Лазерный светодиод: принцип работы, особенности и применение

Что такое лазерный светодиод. Как он устроен и работает. Чем отличается от обычного светодиода. Где применяются лазерные диоды. Какие преимущества и недостатки у этой технологии.

Что такое лазерный светодиод и как он устроен

Лазерный светодиод (лазерный диод) — это полупроводниковый источник когерентного оптического излучения, работающий на основе вынужденного излучения. В отличие от обычного светодиода, лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор, который обеспечивает усиление света за счет вынужденного излучения.

Основные компоненты лазерного диода:

• Активная область на основе полупроводникового p-n-перехода
• Оптический резонатор, образованный зеркальными гранями кристалла
• Контакты для подачи тока накачки

Как работает лазерный диод?

1. При пропускании тока через p-n-переход происходит инжекция носителей заряда в активную область
2. В активной области создается инверсная заселенность энергетических уровней
3. Спонтанно возникшие фотоны многократно отражаются от зеркальных граней резонатора
4. Отраженные фотоны вызывают вынужденное излучение, усиливая световой поток
5. При превышении порогового тока начинается лазерная генерация

Чем лазерный диод отличается от обычного светодиода

Основные отличия лазерного диода от обычного светодиода:

Параметр	Обычный светодиод	Лазерный диод
Принцип работы	Спонтанное излучение	Вынужденное излучение
Когерентность излучения	Некогерентное	Когерентное
Ширина спектра	Широкий спектр	Узкий спектр
Направленность излучения	Широкая диаграмма	Узконаправленное
Пороговый ток	Отсутствует	Есть

Основные характеристики лазерных диодов

Ключевые параметры лазерных диодов:

• Длина волны излучения — определяется материалом полупроводника
• Пороговый ток — минимальный ток, при котором начинается лазерная генерация
• Выходная оптическая мощность — зависит от тока накачки
• Диаграмма направленности излучения — обычно 10-40 градусов
• Рабочая температура — влияет на длину волны и пороговый ток
• КПД — отношение оптической мощности к электрической (до 70%)

Применение лазерных диодов в различных областях

Лазерные диоды широко используются в различных сферах благодаря своим уникальным свойствам:

• Волоконно-оптическая связь — источники излучения для передачи данных
• Оптические накопители — считывание/запись информации на CD/DVD/Blu-ray
• Лазерные указки и целеуказатели
• Лазерные принтеры и сканеры
• Медицинское оборудование — хирургические и терапевтические лазеры
• Промышленные лазеры для резки и сварки материалов
• Системы машинного зрения и 3D-сканирования
• Накачка твердотельных и волоконных лазеров

Преимущества и недостатки лазерных диодов

Основные достоинства лазерных диодов:

• Высокий КПД (до 70%)
• Компактные размеры
• Низкое энергопотребление
• Возможность прямой модуляции излучения
• Длительный срок службы (десятки тысяч часов)
• Низкая стоимость при массовом производстве

Недостатки лазерных диодов:

• Чувствительность к электростатическим разрядам
• Зависимость параметров от температуры
• Необходимость стабилизации тока и температуры
• Асимметричная диаграмма направленности излучения
• Ограниченная максимальная мощность одиночного излучателя

Особенности работы с лазерными диодами

При использовании лазерных диодов важно соблюдать ряд правил:

1. Использовать стабилизированные источники тока для питания
2. Не превышать максимально допустимый ток и мощность
3. Обеспечивать эффективный теплоотвод
4. Защищать от электростатических разрядов при монтаже
5. Применять оптическую обратную связь для стабилизации мощности
6. Учитывать влияние температуры на параметры излучения
7. Использовать специальные драйверы с защитой от перегрузок

Перспективы развития технологии лазерных диодов

Основные направления совершенствования лазерных диодов:

• Повышение КПД и выходной мощности
• Расширение спектрального диапазона (особенно в зеленой и УФ областях)
• Улучшение температурной стабильности характеристик
• Создание мощных многоэлементных излучателей
• Интеграция с оптическими и электронными компонентами
• Развитие технологии вертикально-излучающих лазеров (VCSEL)
• Применение новых полупроводниковых материалов и гетероструктур

Лазерные диоды остаются одним из наиболее перспективных и быстро развивающихся типов лазеров. Их уникальные свойства открывают широкие возможности для создания компактных и эффективных оптоэлектронных устройств в различных областях науки и техники.

