Diodă laser

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Module și indicatoare cu diode laser cu lungimi de undă, de jos în sus, de 660, 635, 532, 520, 445, 405nm.

O diodă laser (sau LD , de la Laser Diode în engleză ) este un dispozitiv optoelectronic capabil să emită un fascicul laser emis de regiunea activă a semiconductorului cu care este fabricat dispozitivul în sine. Structura semiconductorului este foarte asemănătoare cu cea utilizată în producția de LED ( diodă emițătoare de lumină ).

Cel mai frecvent tip de diodă laser de pe piață este format dintr-o joncțiune pn în care este injectat un curent electric . Aceste dispozitive sunt adesea numite diode laser cu injecție pentru a le distinge de cele pompate optic, care sunt mai ușor de fabricat în laborator.

Aplicații

Diodele laser sunt cele mai frecvente lasere de pe piață: 733 milioane au fost vândute în 2004, împotriva a 131.000 pentru alte tipuri de lasere. Aplicațiile sunt cele mai variate:

O diodă laser inclusă în carcasă, comparată cu o monedă de penny pentru o comparație a scării.

Principiul de funcționare

Imaginea cipului cu diodă laser (afișată lângă un ochi de ac pentru a arăta scara) în interiorul containerului prezentat în imaginea anterioară.

O diodă laser, ca multe alte dispozitive electronice, este alcătuită din material semiconductor dopat prezent pe un strat foarte subțire pe suprafața unei napolitane de cristal. Cristalul este dopat pentru a produce un tip n semiconductor regiune și un tip p semiconductor regiune, una peste alta, pentru a obține o joncțiune pn , adică o diodă .

Ca și în alte tipuri de diode, atunci când structura este direct polarizată, găurile din regiunea p sunt injectate în regiunea n, unde electronii sunt purtătorii majoritari de sarcină. În mod similar, electronii din regiunea n sunt injectați în regiunea p, unde găurile sunt purtătorii majoritari. Când un electron și o gaură sunt prezente în aceeași regiune, se pot recombina prin emisie spontană , adică electronul poate reocupa starea energetică a găurii, emitând un foton cu o energie egală cu diferența dintre stările electronului și gaura implicata. Acești electroni și găuri injectate reprezintă curentul de injecție al diodei, iar emisia spontană conferă diodei laser sub pragul laserului proprietăți de tip LED . Emisia spontană este necesară pentru a iniția oscilația laserului, dar provoacă ineficiență odată ce laserul oscilează.

Diagrama (nu la scară) a unei diode laser simple.

În condiții adecvate, electronul și orificiul pot coexista în aceeași zonă pentru o perioadă de timp (de ordinea microsecundelor) înainte de a se recombina. Atunci un foton din apropiere cu energie egală cu energia de recombinare îl poate provoca prin emisie stimulată . Aceasta generează un alt foton cu aceeași frecvență, călătorind în aceeași direcție, cu aceeași polarizare și fază ca și primul foton. Aceasta înseamnă că emisia stimulată determină un câștig într-o undă optică (de lungime de undă corectă) în regiunea de injecție, iar câștigul crește pe măsură ce crește numărul de electroni și găuri injectate pe joncțiune. Procesele de emisie spontană și stimulată sunt mult mai eficiente în semiconductorii cu bandă directă decât în ​​cele indirecte cu bandă , prin urmare, siliciul nu este un material utilizat pe scară largă pentru diodele laser.

Ca și în alte lasere, regiunea de câștig este înconjurată de o cavitate optică care formează laserul. În cea mai simplă formă de diodă laser, la suprafața cristalului se realizează un ghidaj optic, structurat astfel încât să limiteze lumina într-o linie relativ îngustă. Cele două capete ale cristalului sunt gravate pentru a obține suprafețele plane și perfect paralele ale unui rezonator Fabry-Perot . Fotonii emiși într-un anumit mod de propagare a ghidului de undă vor călători de-a lungul ghidului de undă și vor fi reflectați de multe ori de pe fața fiecărui capăt înainte de a fi emiși. Când o undă luminoasă trece prin cavitate, aceasta este amplificată prin emisie stimulată , dar o parte din lumină se pierde și prin absorbție și reflexie incompletă pe față. În cele din urmă, dacă amplificarea depășește pierderile, dioda începe să emită lumină laser.

