Как устроены и работают полупроводниковые лазерные диоды. Каковы преимущества диодных лазеров перед обычными. Где применяются лазерные диоды в современной технике. Кто изобрел эту технологию.
Что такое полупроводниковый лазерный диод
Полупроводниковый лазерный диод — это компактный источник когерентного света, работающий на основе вынужденного излучения в полупроводниковом p-n переходе. В отличие от громоздких газовых или твердотельных лазеров, лазерные диоды имеют миниатюрные размеры, сравнимые с обычными светодиодами.
Основные характеристики полупроводниковых лазерных диодов:
- Компактные размеры (порядка нескольких миллиметров)
- Высокий КПД (до 70%)
- Низкое энергопотребление
- Возможность прямой модуляции излучения
- Длительный срок службы (десятки тысяч часов)
- Низкая стоимость при массовом производстве
Благодаря этим преимуществам лазерные диоды нашли широкое применение в различных областях техники — от считывания информации в оптических дисках до волоконно-оптической связи.
Принцип работы полупроводникового лазера
Работа лазерного диода основана на явлении вынужденного излучения в полупроводниковом p-n переходе. Как работает этот процесс.
- При подаче прямого напряжения на p-n переход происходит инжекция носителей заряда — электронов в n-область и дырок в p-область.
- В узкой области p-n перехода (активной области) происходит рекомбинация носителей с излучением фотонов.
- Образовавшиеся фотоны вызывают вынужденное излучение новых фотонов при взаимодействии с другими возбужденными носителями.
- Процесс лавинообразно нарастает, формируя когерентное излучение.
- Оптический резонатор, образованный зеркальными гранями кристалла, обеспечивает положительную обратную связь и усиление излучения.
Таким образом, в лазерном диоде реализуется преобразование электрической энергии в энергию когерентного оптического излучения за счет вынужденных квантовых переходов в полупроводнике.
Конструкция и типы лазерных диодов
Базовая конструкция лазерного диода включает следующие основные элементы:
- Полупроводниковый кристалл с p-n переходом (обычно на основе GaAs или InGaAsP)
- Активная область, в которой происходит генерация излучения
- Оптический резонатор, образованный зеркальными гранями кристалла
- Электрические контакты для подачи тока накачки
- Теплоотвод для отвода выделяемого тепла
По конструкции активной области различают следующие основные типы лазерных диодов:
- Гомоструктурные — с однородной активной областью
- Гетероструктурные — с двойной гетероструктурой, ограничивающей активную область
- Квантоворазмерные — с квантовыми ямами в активной области
- Полосковые — с узкой полосковой активной областью
Наиболее высокими характеристиками обладают современные квантоворазмерные лазеры с множественными квантовыми ямами.
Преимущества диодных лазеров перед другими типами
По сравнению с другими типами лазеров, полупроводниковые лазерные диоды обладают рядом важных преимуществ:
- Компактность и малый вес. Размеры лазерных диодов составляют единицы миллиметров, что на порядки меньше газовых или твердотельных лазеров.
- Высокий КПД преобразования электрической энергии в световую — до 70% (у газовых лазеров — единицы процентов).
- Низкое энергопотребление и напряжение питания. Лазерные диоды работают при напряжениях 1-2 В и токах до сотен миллиампер.
- Возможность прямой модуляции излучения за счет изменения тока накачки. Это позволяет передавать информацию на частотах до десятков гигагерц.
- Длительный срок службы — десятки тысяч часов непрерывной работы.
- Низкая стоимость при массовом производстве. Технология изготовления лазерных диодов хорошо отработана.
Эти преимущества обеспечили широкое применение лазерных диодов в различных областях техники и технологий.
Области применения полупроводниковых лазеров
Благодаря своим уникальным характеристикам, лазерные диоды нашли применение во многих сферах:
- Оптические системы хранения и считывания информации (CD, DVD, Blu-ray диски)
- Волоконно-оптические линии связи
- Лазерные принтеры и сканеры
- Системы оптической локации и дальнометрии
- Лазерные указки и целеуказатели
- Медицинское оборудование (хирургия, офтальмология, стоматология)
- Накачка твердотельных и волоконных лазеров
- Спектроскопия и аналитические приборы
- Системы оптической памяти
Постоянно расширяются области применения лазерных диодов в промышленности, науке, медицине, телекоммуникациях и других сферах.