зажечь и не сжечь / Хабр

Лазерный диод — это на самом деле вон та тоненькая палочка, к которой тянутся золотые провода. Маленький кубик левее — защитный диод, спасающий лазерный диод от импульсов обратного напряжения

Радиолюбители часто пытаются с той или иной степенью успешности использовать в своих конструкциях полупроводниковые лазерные излучатели видимого и ИК спектра. Лазерный диод внешне кажется довольно простым полупроводниковым прибором. Ему не нужно ни высоких напряжений, ни колоссальных токов. Он на первый взгляд похож на светодиод: пропустил через него ток — получил на выходе излучение. Тем не менее, в использовании полупроводниковых лазеров кроется некоторое количество подводных камней, игнорирование которых ведет прежде всего к снижению их надежности, к быстрой деградации выходной мощности и качества пучка, а нередко и к мгновенному выходу из строя еще до первого включения. В этой статье я хотел бы обратить на эти подводные камни внимание.

Почти светодиод

Структура лазерного диода напоминает обычный светодиод, и в сущности им же и является. Двойная гетероструктура, гетероструктура с квантовыми ямами и квантовыми точками — все эти типы светоизлучающих полупроводниковых структур применяются и в современных высокоэффективных светодиодах. Задачи у этих структур в светодиоде и лазере отличаются: в первом нужно за счет рекомбинации получить излучение само по себе, во втором — инверсную заселенность, превращающую полупроводник в активную среду, усиливающую свет. Тем не менее, решаются они почти одинаково. Первые полупроводниковые лазеры, созданные в 1962 году американцами Робертом Холлом и Ником Холоньяком и советскими учеными Николаем Басовым, Олегом Крохиным и Юрием Поповым, были сделаны на основе обычного pn-перехода на арсениде галлия, излучающего свет в ближней инфракрасной области, и на арсениде-фосфиде галлия — видимый красный свет. Из-за низкой эффективности такие лазеры работали лишь при чудовищной плотности тока, только в импульсном режиме и при охлаждении до криогенных температур, что не только спасало кристалл от расплавления, но и повышало эффективность преобразования энергии тока в энергию возбужденных состояний и удлиняло время их жизни, что облегчало получение инверсной заселенности.

На этом рисунке (из Нобелевской лекции Жореса Алферова) приведен пример схемы строения активной зоны типичного современного лазерного диода, включающего квантовую яму из нелегированного высокоомного арсенида галлия и гетероструктурную сверхрешетку из тончайших (доли нанометра) слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, а также слои с более высоким показателем преломления, обеспечивающие удержание света в активной зоне.

А чтобы превратить светодиод в лазер, не хватает самой малости. Имя ей —

Оптический резонатор

Размеры активной зоны на основе полупроводникового кристалла чрезвычайно малы и встроить его в традиционный оптический резонатор из зеркал и линз было бы очень сложно, а еще сложнее — отъюстировать эту оптическую схему. Тем не менее, первый лазерный диод был создан практически сразу же после изобретения светодиода, и помогло в этом полезное свойство кристаллов арсенида галлия — совершенная спайность. Этим понятием называют способность некоторых кристаллов легко раскалываться по параллельным плоскостям, совпадающим с определенными кристаллографическими гранями. Если кристалл совершенен, имеет низкую плотность дислокаций и лишен блочного, мозаичного строения, эти сколы совершенно плоски, атомно гладки (за исключением отдельных ступеней) и абсолютно параллельны друг другу. А в силу высокого показателя преломления эти грани хорошо отражают свет. Эти два параллельных скола, перпендикулярные плоскости активной зоны диода, и образуют резонатор. Оптические свойства двойной гетероструктуры, являющейся по сути волноводом, способствуют снижению потерь света в резонаторе. В современных лазерных диодах волновод формируют в кристалле умышленно, вводя дополнительные слои с более высоким показателем преломления относительно активного слоя.

В типичном лазерном диоде толщина активной зоны, в которой происходит генерация света, лежит в субмикронной области. А ее ширина может составлять от единиц микрон в маломощных (от долей милливатта до 100-200 мВт) одномодовых лазерах, до 250-1000 мкм в многомодовых излучателях с выходной мощностью, достигающей десятка ватт. И на выходе из кристалла, на зеркале резонатора, плотность мощности достигает чудовищных значений. Даже в обычной лазерной указке, при выходной мощности 1-5 мВт это свыше 100 кВт/см², а в более мощных лазерных диодах плотность излучения может превышать 20МВт/см². При такой облученности легко испаряется и превращается в плазму сталь, а грань кристалла выдерживает ее исключительно в силу своего идеального совершенства, из-за которого световая энергия большей частью проходит через поверхность, не поглощаясь и не нагревая ее.