Unele proprietăți importante ale diodelor laser sunt determinate de geometria cavității optice. În general, de-a lungul direcției verticale, lumina este conținută într-un strat extrem de subțire, iar structura oferă o singură cale de propagare optică în direcția perpendiculară pe straturi. În direcția laterală, dacă ghidul de undă este larg comparativ cu lungimea de undă a luminii, acesta poate oferi mai multe moduri optice laterale, iar laserul se numește multimod . Aceste lasere cu multe moduri laterale sunt indicate în cazurile în care este necesară o putere considerabilă, dar nu un fascicul îngust, cum ar fi imprimarea, activarea proceselor chimice sau pomparea altor tipuri de lasere. În aplicațiile în care este necesar un fascicul cu focalizare fină, ghidul de undă trebuie să fie îngust, de ordinul lungimii de undă. În acest caz, se utilizează un singur mod de propagare laterală pentru a obține un fascicul limitat de difracție. Aceste dispozitive monomod sunt utilizate pentru stocarea optică, indicii laser și fibre optice. Trebuie remarcat faptul că aceste lasere pot oferi în continuare mai multe moduri de propagare longitudinală și, astfel, pot emite lumină laser la diferite lungimi de undă.

Lungimea de undă emisă este o funcție a decalajului de energie dintre benzile semiconductoare și modurile de propagare ale cavității optice. În general, câștigul maxim se obține pentru fotoni cu energie puțin mai mare decât cea a decalajului, iar modurile de propagare cele mai apropiate de vârful câștigului vor emite predominant. Dacă dioda este acționată cu o putere suficientă, vor exista și emisii suplimentare, numite moduri laterale . Unele diode laser, inclusiv cele mai multe dintre cele care funcționează în lumină vizibilă, funcționează la o lungime de undă fixă, dar lungimea de undă nu este stabilă și se modifică în timp în funcție de temperatură și curent.

Datorită difracției , fasciculul diverg (se lărgește) rapid după părăsirea cavității, la un unghi tipic de 30 de grade pe verticală și 10 grade lateral. O lentilă trebuie utilizată pentru a forma un fascicul colimat de tipul necesar, de exemplu, pentru un indicator laser. Dacă este necesar un fascicul circular, vor fi necesare dispozitive optice mai complexe, cu lentile cilindrice și multe altele. Laserele cu un singur mod spațial, care utilizează lentile simetrice, vor oferi un fascicul eliptic, datorită diferenței dintre divergențele verticale și laterale. Această caracteristică este ușor de văzut în indicatoarele laser ieftine. Dioda simplă descrisă mai sus a fost puternic modificată în ultimii ani, datorită unei evoluții tehnologice care a oferit o varietate de tipuri de diode laser, descrise mai jos.

Tipuri de diode laser

Structura simplă a diodei laser descrisă mai sus este extrem de ineficientă. Astfel de dispozitive necesită atât de multă putere încât pot obține operațiuni impulsive numai fără a deteriora dispozitivul. Deși acestea din urmă au fost importante din punct de vedere istoric și sunt simple în funcțiune, prin urmare utile pentru predare, aceste dispozitive nu sunt practice.

Laser cu dublă heterostructură

Primul care a arătat emisia de lumină coerentă de la o diodă semiconductoare (prima diodă laser ), a fost Robert N. Hall și echipa sa de la centrul de cercetare General Electric în noiembrie 1962 [1]

Alte grupuri de la laboratoarele IBM, MIT Lincoln, Texas Instruments și RCA au fost implicate și au primit recunoaștere pentru primele demonstrații de emisie eficientă de lumină și lumină laser cu diodă semiconductoare în 1962 și după aceea.