История создания полупроводниковых лазеров
Разработка полупроводниковых лазерных диодов стала важной вехой в развитии лазерной техники. Основные этапы создания этой технологии:
- 1962 г. — Роберт Холл из General Electric создает первый полупроводниковый лазер на основе арсенида галлия, работающий при криогенных температурах
- 1963 г. — Ж.И. Алферов в СССР и Г. Кремер в США независимо предлагают идею гетероструктур для улучшения характеристик лазеров
- 1970 г. — Создан первый лазерный диод, работающий при комнатной температуре (Ж.И. Алферов и др.)
- 1970-е гг. — Разработка технологии изготовления полосковых лазеров
- 1980-е гг. — Создание квантоворазмерных лазеров с множественными квантовыми ямами
- 1990-е гг. — Освоение массового производства лазерных диодов для оптических дисков и волоконной оптики
Сегодня технология полупроводниковых лазеров продолжает активно развиваться, открывая новые перспективы применения.
Перспективы развития лазерных диодов
Основные направления совершенствования технологии полупроводниковых лазеров:
- Повышение мощности излучения (до десятков ватт в непрерывном режиме)
- Расширение спектрального диапазона (от ультрафиолета до среднего ИК)
- Увеличение скорости модуляции (до 100 ГГц и выше)
- Улучшение температурной стабильности характеристик
- Повышение КПД и снижение энергопотребления
- Создание новых типов лазеров (каскадные, микродисковые и др.)
Развитие технологии лазерных диодов открывает новые перспективы их применения в фотонике, оптоэлектронике, квантовых вычислениях и других передовых областях науки и техники.
OPV332 LASER DIODE 850NM 1.5MW RAD T-1 TT Electronics/Optek Technology | 2,430 In Stock | 1 : $6.11000 Объемный | — | Активный | 850 нм | — | 20 мА | 1,5 мВт | Диаметр0005 | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
OPV300 LASER DIODE 850NM 1. TT Electronics/Optek Technology | 2,919 In Stock | 1 : $13.79000 Bulk | — | Active | 850NM | 2,2 В | 7ma | 1,5 МВт | Радиал, CAN, 3 свинца (5,4 мм, до-46) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
Spl9659 | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
1,950 In Stock | 1 : $27. Cut Tape (CT) 500 : $17.32924 лента и катушка (TR) | — | Tape & Reel (TR) Cut Tape (CT) Digi -Reel® | Active | 908NM | 11V | 40. 40000 9004 9004 9004 9004 | 141414141414141 241414141414141414141414141414141414141414141 2408 908 нм | 110005 | 4 | 908 нм | 0005 | 4-SMD, No Lead | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
VLM-650-03 LPT LASER DIODE 650NM 1MW Quarton Inc. | 975 In Stock | 1 : $18.61000 Bag | — | Active | 650nm | 2.6V ~ 5V | 40mA | 1mW | Cylinder (7.0mm Dia) | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
VLM-650-03 LPA LASER DIODE 650NM 2.5MW Quarton Inc. | 253 In Stock | 1 : $18.61000 Bulk | — | Active | 650nm | 2. 6V ~ 5V | 40MA | 2,5 МВт | — | ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
SPL PL90_3 Laser Diode 905NM 90W RAD 5,7 мм Opto Opto (AMS OSRAM) Opto (AMS OSRAM) 9000 9000 9000 0009 1,070 In Stock | 1 : $19.59000 Bulk | — | Active | 905nm | 8 ~ 11V | 40A | 90W | Radial, Can (5. 7mm ) | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