Катастрофа на зеркалах

Столь высокие уровни плотности излучения на зеркалах делают их чрезвычайно уязвимыми. Стоит возникнуть малейшему дефекту, нанощербинке размером в несколько параметров решетки,— буквально, сместиться нескольким атомам — и лучевая прочность зеркала резко упадет. Вырвать атом из атомно-гладкой поверхности сложно, его держат связи, образованные множеством других атомов, но стоит удалить один, соседние оторвать становится гораздо проще. Кроме того, дефект поглощает свет и греется, а его рост приводит к усилению нагрева, в результате чего он лавинообразно разрастается, превращаясь в кратер, перекрывающий значительную часть сечения пучка, а то и канал, уходящий вглубь кристалла и разрушающий, сплавляющий структуру активной зоны, и лазер выходит из строя, что проявляется скачкообразным прекращением генерации, а иногда — резким падением излучаемой мощности, при этом пучок становится неоднородным, пятнистым. Такой механизм называется катастрофическим оптическим повреждением (COD — Catastrophic optical damage).

Важно то, что для возникновения зародыша достаточно превышения мощности на несколько наносекунд. И раз начавшись, COD будет развиваться, даже если превышение допустимой мощности излучения не будет продолжаться, при номинальной и даже пониженной мощности.

Конечно, существуют и другие сценарии гибели лазерного диода — как в виде постепенной деградации, так и катастрофической — связанные с образованием скоплений дислокаций, так называемых «темных нитей» в толще активной зоны, с термодиффузионным «размытием» гетеропереходов, с термическим разрушением активной зоны протекающим через нее током. Но во многих случаях именно COD является лимитирующим фактором, определяющим «точку выхода из строя». Не в последнюю очередь это связано со скоростью его развития: кратковременный, наносекундной длительности, запредельный бросок излучаемой мощности может быть обусловлен переходными процессами при включении или выключении, и даже слабым разрядом статического электричества. Из-за этого лазерные диоды, особенно маломощные, являются одними из наиболее подверженных статическому электричеству компонентов.

И способствует этому еще одно свойство лазерных диодов.

Дважды нелинейность

И начинающему радиолюбителю известно, что светодиод нельзя подключать к источнику напряжения. Крутая прямая ветвь ВАХ приводит к резким изменениям тока при небольших колебаниях напряжения, изменениях температуры, в том числе и при саморазогреве. ВАХ лазерного диода совершенно аналогична, но это усугубляется тем, что зависимость выходной мощности от тока тоже очень напоминает прямую ветвь ВАХ: до определенного порогового тока выходная мощность очень мала (лазерный диод светится, как светодиод, генерации нет), а после его достижения выходная мощность стремительно растет, взлетая от нуля до максимально допустимой мощности при изменении тока на 20-30%. А если это помножить на крутизну ВАХ, окажется, что росту мощности от нуля до предельно допустимой величины зачастую соответствует изменение напряжения на единицы процентов!

Ну хорошо, никто не будет питать лазерный диод прямо от батарейки. Даже в дешевой китайской указке он будет включен через резистор, а в любой серьезной конструкции для его питания будет предусмотрен стабилизатор тока. Но является ли такой стабилизатор на самом деле источником тока, или это источник напряжения, которое с помощью цепи обратной связи регулируется так, чтобы поддерживать ток неизменным?

Какая разница? — спросите вы. А вот какая. Если мы возьмем операционный усилитель и охватим его обратной связью по напряжению на токоизмерительном резисторе, мы получим, казалось бы, практически идеальный источник тока. Но на самом деле выход ОУ — это источник напряжения. И источником тока его делает активная работа ОУ. Как только ОУ не успевает — источник тока перестает быть таковым. В частности, когда эту схему включают, на фронте может образоваться выброс, и это будет выброс напряжения. Соответствующий ему бросок тока на нелинейной нагрузке окажется значительно выше, не говоря уже о выбросе излучаемой лазером мощности.

Температура

Не следует забывать о том, что у лазерного диода выходная мощность зависит не только от тока, но и от температуры. Причем, она может неожиданно сильно вырасти при ее понижении, если мы не снизим при этом ток! При падении температуры падает и пороговый ток — в среднем на 1,5% на °С, а вместе с ним ампер-ваттная характеристика смещается влево параллельно самой себе, — так что падение температуры с 25 до -5°С эквивалентно увеличению тока в полтора раза. Чтобы снизить нестабильность выходной мощности и избежать выхода лазера из строя при снижении температуры, нужно либо вводить термокомпенсацию, либо воспользоваться встроенным в корпус излучателя фотодиодом для стабилизации выходной мощности. При этом нужно учитывать, что большинство производителей лазерных диодов никак не нормируют и не гарантируют ни характеристики этого фотодиода, ни его стабильность.