Prima diodă laser care funcționa în modul de undă continuă a fost un dispozitiv heterostructură dublă demonstrat practic simultan de Zhores Alferov și colaboratorii (inclusiv Dmitri Z. Garbuzov ) din Uniunea Sovietică și Morton Panish și Izuo Hayashi care au lucrat în Statele Unite.

În aceste dispozitive, un strat de material bandgap scăzut este plasat între două straturi de bandgap înalt. Câteva dintre materialele utilizate pe scară largă sunt arsenura de galiu (GaAs) cu arsenura de aluminiu-galiu (Al x Ga (1-x) As). Fiecare joncțiune între diferite materiale bandgap este numită heterostructură , de unde și denumirea de "laser heterostructură duală" sau laser DH . Tipul diodei laser descris în prima parte a articolului poate fi numit și laser homogiunction , spre deosebire de aceste dispozitive mai populare.

Avantajul unui laser DH este că regiunea în care există simultan electroni și găuri libere, regiunea „activă”, este limitată la stratul intermediar subțire. Aceasta înseamnă că mai multe perechi electron-gaură pot contribui la amplificare și nu sunt lăsate la fel de multe ca în periferia cu amplificare redusă. Mai mult, lumina este reflectată de heterojuncție; prin urmare, lumina este limitată la regiunea în care are loc efectul de amplificare.

Laser cu puț cuantic

Dacă stratul de mijloc este construit suficient de subțire, acesta acționează ca un puț cuantic . Aceasta înseamnă că variația verticală a funcției de undă a electronului, pentru care o componentă a energiei sale, este cuantificată. Eficiența unui laser cu puț cuantic este mai mare decât cea a unui laser simplu, deoarece funcția de densitate a stării electronilor în sistemul cu puț cuantic are o schimbare bruscă care concentrează electronii în stări de energie care contribuie la acțiunea laserului.

Laserele care conțin mai mult de un strat cu puț cuantic sunt cunoscute sub numele de lasere cu puț cuantic multiple . Fântânile cuantice multiple îmbunătățesc suprapunerea regiunilor de câștig cu modul normal de ghid de undă optic.

S-au demonstrat îmbunătățiri suplimentare în eficiența laserului prin reducerea stratului de sonde cuantice la un fir cuantic sau o „mare” de puncte cuantice .

Într-un laser cu cascadă cuantică , diferența dintre nivelurile de energie ale puțului cuantic este utilizată pentru tranziția laser în loc de bandgap. Acest lucru permite acțiunea laserului la lungimi de undă relativ mari, care pot fi ajustate pur și simplu prin modificarea grosimii stratului. Până în prezent ( 2005 ), laserele cu cascadă cuantice nu sunt încă foarte comercializate.

Laser heterostructură de confinare separat

Problema cu dioda cuantică simplă de scurgere descrisă mai sus este că stratul subțire este pur și simplu prea mic pentru a limita în mod eficient lumina. Pentru a compensa, se adaugă încă două straturi, extern la primele trei. Aceste straturi au un indice de refracție mai mic decât straturile centrale și, prin urmare, pot limita lumina mai eficient. Acest design se numește diodă laser heterostructură de izolare ( SCH ) separată.

Aproape toate diodele laser comerciale produse din 1990 au fost diode cuantice cu tunel SCH .

Laser cu feedback distribuit

Laserele distribuite FeedBack (DFB) sunt cel mai comun tip de transmițătoare în sistemele DWDM . Pentru a stabiliza lungimea de undă a laserului, o rețea de difracție este gravată lângă joncțiunea pn a diodei. Această rețea acționează ca un filtru optic, permițând returnarea unei singure lungimi de undă în regiunea de câștig. Deoarece grătarul oferă feedback-ul necesar pentru efectul laser, reflectarea fațetelor nu este necesară. Prin urmare, cel puțin o față a unui DFB are un strat antireflexiv . Laserele DFB au o lungime de undă stabilă, care este setată în timpul procesului de fabricație de pasul grătarului și care variază doar ușor în funcție de temperatură. Aceste lasere sunt „calele de lucru” ale celor mai exigente tehnologii de comunicații optice.

