definice: LASER je zkratka zesílení světla stimulovanou emisí záření. Laserová dioda emituje záření jedné vlnové délky nebo někdy úzkého pásma těsně rozložené vlnové délky.

vydává světlo v důsledku stimulované emise, v tomto případě, když dopadající foton udeří polovodičový atom, elektrony na vyšší energetické úrovni se rekombinují s nižší energetickou hladinou. Díky tomu jsou emitovány dva fotony jeden dopadající foton a druhý je emitován v důsledku rekombinace elektronů a díry.

LED diody také pracují na stejném principu, ale hlavní rozdíl je vnitřní architektura. Laserová dioda je vytvořena z úzkých kanálů a působí jako vlnovod pro světlo. LED diody se však skládají ze širokých kanálů.

díky své struktuře Laserová dioda emituje koherentní & monochromatické světlo (jednobarevné). Světlo vyzařované laserovou diodou se skládá z jedné vlnové délky, zatímco LED diody vyzařují světlo sestávající ze širokého pásma vlnových délek. Světlo vyzařované LED je tedy nesouvislé.

konstrukce laserové diody

Laserová dioda se skládá ze dvou vrstev polovodičů, tj. Vrstvy polovodičů jsou tvořeny GaAs dotovanými materiály, jako je selen, hliník nebo křemík. Konstrukce je stejná jako u LED s výjimkou kanálů používaných v laseru jsou úzké pro vytvoření jediného paprsku světla.

a ještě jeden rozdíl v laserové diodě spočívá v tom, že je také přítomna vnitřní vrstva GaAs (nedokončená). Tato vrstva se nazývá aktivní vrstva. Aktivní vrstva je uzavřena vrstvami s nižším indexem lomu. Jedná se o optické reflektory.

tyto vrstvy spolu s aktivní vrstvou tvoří vlnovod, takže světlo může cestovat pouze v jedné dráze v jediném a pevném směru. V této části se vytváří paprsek světla. Kovové kontakty jsou k dispozici pro usnadnění předpětí.

práce s laserovou diodou

laserová dioda pracuje na principu, že každý atom ve svém excitovaném stavu může emitovat fotony, pokud jsou elektrony na vyšší energetické úrovni opatřeny vnějším zdrojem energie.

v zásadě existují tři jevy, kterými může atom emitovat světelnou energii a které jsou absorpce, spontánní emise & stimulovaná emise.

absorpce

v absorpci elektrony při nižších energetických hladinách skočí na vyšší energetickou úroveň, tj. od valenčního pásma po vodivé pásmo, když jsou elektrony opatřeny vnějším zdrojem energie. Nyní jsou díry na nižší energetické úrovni, tj. valenční pásmo a elektrony na vyšší energetické úrovni, tj. vodivé pásmo.

spontánní emise

pokud jsou elektrony ve vyšší energetické úrovni nestabilní, budou mít tendenci se pohybovat na nižší energetické úrovni, aby se dosáhlo stability. Pokud se však budou pohybovat z vyšší energetické úrovně na nižší energetické úrovně, určitě uvolní energii, která bude energetickým rozdílem mezi těmito dvěma úrovněmi. Uvolněná energie bude ve formě světla, a tak budou emitovány fotony. Tento proces se nazývá spontánní emise.

stimulovaná emise

při stimulované emisi fotony zasáhnou elektrony na vyšší energetické úrovni a tyto fotony jsou dodávány z vnějšího zdroje světelné energie. Když tyto fotony zasáhnou elektrony, elektrony získají energii a rekombinují se s otvory a uvolní další foton. Jeden dopadající foton tedy stimuluje další foton k uvolnění. Tento proces se tedy nazývá stimulovaná emise.

populační inverze

hustota elektronů na energetických úrovních je populace elektronů a je více ve valenčním pásmu nebo nižším energetickém pásmu a méně ve vodivém pásmu nebo vyšší energetické úrovni. Pokud se populace elektronů zvýší na vyšší energetické úrovni nebo je životnost vyšších energetických stavů dlouhá, zvýší se stimulovaná emise. Tento nárůst populace na vyšší energetické úrovni se nazývá populační inverze.

a to je potřebný stav pro laserovou diodu. Více populační inverze více budou elektrony ve vyšším a meta stabilním stavu a více bude stimulovaná emise. Emitované fotony jsou ve stejné fázi s dopadajícími fotony. A tyto fotony cestují jako jediný paprsek světla a vytvářejí tak koherenci.

hlavní kategorie laserové diody

existují dvě hlavní kategorie laserové diody, tj. vstřikovací Laserová dioda & opticky čerpaná polovodičová laserová dioda.

1. vstřikovací laserová dioda: Operace je podobná LED s tím rozdílem, že LED diody jsou tvořeny širokými kanály polovodičů, zatímco laserové diody jsou tvořeny z úzkých kanálů. Již jsme o tom diskutovali při konstrukci laserové diody. V tomto se světelný paprsek pohybuje ve vlnovodu a samotná dioda působí jako vlnovod. Světelný paprsek je zesílen opakovanou stimulovanou emisí.
2. opticky čerpaný polovodičový Laser: v opticky čerpaném laseru působí vstřikovací laserová dioda jako externí čerpadlo. Polovodičové materiály skupiny III & V působí jako základ. A zesílení je dosaženo stimulovanou emisí.

nabízí několik výhod, jako je prevence před rušením způsobeným strukturou elektrod. Kromě toho poskytuje také výhodu výběru vlnové délky.

Laserová dioda L-I charakteristika

světelná energie se zvyšuje s nárůstem laserového proudu, ale je závislá na teplotě. Z křivky je zřejmé, že světelná energie se zvyšuje po určitém prahovém laserovém proudu. Tato prahová hodnota laserového proudu se exponenciálně zvyšuje s teplotou.

při vyšší teplotě se tedy také zvyšuje prahová hodnota laserového proudu, do kterého se generuje světelná energie. Proto je nutné provozovat laserovou diodu až do prahové hodnoty laserového proudu, protože nad touto hodnotou není světelná energie. Pro spolehlivý provoz je nutné určit prahovou hodnotu laserového proudu.

v-I charakteristiky laserové diody

dopředné napětí laserové diody je obecně kolem 1,5 V. i když dopředné napětí závisí na provozní teplotě. Rozptyl proudu v diodě s napětím lze pochopit pomocí níže uvedeného diagramu.

výhody laserové diody

1. zařízení s nízkou spotřebou energie.
2. ekonomický, protože jeho výrobní a provozní náklady jsou nízké.
3. může být provozován po dlouhou dobu.
4. přenosný díky své malé velikosti a vnitřní architektuře.
5. vysoce spolehlivé a vysoce efektivní.

nevýhody laserové diody

1. ty jsou závislé na teplotě a tím je její činnost ovlivněna změnou provozní teploty.
2. není vhodný pro použití s vysokým výkonem.

aplikace laserové diody

1. vláknový optický komunikační systém.
2. čtečky čárových kódů.
3. laserový tisk a laserové skenování.
4. dálkoměry.
5. v lékařských oborech v chirurgických nástrojích.
6. v přehrávačích CD a DVD rekordéru.

to jsou některé z významných aplikací laserové diody. Ze všech těchto aplikací je nejdůležitější oblastí, ve které laserová dioda nachází své uplatnění, komunikační systém s optickými vlákny.