Есть еще другой путь — термостатирование. Обычно его делают с помощью маленькой термоэлектрической батареи-холодильника, встраиваемой непосредственно в корпус лазерного диода вместе с терморезистором. Так поступают обычно в том случае, если нужно стабилизировать не только мощность, но и длину волны излучения, которая тоже зависит от температуры (например, это важно при накачке неодим-ванадат-иттриевого лазера — полоса возбуждения узкая, а у лазерного диода на 808 нм в диапазоне 0-30°С длина волны «уходит» на 10 нм), а также когда имеют дело с мощными лазерами, когда сложно организовать обратную связь по излучению, да и снизить рабочую температуру полезно — и для срока службы, и для КПД.

Как бороться?

Цепь защиты ЛД, срисованная с внутренностей одного из научных приборов, который мне приходилось ковырять. Лазерный диод, к которому наглухо припаяна эта схема, можно спокойно отключить от драйвера, не боясь, что в висящий в воздухе разъем прилетит статика.

Какой же выход? Проектировать драйвер таким образом, чтобы избежать бросков напряжения, тока накачки и, следовательно, мощности. Запирать выход на время переходных процессов при включении (например, закорачивая лазерный диод нормально замкнутым ключом), при возможности, если не нужна быстрая модуляция излучения, организовывать плавный старт, вводить балластное сопротивление между выходом драйвера и лазерным диодом, либо элементы, замедляющие нарастание напряжения на нем и тока — RC-цепочку, последовательную индуктивность. Если нужно запустить лазерный диод на столе, от лабораторного БП — следует включить последовательно с ним балластное сопротивление на 10-100 Ом (в зависимости от рабочего тока излучателя), а параллельно диоду — малоиндуктивный конденсатор на 0,01 мкФ. Удобно также ввести в эту цепь резистор на 1 или 10 Ом для измерения тока, протекающего в цепи. При этом недопустимо подключать эту схему к уже включенному блоку питания. Сначала следует вывести напряжение в ноль, а затем плавно, контролируя ток в цепи и выходное излучение, поднять напряжение сначала до порога генерации, а затем до достижения нужной выходной мощности. Выключаем в обратном порядке. При этом нужно убедиться в том, что регуляторы ЛБП не дают «шорохов» при регулировании. В этом смысле лучше подходят цифровые программируемые ЛБП, но и их надо проверять на наличие «иголок» при переходе на следующий уровень напряжения.

Важным моментом является и измерение выходной мощности. «На глаз» ее не определишь, а ошибка приведет к тому, что лазерный диод быстро, за несколько часов или дней, или даже моментально — придет в негодность. Существуют специальные измерители мощности лазерного излучения — от старого советского ИМО-2Н — хорошего, точного, но чересчур громоздкого, до современных приборов различных производителей, цена которых вызывает в памяти отрывок из известной книги для начинающих радиолюбителей:

Н. — Просто чудесное устройство. Я немедленно куплю себе стробоскопический осциллограф.

Л. — Я советую тебе несколько повременить, потому что сейчас такой осциллограф стоит в 2–3 раза дороже спортивного автомобиля.

Н. — Пока я довольствуюсь самой маленькой микролитражкой и поэтому немного подожду.

Впрочем, сделать, а главное — откалибровать подобный измеритель в домашних условиях не составляет большого труда. Его основа — обыкновенный элемент Пельтье. Его нужно закрепить на радиаторе, зачернить поверхность, на которую будет падать излучение, и подключить к хорошему милливольтметру. Для калибровки к чувствительной поверхности временно приклеиваются несколько SMD-резисторов, через которые пропускается известный ток, и строится градуировочная зависимость термо-ЭДС от мощности, рассеиваемой на них. Но это тема отдельной статьи. А из промышленных приборов самым доступным, пожалуй, является Sanwa LP1, сделанный на базе фотодиода и по этой причине требующий обязательного введения поправки, зависящей от длины волны излучения. Его предельная измеряемая мощность невысока — 40 мВт. С другой стороны, самодельный измеритель на базе элемента Пельтье начинает хорошо работать при падающей мощности не менее пары-тройки десятков милливатт.

