Definition: LASER ist ein Akronym für Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung. Eine Laserdiode emittiert Strahlung einer einzigen Wellenlänge oder manchmal eines schmalen Bandes eng beieinanderliegender Wellenlänge.

Es emittiert Licht aufgrund stimulierter Emission, in diesem, wenn ein einfallendes Photon Halbleiteratom trifft, rekombinieren die Elektronen auf höherem Energieniveau mit niedrigerem Energieniveau Loch. Aus diesem Grund werden zwei Photonen emittiert, ein einfallendes Photon und ein anderes wird aufgrund der Rekombination von Elektronen und Löchern emittiert.

LEDs arbeiten auch nach dem gleichen Prinzip, aber der Hauptunterschied ist die interne Architektur. Eine Laserdiode wird aus schmalen Kanälen gebildet und wirkt als Wellenleiter für Licht. LEDs bestehen jedoch aus breiten Kanälen.

Aufgrund ihrer Struktur emittiert die Laserdiode kohärentes & monochromatisches Licht (einfarbig). Das von der Laserdiode emittierte Licht besteht aus einer einzigen Wellenlänge, während LEDs Licht emittieren, das aus einem breiten Wellenlängenband besteht. Somit ist das von LED emittierte Licht inkohärent.

Aufbau der Laserdiode

Die Laserdiode besteht aus zwei Schichten von Halbleitern, d. H. P-Typ und N-Typ. Die Schichten von Halbleitern bestehen aus GaAs, die mit Materialien wie Selen, Aluminium oder Silizium dotiert sind. Der Aufbau ist derselbe wie bei LED, außer dass die im Laser verwendeten Kanäle schmal sind, um einen einzigen Lichtstrahl zu erzeugen.

Und ein weiterer Unterschied bei einer Laserdiode besteht darin, dass auch eine intrinsische Schicht aus GaAs (undotiert) vorhanden ist. Diese Ebene wird als aktive Ebene bezeichnet. Die aktive Schicht ist von Schichten mit niedrigerem Brechungsindex umgeben. Diese wirken als optische Reflektoren.

Diese Schichten bilden zusammen mit der aktiven Schicht einen Wellenleiter, so dass Licht nur in einem einzigen Pfad in einer einzigen und festen Richtung wandern kann. Der Lichtstrahl wird in diesem Abschnitt erzeugt. Die Metallkontakte sind vorgesehen, um die Vorspannung zu erleichtern.

Funktionsweise der Laserdiode

Die Laserdiode arbeitet nach dem Prinzip, dass jedes Atom in seinem angeregten Zustand Photonen emittieren kann, wenn Elektronen mit höherem Energieniveau mit einer externen Energiequelle versorgt werden.

Es gibt grundsätzlich drei Phänomene, durch die ein Atom Lichtenergie emittieren kann und die Absorption, spontane Emission & Stimulierte Emission sind.

Absorption

Bei der Absorption springen die Elektronen bei niedrigeren Energieniveaus zu höheren Energieniveaus, d.h. vom Valenzband zum Leitungsband, wenn die Elektronen mit einer externen Energiequelle versorgt werden. Jetzt gibt es Löcher auf niedrigerem Energieniveau, dh Valenzband, und Elektronen auf höherem Energieniveau, dh Leitungsband.

Spontane Emission

Wenn die Elektronen im höheren Energieniveau instabil sind, neigen sie dazu, sich auf das niedrigere Energieniveau zu bewegen, um Stabilität zu erreichen. Aber wenn sie sich von einem höheren Energieniveau zu einem niedrigeren Energieniveau bewegen, werden sie definitiv die Energie freisetzen, die die Energiedifferenz zwischen diesen beiden Ebenen sein wird. Die freigesetzte Energie liegt in Form von Licht vor und somit werden Photonen emittiert. Dieser Vorgang wird als spontane Emission bezeichnet.

Stimulierte Emission

Bei der stimulierten Emission treffen die Photonen auf Elektronen mit höherer Energie und diese Photonen werden von einer externen Lichtenergiequelle versorgt. Wenn diese Photonen auf die Elektronen treffen, gewinnen Elektronen Energie und sie rekombinieren mit Löchern und setzen ein zusätzliches Photon frei. Somit stimuliert ein einfallendes Photon ein anderes Photon zur Freisetzung. Dieser Vorgang wird als stimulierte Emission bezeichnet.