RLD78MZM7-00A 780NM Инфракрасный лазер с одним режимом ROHM Semiconductor | 494 494 .0009 1 : $22. Tray VLM-650-01 LPA LASER DIODE 650NM 3MW 10.4MM DIA Quarton Inc. 381 In Stock 1 : $24.09000 Bulk Quarton Inc. 242 в складе 1: долл.0005 OPV314YAT LASER Diode 850NM 1,4 М В. 1: $ 28,28000 Bulk TPGEW1S09H LASER DIODE 905NM 70W RADIAL Excelitas Technologies 1,700 In Stock 100 : $11.11500 Box PGEW 09PL OSRAM Opto (ams OSRAM) 1,169 In Stock 1 : $14. Bulk OPV302 Лазерные диод 850NM 1,5 МВт до 46 TT Electronics/Optek Throgilod.0008 215 In Stock 1 : $14.41000 Bulk PLT5 522EA_Q METAL CAN PLT5 522EA_Q OSRAM Opto (ams OSRAM) 184 In Stock 1 : $15.11000 Tray Metal Can® TO56 SPL TL90AT03 Металлическая банка до 56 — импульсный лазер DI OSRAM OPTO (AMS OSRAM) 375 9000 . Tray Metal Can® TO56 RLD63NPC5-00A 635NM Красный одномодный лазерный диод ROHM Semiconductor 354 1: $ 20.29000 1: .Лоток 9000 -63. Quarton Inc. 230 В складе 1: $ 21.03000 . VLM-650-01 LPT LASER DIODE 650NM 1MW 10.4MM DIA Quarton Inc. 3 864 в наличии 1: $ 24,09000 Бэк OPV314AT LASER DIODE 850NM 1. TT Electronics/Optek Technology 180 In Stock 1 : $28.63000 Bulk D405-20 LASER DIODE 405NM 20MW TO18 US-Lasers Inc. 103 In Stock 1 : $44. Bulk RLD82NZJ1-00A RLD82NZJ1-00A RLD82NZJ1-00A RLD82NZJ1-00A RLD82NZJ1-00A RLD82NZJ1-00A Rohm Semiconductor 408 In Stock 1 : $45. Tray D405-120 Лазерный диод 405 нм 120 МВт до 18 US-Lasers Inc. 451 9000 в складе 1: $ 75,55000 Bulk VLM-520-55 LPT LASER DIODE 520NM 0.9MW 10MM Quarton Inc. 994 In Stock 1 : $89.95000 Bulk RLD78NZM5-00A 780NM INFRARED Одиночный режим лазер ROHM Semiconductor 370 В наличии 1: $ 18,98000 Луч 0032 RLD65MZT7-00A 660NM RED SINGLE MODE LASER DIOD Rohm Semiconductor 355 в складе 1: $ 18,98000 ДРЕЙКА
Реклама
Лазеры — это предмет научной фантастики: большие и тяжелые коробки, которые производят ослепляющие взрывы.
света.
Если вы когда-нибудь видели обычный лазер в лаборатории, то знаете
это довольно здоровенный зверь: обычно такой же длины, как ваше предплечье,
довольно тяжелый, довольно горячий и способный производить очень интенсивный пучок света.
Но если лазеры такие большие, почему мы можем использовать их в таких мелочах, как
портативные проигрыватели компакт-дисков и портативные сканеры штрих-кодов?
Ответ заключается в том, что мы не делаем! В этих штуках используется совсем другой тип лазера.
примерно такого же размера, как (и работает аналогично) обычный светодиод
(светодиод). Известный как
полупроводниковые лазеры (также называемые диодными лазерами или инжекционными лазерами),
они были разработаны в начале 1960-е годы
Роберта Н. Холла и, во многом потому, что они такие компактные и недорогие, в настоящее время являются самыми
широко распространенные в мире лазеры. Artwork: диодные лазеры крошечные, легкие и компактные — идеально подходят для создания точных световых лучей внутри небольших электронных устройств. Содержание
Что такое полупроводниковый лазер? Скорее всего, вы использовали полупроводниковый лазер в последние несколько дней, даже не подозревая об этом.