И последнее: я выше упоминал, что лазерные диоды — одни из самых чувствительных к статическому электричеству приборов. Импульс тока при статическом разряде — короткий, десятки наносекунд, но в пике может достигать десятков и сотен миллиампер. Так, при статическом потенциале всего 30 В на человеческом теле он в неблагоприятных условиях (влажные руки) доходит до 50-60 мА, чего достаточно для надежного вывода из строя пятимилливаттных лазеров с рабочим током в 20-30 мА. Потенциала в 200-300 В хватает, чтобы спалить таким путем и лазер из DVD-RW привода. Наличие COD-механизма воздействия статики не отменяет чувствительности к электростатическим разрядам структуры, состоящей из множества слоев, среди которых есть слои толщиной в единицы нанометров. Поэтому храним ЛД в антистатической таре — проводящей пене, фольге и т.п., перед монтажом — перемыкаем выводы проволочкой, пользуемся только заземленным паяльником и т.п.

Немного практических схем

Простая схема драйвера для лазерных диодов, стабилизирующего ток, была опубликована в журнале «Радио», 1986, №11, с. 61 в статье об использовании лазерных диодов серии ИЛПН. Я привожу эту схему так, как она опубликована и скажу лишь то, что она легко адаптируются к современным ОУ, в том числе с однополярным питанием. Здесь хорошо работает, например, мой любимый ОУ AD8605. Приведенная там же схема драйвера со стабилизацией выходной мощности рассчитана на подключение внешнего фотодиода (встроенные в лазерные диоды фотодиоды имеют, как правило, один общий вывод с лазерным диодом) и, по-видимому, содержит ошибки.

Существуют удобные, но к сожалению, дороговатые микросхемы серии iC-WK для построения драйверов лазерных диодов, требующие лишь нескольких внешних элементов и содержащие не только цепи стабилизации тока и мощности, но и цепи защиты от опасных импульсов. Схема позволяет подключать лазерные диоды с любой полярностью фотодиода относительно лазерного диода и обеспечивает ток до 350 мА при напряжении питания от 3 до 15 В.

Другая известная микросхема интегрированного драйвера ЛД — MAX3263, ориентированная на передачу данных по оптоволоконным линиям, но также позволяющая стабилизировать ток и мощность для любых целей. К подобным узкоспециализированным микросхемам можно отнести и 65ALS543, применяемую в лазерных принтерах. Впрочем, последний прибор может быть целесообразно применить, если вы решите применить лазер для, например, экспонирования фоторезиста, так как он, наряду с поддержанием постоянной мощности, позволяет быстро включать-выключать излучение. Есть хорошая статья о работе этой микросхемы, опубликованная на сайте технического журнала для сотрудников сервисных служб «Мир периферийных устройств ПК» http://www.mirpu.ru/print/38-laserprint/127-micro65als543.html. Ниже — типичная схема включения этой микросхемы.

Кстати, примененные здесь и в iC-WK выходные каскады, построенные, как токовое зеркало, устраняют вышеописанное поведение источников тока во время переходных процессов, как источников напряжения, повышая надежность лазера, в том числе в процессе быстрой модуляции излучения.

* * *

Не у всех лазерных диодов «живучесть» ограничивается выходной мощностью. Некоторые диодные лазеры обладают столь малой дифференциальной эффективностью (наклоном ампер-ваттной характеристики), что они не достигают порога COD раньше, чем выйдут из строя от перегрева слишком большим током. Таковы многие зеленые лазерные диоды на 520 нм, некоторые мощные синие лазерные диоды. В меньшей степени подвержены COD из-за большой площади зеркал резонатора и VCSEL лазеры. Но у большинства распространенных типов полупроводниковых лазеров именно выходная оптическая мощность ограничивает область безопасной работы в непрерывном режиме.

Лазерный светодиод

Лазерный светодиод принципиально отличается обычного светодиода наличием встроенного резонатора, который позволяет получить индуцированное излучение высокой степени когерентности (согласованности между фазами оптических колебаний).

В полупроводниковом лазере  излучение вызывается вынужденной рекомбинацией.  Это дает возможность управлять излучением с помощью электромагнитных волн и генерировать когерентный поток света.

Представим себе плоский p-n-переход, смещенный в прямом направлении (рисунок 1). В этом случае происходит инжекция дырок в область n и наоборот – электронов в область p. Во время этого перехода в граничной (активной) области может произойти рекомбинация, которая будет сопровождаться испусканием кванта. Такое излучение называется спонтанным. На основе спонтанного излучения работают обычные светодиоды. Если же электрон и дырка находятся на близком расстоянии в активной зоне и через эту область пройдет квант света определенной (резонансной) частоты, то рекомбинация произойдет вынужденно. При этом выделится еще один квант света, с такими же параметрами, как и квант, вызвавший рекомбинацию. Для того чтобы увеличить вынужденную рекомбинацию торцы полупроводникового кристалла делаются параллельными и полируются (на рисунке 1 они обозначены как «оптически ровная грань»). Таким образом, создается так называемый оптический резонатор. Кванты, многократно отражаясь от полированных поверхностей, «летают» вдоль перехода, провоцируя процессы вынужденной рекомбинации. В конце концов, они выходят наружу в направлении строго перпендикулярном оптически ровным граням. Когда количество квантов появившихся в результате такой стимуляции значительно превысит количество появившихся спонтанно – начнется лазерная генерация.