VCSEL

Laserele cu emisie de suprafață a cavității verticale VCSEL au axa cavității optice de-a lungul direcției fluxului de curent în loc să fie perpendiculară pe fluxul de curent ca în diodele laser convenționale. Lungimea regiunii active este foarte scurtă în comparație cu dimensiunile laterale, astfel încât radiația iese din „suprafața” cavității mai degrabă decât din margini, așa cum se arată în Fig. 2. Reflectoarele de pe laturile cavității sunt oglinzi dielectrice construite prin alternarea straturilor cu indici de refracție înalți și scăzuți ai filmului gros multistrat de un sfert de undă.

VECSEL

Laserele cu suprafață verticală cu cavitate externă sau VECSEL sunt similare cu VCSEL-urile. În VCSEL-uri, oglinzile sunt de obicei create prin epitaxie ca parte a structurii diodei, sau crescute separat și conectate direct la semiconductorul care conține regiunea activă. VECSEL-urile se disting printr-o tehnică de construcție în care una dintre cele două oglinzi este externă structurii diodei. Ca urmare, cavitatea include o regiune de spațiu liber. O distanță tipică de la diodă la oglinda externă este de 1 cm.

Alte aplicații ale diodelor laser

Una dintre aplicațiile diodei laser este în vulcanism , unde se măsoară prezența gazelor emise de vulcan și tipul. [2]


Defecte

Diodele laser au fiabilitate și eșecuri similare cu LED-urile . De asemenea, sunt predispuși la deteriorarea optică catastrofală (COD) atunci când rulează la putere mare. Multe dintre îmbunătățirile în fiabilitatea diodelor laser din ultimii 20 de ani rămân proprietatea dezvoltatorilor lor respectivi. Fiabilitatea unei diode laser poate face sau rupe o linie de producție. Mai mult, tehnica de inginerie inversă nu este întotdeauna capabilă să descopere diferențele dintre cele mai fiabile diode laser și cele mai puțin fiabile.

La marginea diodei laser, când se emite lumină, se creează adesea o oglindă prin crăparea napolitanei semiconductoare pentru a forma un plan reflectorizant specular. Această abordare este simplificată de slăbiciunea planului cristalografic [110] în cristalele semiconductoare de tip III-V (cum ar fi arsenura de galiu , fosfura de indiu , antimonida de galiu etc.) în comparație cu alte planuri. O zgârietură pe marginea napolitanei și o ușoară forță de răsucire creează un plan de fantă aproape perfect atomic, care se formează și se propagă în linie dreaptă prin napolitane.

Cu toate acestea, se întâmplă ca stările atomice de pe planul fantei să fie modificate (în raport cu proprietățile brute ale cristalului) prin încheierea periodicității perfecte a grătarului pe plan. Stările de suprafață la planul fantei au niveluri de energie în intervalul de bandă (altfel) al semiconductorului.

Rezultatul în practică este că atunci când lumina se propagă prin planul fantei și trece în spațiul liber din interiorul cristalului semiconductor, o fracțiune din energia luminii este absorbită de stările de suprafață de unde este convertită în căldură prin interacțiunile fononice . - electron . Toate acestea încălzesc oglinda cu fantă. De asemenea, oglinda se poate încălzi pur și simplu datorită faptului că marginea diodei laser pompate electric este în contact mai puțin perfect cu suportul care oferă o cale pentru disiparea căldurii. Încălzirea oglinzii determină o reducere a spațiului de bandă al semiconductorului în zonele cele mai fierbinți. Reducerea decalajului de bandă determină mai mulți electroni în tranzițiile electronice de bandă-bandă să se alinieze cu energia fotonică, provocând o absorbție și mai mare. Acest efect termic în avalanșă , o formă de feedback pozitiv , poate provoca fuziunea fațetelor și este cunoscut sub numele de daune optice catastrofale sau COD (Catastrophic Optical Damage English).