это. Если вы смотрели DVD, вы «просматривали» его; если
вы были в продуктовом магазине и получили товар со штрих-кодом
проверить, что вы купили с одним; если вы сделали междугородний телефон
звонок по оптоволоконному кабелю, по которому вы «проговорили»; и если
вы что-то напечатали на лазерном принтере, ваша распечатка прошла очень близко к единице. Если вы читали нашу статью о диодах, вы уже имеете представление о том, как работают светодиоды. По сути, светодиод — это полупроводниковый бутерброд с «хлебом». сделанный из кусочков двух разных видов обработанного кремния, известного как p-типа (богатые «дырками» или, другими словами, немного лишенные электронов крошечные отрицательно заряженные частицы внутри атомов) и n-типа (с немного слишком много электронов). Соедините два кусочка вместе, и вы сделаете то, что называется диодом с p-n переходом, который имеет все виды интересные свойства. В обычном диоде p-n переход работает как турникет, позволяющий
электрический ток течет только в одном направлении (известном как
операция с прямым смещением). Когда электроны текут через это
барьер, они совмещаются с отверстиями на другой стороне и выдают
энергия в виде фононов (звуковых колебаний), которые
исчезают в кристалле кремния. Как диодные лазеры излучают свет В лазерном диоде мы делаем шаг вперед, чтобы сделать возникающий свет более чистым
и мощный. Вместо использования кремния в качестве
полупроводник, мы используем другой материал, а именно сплав
арсенид алюминия и галлия (фосфид арсенида галлия индия
еще один популярный вариант). Электроны инжектируются в диод, они
соединяются с дырками, и часть их избыточной энергии преобразуется в
фотоны, которые взаимодействуют с большим количеством входящих электронов, помогая
производить больше фотонов — и так далее в своего рода самовоспроизводящемся
процесс, называемый резонансом. Работа: Базовая установка лазерного диода. Лазерный свет создается, когда электроны и фотоны взаимодействуют в p-n переходе, устроенном аналогично обычному переходному диоду или светодиоду. Один конец диода отполирован, чтобы из него мог выходить лазерный свет. Другие концы оставляют шероховатыми, чтобы ограничить свет. В обычном лазере концентрированный световой пучок создается путем «накачки»
свет, испускаемый атомами многократно между двумя зеркалами. В лазере
диод, эквивалентный процесс происходит, когда фотоны отскакивают назад и
вперед в микроскопическом соединении (шириной примерно один микрометр)
между пластинами полупроводника p-типа и n-типа, что технически известно
как резонатор Фабри-Перо (своего рода интерферометр). Усиленный лазерный свет в конечном итоге выходит из полированного конца зазора в луче, параллельном стыку. Рекламные ссылки Многослойные лазерные диоды Ранние лазерные диоды могли излучать только один относительно слабый луч, но изобретательные инженеры-электронщики вскоре нашли способы сделать их значительно более мощными. С 1990-х годов одним из распространенных подходов было размещение нескольких лазерных диодов друг над другом (как в многоквартирном доме), а затем фокусировка их отдельных лучей в один выходной луч с помощью
коллиматор и/или линза. Такой вид аранжировки
по-разному называемые полупроводниковым лазерным стеком, многослойным лазерным диодом или просто диодным стеком. Помимо увеличения мощности
чем один лазерный диод, стек открывает возможность генерировать несколько разных длин волн одновременно
(потому что каждый лазер в стеке может сделать другой). Произведение: простой многослойный лазерный диод, состоящий из двух диодных лазеров, расположенных один над другим, и изготовлены из легированных слоев арсенида галлия алюминия. клеммы (омические контакты) показаны серым цветом сверху и снизу, подложка (основной материал) — зеленым, слои P-типа показаны синим цветом, а слои N-типа — красным. Туннельный переход обозначен J2. Работа предоставлена Управлением по патентам и товарным знакам США, из патента США № 5 212 706: Сборка лазерных диодов с туннельными переходами и созданием нескольких лучей Факира К. Джейна, Университет Коннектикута, 18, 19 мая.93. Кто изобрел полупроводниковые лазерные диоды? Кого мы благодарим за это фантастическое изобретение? Доктор Роберт Н. Изображение: оригинальный патент Роберта Холла на лазерный диод, любезно предоставленный Управлением по патентам и товарным знакам США.
Более подробно вы можете прочитать в патенте Роберта Холла, ссылка на который приведена ниже. Для чего можно использовать диодные лазеры?Фото: Предупреждение: может содержать (содержит) лазеры! Подобные этикетки на таких продуктах, как CD/CVD-плееры, лазерные принтеры, лазерные указки и т. д., говорят о том, что внутри находится диодный лазер. Обычные лабораторные лазеры — большие звери, как мы уже видели, — они не так уж отличаются от того, который Голдфингер использовал в одноименном фильме о Джеймсе Бонде. Иными словами, все относительно компактное устройство, для питания которого требуется лазер, скорее всего, будет использовать диодный лазер, а не «лазер Голдфингера». В проигрывателях компакт-дисков, сканерах штрих-кодов, оптоволоконных телефонных линиях, стоматологических инструментах, устройствах для лазерной эпиляции, лазерных указках и лазерных принтерах используются диодные лазеры, потому что они маленькие, компактные и недорогие. Однако из этого не следует, что они маломощны и ничтожны — по трем причинам.