Рисунок 1

Интенсивность излучения зависит от силы тока, протекающего через p-n-переход. При малых токах лазер работает, как малоэффективный обычный светодиод, поскольку происходят только спонтанные излучения. Когда ток превышает некоторое пороговое значение – излучение становится вынужденным и его мощность резко вырастает. Этот способ стимуляции лазерного излучения часто называют накачкой электрическим током. Существует также метод оптической накачки, когда атомы полупроводника возбуждаются квантами от мощного (не обязательно когерентного) излучателя.

Выходя из кристалла полупроводника когерентный свет, вследствие дифракции, рассеивается во все стороны. Поэтому для формирования узконаправленного пучка приходится применять собирающие линзы.

Диапазон длин волн, в котором возможно создание полупроводникового лазера охватывает большую часть видимого спектра, а также ближнюю и среднюю область инфракрасного диапазона.

Конечно, лазерный светодиод на сегодняшний день претерпел множество изменений и улучшений в своей конструкции, он уже представляет собой более сложную структуру, а не простой p-n-переход, но основной принцип его работы остался таким как описано выше.

Основными материалами, используемыми при производстве лазерных диодов, являются арсенид галлия GaAs, арсенид галлия алюминия AlGaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, нитрид галлия индия InGaN и другие.

Рисунок 2

Лазерные светодиоды или полупроводниковые лазеры находят широкое применение в самых различных областях. Они применяются в волоконно-оптических системах связи, в считывателях штрих-кода. В различных бытовых устройствах: компьютерных мышках, проигрывателях компакт дисков, проекторах, ну и, конечно, в лазерных указках.

Лазерные мощные светодиоды используются для накачки твердотельных лазеров, позволяя получать очень высокий КПД.

Еще одно применение – лазерная спектроскопия, где применение лазеров дало возможность использования принципиально новых методов исследования веществ. Лазеры незаменимы в научных исследованиях, активно внедряются в медицине, как для диагностических, так и для терапевтических целей.

Разница между светодиодом и лазером (со сравнительной таблицей)

Существенная разница между LED и LASER заключается в принципе работы. Светодиод излучает свет в результате рекомбинации носителей заряда на PN-переходе, а ЛАЗЕР излучает свет в результате фотонов, ударяющихся о атомы и заставляющих их высвобождать аналогичный фотон. Лазер работает по принципу вынужденного излучения

, а светодиод работает по принципу электролюминесценции.

Таким образом, в ЛАЗЕРЕ каждый высвобождаемый фотон сталкивается с другим атомом, испуская аналогичный фотон, и, следовательно, создаваемый таким образом луч света является когерентным по своей природе. Напротив, свет, излучаемый светодиодами, некогерентен. Таким образом, свет, излучаемый светодиодом, состоит из многих цветов, в то время как световой луч, генерируемый ЛАЗЕРОМ, является монохроматическим, то есть одноцветным светом.

LED — это аббревиатура от Light Emitting Diode , в то время как LASER — это сокращенный термин, используемый для Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Комплектация: LED и LASER

1. Сравнительная таблица
2. Определение
3. Ключевые отличия
4. Заключение

Сравнительная таблица

Параметры	Светодиод	ЛАЗЕР
Принцип работы	Электрояркость	Стимулированное излучение
Полная форма	Светоизлучающий диод	Усиление света за счет стимулированного излучения
срабатывание	медленное срабатывание	быстрое срабатывание по сравнению со светодиодом
Управляющий ток	Он находится в диапазоне от 50 до 100 мА.	Диапазон от 5 до 40 мА.
Природа излучаемого света	Некогерентный и состоит из различных цветов.	Когерентный и монохроматический.
Зона соединения во время производства	Зона широкого соединения	Узкое и маленькое соединение
Диапазон полосы пропускания	Он находится в диапазоне от 10 до 50 ТГц.	Находится в узком диапазоне, т.е. от 1 МГц до 2 МГц.
Эффективность преобразования энергии в свет	Приблизительно 20 %	Приблизительно 70 %
Числовая апертура полученного светового луча	Выше у светодиодов	Чрезвычайно низкая по сравнению со светодиодами.
Стоимость	Низкая стоимость и, следовательно, экономичность.	Высокая стоимость и поэтому используется в специфических приложениях.