Această problemă, deosebit de insidioasă pentru laserele GaAs cu o lungime de undă cuprinsă între 1 µm și 0,630 µm (mai puțin pentru cele bazate pe InP utilizate pentru comunicații pe distanțe lungi care emit între 1,3 µm și 2 µm), a fost identificată în anii 1970 . Michael Ettenberg, cercetător și ulterior vicepreședinte al laboratoarelor RCA , la Centrul de Cercetare David Sarnoff din Princeton, New Jersey , a creat o soluție. Un strat subțire de oxid de aluminiu a fost depus pe fațetă. Dacă grosimea oxidului de aluminiu este aleasă corect, acesta funcționează ca un tratament antireflexiv , reducând reflexia la suprafață. Acest lucru reduce încălzirea și, prin urmare, COD pe fațete.

De atunci, multe alte tehnici au fost dezvoltate și rafinate. O altă abordare este de a crea o așa-numită oglindă de non-absorbție (NAM), astfel încât în ​​ultimii 10 µm înainte ca lumina să fie emisă de fațeta crăpată, aceasta să devină neabsorbentă la lungimea de undă de interes.

La începutul anilor 1990, SDL Inc. a început să furnizeze diode laser de mare putere, cu caracteristici bune de fiabilitate. Donald Scifres și David Welch, CEO al companiei și respectiv CTO , au prezentat aceste noi date de fiabilitate la conferința SPIE Photonics West Photonics. Metodele utilizate de SDL pentru descompunerea COD au fost considerate secrete comerciale și nu au fost încă divulgate public (iunie 2006).

La mijlocul anilor 1990, IBM Research ( Rüschlikon , Elveția ) a anunțat că a dezvoltat așa-numitul „proces E2” care conferea rezistență extraordinară la COD în diodele laser bazate pe GaAs. Detalii despre acest proces nu au fost dezvăluite până în prezent (iunie 2006).

Fiabilitatea barelor pompei cu diodă laser de mare putere (utilizate pentru a pompa lasere cu stare solidă) rămâne o problemă în multe aplicații, în ciuda tuturor acestor îmbunătățiri proprietare. De fapt, fizica eșecurilor diodelor laser nu este încă pe deplin înțeleasă și cercetările în acest domeniu sunt foarte active, deși adesea nu sunt publice.

Prelungirea duratei de viață a diodei laser este esențială pentru aplicarea sa într-o mare varietate de domenii.


Notă

  1. ^ Robert N. Hall, GE Fenner, JD Kingsley, TJ Soltys și RO Carlson, Coherent Light Emission From GaAs Junctions , în Physical Review Letters , vol. 9, nr. 9, noiembrie 1962, pp. 366–369, DOI : 10.1103 / PhysRevLett.9.366 .
  2. ^ Chiarugi, A., Viciani, S., D'Amato, F. și Burton, M.: Analizor de gaz pe bază de laser cu diode pentru măsurarea simultană a CO2 și HF în penele vulcanice, Atmos. Măs. Teh., 11, 329-339, https://doi.org/10.5194/amt-11-329-2018 , 2018.

Bibliografie

  • ( EN ) Kathy Kincade și Stephen Anderson, Laser Marketplace 2005: aplicațiile pentru consumatori sporesc vânzările de laser cu 10% , în Laser Focus World , vol. 41, nr. 1, 2005.
  • ( RO ) Robert V. Steele, Piața laserelor cu diode crește într-un ritm mai lent , în Laser Focus World , vol. 41, nr. 2, 2005.

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85066430 · GND (DE) 4195920-6
Adus de la „ https://it.wikipedia.org/w/index.php?title=Diodo_laser&oldid=116354228 ”