Последние разработки лазерные диоды глубокого ультрафиолета указывают путь к меньшим и более дешевым биосенсорам и множество других интересных биологических применений, включая дешевую стерилизацию продуктов питания и воды. Узнайте большеНа этом сайте
На других веб-сайтах
КнигиПодходят для студентов бакалавриата:
Статьи
Видео
ПатентыДля получения более подробной технической информации попробуйте эти репрезентативные патенты (и перейдите по ссылкам на предшествующий уровень техники и цитатам внутри них, чтобы найти другие):
Пожалуйста, НЕ копируйте наши статьи в блоги и другие веб-сайты. Статьи с этого веб-сайта зарегистрированы в Бюро регистрации авторских прав США. Авторские права на текст © Chris Woodford 2009, 2020. Все права защищены. Полное уведомление об авторских правах и условия использования. Подписывайтесь на насОцените эту страницуПожалуйста, оцените эту страницу или оставьте отзыв, и я сделаю пожертвование WaterAid. Сохранить или поделиться этой страницейНажмите CTRL + D, чтобы добавить эту страницу в закладки на будущее или рассказать о ней своим друзьям: Цитировать эту страницу Вудфорд, Крис. (2009/2020) Полупроводниковые диодные лазеры. Получено с https://www.explainthatstuff.com/semiconductorlaserdiodes. Похожие записи
. |
5MW TO46
62000 
31000 
2V
0016 $18.14000 
63.63.63.63.63.635.635.635.635 -635 -AREL -635.635.635 -635 -AREL -635 -ARELI -635 -635 -635.635.635 -635 -635 -635 -635 -635 -635 -635 -635 -Arod -635 -635 -ADER. 7 мм DIA
0005
4MW PANEL ST
50000 
48000 
704.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004.7004 9004.70047.7004.7004.7004.7004 9004.7004 9004.7004. -18)
3V
org/Person»> Криса Вудфорда. Последнее обновление: 7 августа 2021 г.
Полупроводниковые лазеры излучают мощные и точные лучи света (например,
обычные лазеры), но они примерно того же размера, что и простые светодиоды.
маленькие цветные лампочки, которые вы видите на электронных приборных панелях.
Это многократное преобразование входящего
электронов в исходящие фотоны аналогичен процессу
вынужденное излучение, возникающее в обычном газовом
лазер.
Оттуда он читает музыку с вашего компакт-диска, сканирует цену на ваши кукурузные хлопья, распечатывает вашу диссертацию в колледже или делает тысячу других полезных вещей!
Вместо одного PN-перехода их несколько, и лучи лазерного света выходят из активных слоев между ними; как правило, между сложенными слоями имеется по крайней мере одно туннельное соединение. Одна пара клемм (иногда называемых омическими контактами) подает электроэнергию на весь стек.
Холл из General Electric, который подал свой патент на эту идею («Полупроводниковые устройства с вынужденным излучением») 24 октября 1962 г. (он был выдан в качестве патента США № 3 245 002 5 апреля 1966 г.). Вот один из рисунков из этого патента, показывающий базовое расположение деталей, описанных выше. Нумерация оригинальная Холла, но я добавил раскраски и упрощенные описания, чтобы было легче следовать:
Чоу и Стефана В. Коха. Спрингер, 2013.
IEEE Spectrum, 1 февраля 2006 г. Можем ли мы рассчитывать на новую эру транзисторных лазеров, которые могут создавать как оптические, так и электрические выходы?
7 февраля 1967 г. Основываясь на патенте Холла, в нем описываются более мощные диоды с большей эффективностью.
Копирование или иное использование зарегистрированных произведений без разрешения, удаление этого или других уведомлений об авторских правах и/или нарушение смежных прав может повлечь за собой серьезные гражданские или уголовные санкции.