Определение светодиода

Светодиод считается оптическим источником для различных важных приложений. Основным принципом его работы является электролюминесценция. В этом явлении смещенный вперед PN-переход излучает свет, когда электроны и дырки рекомбинируют на переходе.

Электроны в зоне проводимости находятся на более высоком энергетическом уровне, а дырки находятся в валентной зоне, которая находится на более низком энергетическом уровне. Когда эти электроны из зоны проводимости переходят в валентную зону, они выделяют некоторое количество энергии. Эта энергия может быть в форме тепла или света.

Рекомбинация носителей заряда будет экзотермической или эндотермической реакцией. Если электроны находятся на более высоком энергетическом уровне и стремятся соединиться с дыркой, она должна излучать энергию. Поскольку рекомбинация происходит только тогда, когда энергия обоих рекомбинирующих носителей заряда должна быть сравнима.

Полупроводники, такие как германий и кремний, излучают энергию в виде тепла, в то время как полупроводники, такие как GaAsP (фосфид арсенида галлия) и GaP (фосфид галлия), излучают энергию в виде света. Таким образом, этот тип полупроводника используется в производстве светодиодов.

Светодиод имеет важное значение по сравнению с различными оптоэлектронными устройствами, поскольку он обладает быстрым временем отклика порядка 0,1 микросекунды. Свет, излучаемый светодиодом, состоит из различных излучений узкой длины волны. Он состоит из видимых излучений.

Если эффективность преобразования мощности в свет светодиода сравнить с эффективностью вольфрамовой лампы, она будет в 10-50 раз выше, чем у нее, что, безусловно, делает ее подходящим оптоэлектронным устройством.

Определение ЛАЗЕРА

ЛАЗЕР работает по принципу вынужденного излучения. Таким образом, это называется усилением света за счет стимулированного излучения. Вынужденное излучение — это испускание фотона при ударе аналогичного фотона по атому.

Если к электрону подвести электрическую энергию на нижнем энергетическом уровне, он перепрыгнет из валентной зоны в зону проводимости, поглощая подведенную к нему дополнительную энергию. Этот процесс называется абсорбцией.

Когда электрон находится на более высоком энергетическом уровне, он нестабилен, чтобы стать стабильным, он высвобождает часть своей энергии. Эта энергия может быть в форме тепла или света. Если высвобождаемая энергия находится в форме света, то она излучает фотон. Этот процесс называется спонтанным излучением.

Когда фотон сталкивается с атомом, он сталкивается с электронами, находящимися в более высоком энергетическом состоянии, после чего в результате столкновения эти электроны становятся нестабильными из-за высокой энергии и энергии, сообщаемой ударяющим фотоном. Таким образом, этот электрон перейдет в более низкое энергетическое состояние и выпустит фотон в дополнение к падающему фотону. Это называется вынужденным излучением.

В ЛАЗЕРНОМ диоде возникает стимулированное излучение. Световой пучок формируется путем испускания фотона, аналогичного падающему фотону. И эти испущенные фотоны будут излучать больше фотонов, подобных падающему. Таким образом, полученный луч является когерентным и монохроматическим.

Основные различия между светодиодом и лазером

1. Световой луч, создаваемый светодиодом и лазером, также создает ключевое различие между светодиодом и лазером. Свет, излучаемый светодиодом , состоит из различных цветов, а световой луч, создаваемый LASER состоит из одного цвета .
2. Принцип работы светодиодов и ЛАЗЕРА также существенно отличался. Светодиод работает полностью по принципу электролюминесценции, что означает свечение с помощью электронов. С другой стороны, ЛАЗЕР работает по принципу вынужденного излучения .
3. Еще одним ключевым отличием между светодиодом и лазером является область соединения . Область соединения в случае ЛАЗЕРА очень узкая, так как в случае ЛАЗЕРА свет может проходить через очень маленькую площадь. С другой стороны, у светодиодов площадь соединения шире. Таким образом, свет может проходить через большую площадь.
4. Концентрация носителей заряда , таких как электроны и дырки, также различается в светодиодах и лазерах. В случае лазера концентрация очень высока, а в случае со светодиодами она очень мала. Таким образом, лазер используется в хирургическом инструменте в области медицины, поскольку он обладает достаточной энергией, чтобы даже разрезать предмет, соприкасающийся с ним.

Заключение

Светодиод и ЛАЗЕР, оба являются оптоэлектронными устройствами, оба устройства генерируют свет. Но принцип работы генерации света и строительной архитектуры создает разницу. Выходная мощность генерации лазерного диода находится в диапазоне от 20 до 100 мВт.