Populationsinversion

Die Dichte der Elektronen auf Energieniveaus ist die Population der Elektronen und liegt mehr im Valenzband oder im unteren Energieband und weniger im Leitungsband oder im höheren Energieniveau. Wenn die Elektronenpopulation auf einem höheren Energieniveau zunimmt oder die Lebensdauer höherer Energiezustände lang ist, nimmt die stimulierte Emission zu. Diese Zunahme der Bevölkerung auf einem höheren Energieniveau wird als Bevölkerungsinversion bezeichnet.

Und dies ist der erforderliche Zustand für die Laserdiode. Mehr die Populationsinversion mehr werden die Elektronen bei höheren und stabileren Zustand und mehr wird die stimulierte Emission sein. Die emittierten Photonen befinden sich in der gleichen Phase wie die einfallenden Photonen. Und diese Photonen wandern als einzelner Lichtstrahl und erzeugen so Kohärenz.

Hauptkategorien von Laserdioden

Es gibt zwei Hauptkategorien von Laserdioden, d. H. Injektionslaserdioden & Optisch gepumpte Halbleiterlaserdioden.

1. Injektionslaserdiode: Der Betrieb ist ähnlich wie bei LED, außer dass LEDs aus breiten Halbleiterkanälen gebildet werden, während Laserdioden aus schmalen Kanälen gebildet werden. Wir haben dies bereits bei der Konstruktion von Laserdioden diskutiert. Dabei wandert der Lichtstrahl im Wellenleiter und die Diode selbst wirkt als Wellenleiter. Der Lichtstrahl wird durch wiederholte stimulierte Emission verstärkt.
2. Optisch gepumpter Halbleiterlaser: Bei optisch gepumpten Lasern wirkt die Injektionslaserdiode als externe Pumpe. Als Basis dienen die Halbleitermaterialien der Gruppe III & V. Und die Verstärkung wird durch stimulierte Emission erreicht.

Es bietet mehrere Vorteile wie die Verhinderung von Störungen aufgrund der Elektrodenstruktur. Außerdem bietet es auch einen Vorteil der Wellenlängenauswahl.

Eigenschaften der Laserdiode L-I

Die Lichtenergie nimmt mit zunehmendem Laserstrom zu, ist jedoch temperaturabhängig. Aus der Kurve ist ersichtlich, dass die Lichtenergie nach einem bestimmten Schwellwert-Laserstrom ansteigt. Dieser Schwellwert des Laserstroms steigt exponentiell mit der Temperatur an.

Somit steigt bei einer höheren Temperatur auch der Schwellwert des Laserstroms, bis zu dem Lichtenergie erzeugt wird. Somit ist es notwendig, die Laserdiode bis zum Schwellwert des Laserstroms zu betreiben, da oberhalb dieses Wertes keine Lichtenergie vorhanden ist. Um einen zuverlässigen Betrieb zu haben, ist es notwendig, den Schwellenwert des Laserstroms zu bestimmen.

V-I Eigenschaften von Laser diode

Die vorwärts spannung von laser diode ist in der regel um 1,5 V. Obwohl die vorwärts spannung hängt von betriebs temperatur. Die Varianz des Stroms in der Diode mit der Spannung kann mit Hilfe des folgenden Diagramms verstanden werden.

Vorteile von Laser Diode

1. Low power Verbrauch gerät.
2. Wirtschaftlich, da die Herstellungs- und Betriebskosten niedrig sind.
3. Es kann für eine lange zeit betrieben werden.
4. Tragbar aufgrund seiner geringen Größe und internen Architektur.
5. Sehr zuverlässig und hocheffizient.

Nachteile der Laserdiode

1. Diese sind temperaturabhängig und somit wird ihr Betrieb durch die Änderung der Betriebstemperatur beeinflusst.
2. Es ist nicht geeignet für high power anwendung.

Anwendungen der Laserdiode

1. Faseroptisches Kommunikationssystem.
2. Barcodeleser.
3. Laserdruck und Laserscanning.
4. Entfernungsmesser.
5. In medizinischen Bereichen in chirurgischen Instrumenten.
6. In CD-Playern und DVD-Rekordern.

Dies sind einige der wichtigsten Anwendungen der Laserdiode. Unter all diesen Anwendungen ist der wichtigste Bereich, in dem die Laserdiode ihre Anwendung findet, das Glasfaserkommunikationssystem.