При работе с этими оптоэлектронными устройствами следует соблюдать осторожность, особенно в случае с ЛАЗЕРОМ. Генерирует луч высокой энергии.  

Взаимодействие с читателями

Лазерный диод против светодиода: знайте разницу

Светоизлучающие диоды (LED) и лазерные диоды генерируют свет посредством электронно-дырочной рекомбинации. У них обоих есть PIN-диод в их сердце. Даже их имена звучат похоже.

Чем же они отличаются?

Давайте начнем с того, как каждый из них используется, прежде чем узнать, какие конструктивные различия превращают светодиоды в лазерные диоды.

Общие области применения

Светодиоды: «

L освещение для E очень D ау»

Светодиоды представляют собой экономичное и энергоэффективное решение для повседневного освещения. Они прочны и долговечны и выделяют очень мало тепла. Они бывают всех цветов и оттенков белого.

Они излучают «обычный» свет (некогерентный и разнонаправленный), как люминесцентная лампа или лампа накаливания.

Светодиоды используются повсеместно: уличные фонари, кухонное освещение, коммерческое освещение, электронные устройства, такие как наушники Bluetooth, фонарики для смартфонов и многое другое.

Лазерные диоды: для науки, промышленности, медицины и телекоммуникаций

Лазерные диоды разделяют преимущества светодиодов, но излучают лазерный свет (когерентный и однонаправленный).

Они используются в лазерных указках и специализированных научных и промышленных приложениях (оптическая накачка других лазеров, спектроскопия, поверхностная закалка, сварка).

Телекоммуникации и отрасли оптического хранения данных являются крупнейшими потребителями лазерных диодов, отчасти потому, что лазерные диоды имеют чрезвычайно быстрое время отклика (их можно очень быстро включать и выключать).

Высокоточные приборы Gentec-EO для измерения лазерного луча помогают инженерам, ученым и техникам во всех видах применения лазеров от заводов до больниц, лабораторий и исследовательских центров. Узнайте о наших решениях для следующих типов измерений:

• Лазерные измерители мощности
• Лазерные счетчики энергии
• Профилометры лазерного луча
• Терагерцовые измерители мощности

Конструктивные различия между светодиодами и лазерными диодами

И светодиоды, и лазерные диоды являются PIN-диодами. Этот особый тип диода размещает активную зону — внутреннюю область (I) — между отрицательной (N) и положительной (P) областью.

Весь свет создается, когда электроны (отрицательные) и электронные дырки (отсутствие электронов = положительные) рекомбинируют во внутренней области.

Меньшая внутренняя область —> Инверсия заселенности

В светодиодах собственная область больше, чем в лазерных диодах. Это означает, что рекомбинации, производящие фотоны, происходят на более широкой поверхности, что облегчает рассеивание тепла и может повысить долговечность.

Однако для получения лазерного излучения необходимо получить инверсию населенностей, что может произойти только при высокой плотности носителей в верхнем состоянии. Чтобы увеличить плотность, внутренние области лазерных диодов уменьшают, чтобы сконцентрировать ток.

Зеркальные поверхности —> Оптическая полость

В светодиодах любые созданные фотоны немедленно улетучиваются. Нет смысла держать их рядом. В случае с лазерными диодами очень полезно сохранять фотоны, потому что они становятся затравкой возможного лазерного луча.

Делая края внутренней области гладкими и зеркальными, фотоны постоянно возвращаются в активную область. А поскольку эта область заполнена возбужденными атомами (благодаря инверсии населенностей), может происходить стимулированное излучение, эффективно дублирующее повторно инжектированные фотоны. Когда они снова и снова вводятся и дублируются, эти фотоны становятся мощным лазерным лучом.

Конечно, лазер должен выйти в какой-то момент, поэтому один край оптического резонатора (выход) предназначен для частичного отражения.

Резюме

Лазерные диоды работают с использованием PIN-диода, как и светодиоды. Они сочетают в себе все преимущества светодиодов (дешевизна, небольшая занимаемая площадь, низкое энергопотребление, прочность и долговечность), но излучают лазерный свет.

Они делают это благодаря меньшей активной области (I) и зеркальному покрытию, которое позволяет им улавливать фотоны, которые они генерируют, достаточно долго, чтобы усиливать их в лазере.

Гентек-ЭО

Gentec Electro-Optics специализируется на измерении и анализе лазерных лучей и источников терагерцового диапазона. Благодаря выдающемуся 50-летнему послужному списку инноваций, разработки и предоставления передовых технологий на рынок лазеров, Gentec-EO стала экспертом в области измерения лазерного луча.