Definizione: LASER è un acronimo di amplificazione della luce mediante emissione stimolata di radiazioni. Un diodo laser emette radiazioni di una singola lunghezza d’onda o talvolta una banda stretta di lunghezza d’onda ravvicinata.

Emette luce a causa dell’emissione stimolata, in questo quando un fotone incidente colpisce l’atomo di semiconduttore, gli elettroni a livello di energia più elevato si ricombinano con un foro a livello di energia inferiore. A causa di questo due fotoni vengono emessi un fotone incidente e l’altro viene emesso a causa della ricombinazione di elettroni e foro.

I LED funzionano anche sullo stesso principio, ma la differenza principale è l’architettura interna. Un diodo laser è formato da canali stretti e funge da guida d’onda per la luce. Ma il LED è costituito da ampi canali.

Grazie alla sua struttura diodo laser emette coerente & luce monocromatica (singolo colore). La luce emessa dal diodo laser è costituita da una singola lunghezza d’onda mentre i LED emettono luce costituita da un’ampia banda di lunghezze d’onda. Pertanto, la luce emessa dal LED è incoerente.

Costruzione del diodo laser

Il diodo laser è costituito da due strati di semiconduttori cioè di tipo P e di tipo N. Gli strati di semiconduttori sono costituiti da GAAS drogati con materiali come selenio, alluminio o silicio. La costruzione è uguale a quella del LED, tranne che i canali utilizzati nel laser sono stretti per produrre un singolo fascio di luce.

E un’altra differenza in un diodo laser è che è presente anche uno strato intrinseco di GaAs (non drogato). Questo livello è chiamato livello attivo. Lo strato attivo è racchiuso da strati di indice di rifrazione inferiore. Questo atto come riflettori ottici.

Questi livelli insieme al livello attivo formano una guida d’onda in modo che la luce possa viaggiare solo in un singolo percorso in un’unica direzione fissa. Il fascio di luce è prodotto in questa sezione. I contatti metallici sono forniti per facilitare la polarizzazione.

Funzionamento del diodo laser

Il diodo laser funziona sul principio che ogni atomo nel suo stato eccitato può emettere fotoni se gli elettroni a livello di energia più elevato sono dotati di una fonte esterna di energia.

Ci sono fondamentalmente tre fenomeni con cui un atomo può emettere energia luminosa e che sono Assorbimento, Emissione spontanea & Emissione stimolata.

Assorbimento

Nell’assorbimento, gli elettroni a livelli di energia più bassi saltano a livelli di energia più alti, cioè dalla banda di valenza alla banda di conduzione quando gli elettroni sono dotati di una fonte esterna di energia. Ora, ci sono buchi a livello di energia più basso, cioè banda di valenza e elettroni a livello di energia più alto, cioè banda di conduzione.

Emissione spontanea

Ora, se gli elettroni nel livello di energia più alto sono instabili, tenderanno a spostarsi al livello di energia più basso per raggiungere la stabilità. Ma se passeranno da un livello di energia più alto a livelli di energia più bassi, rilasceranno sicuramente l’energia che sarà la differenza di energia tra questi due livelli. L’energia rilasciata sarà sotto forma di luce e quindi i fotoni saranno emessi. Questo processo è chiamato emissione spontanea.

Emissione stimolata

Nell’emissione stimolata, i fotoni colpiscono gli elettroni a un livello di energia più elevato e questi fotoni sono forniti da una fonte di energia luminosa esterna. Quando questi fotoni colpiscono gli elettroni, gli elettroni guadagnano energia e si ricombinano con fori e rilasciano un fotone extra. Quindi, un fotone incidente stimola un altro fotone a rilasciare. Quindi, questo processo è chiamato emissione stimolata.

Inversione di popolazione

La densità degli elettroni a livelli di energia è la popolazione di elettroni ed è più in banda di valenza o banda di energia inferiore e meno nella banda di conduzione o livello di energia superiore. Se la popolazione di elettroni aumenta a un livello di energia più elevato o la durata degli stati di energia più elevati è lunga, l’emissione stimolata aumenterà. Questo aumento della popolazione a più alto livello energetico è definito come inversione della popolazione.

E questo è lo stato necessario per il diodo laser. Più l’inversione della popolazione più saranno gli elettroni allo stato più alto e meta stabile e più sarà l’emissione stimolata. I fotoni emessi sono nella stessa fase con i fotoni incidenti. E questi fotoni viaggiano come un singolo fascio di luce e quindi producono coerenza.

Principali categorie di diodo laser

Esistono due principali categorie di diodo laser, ad esempio Diodo laser a iniezione & Diodo laser a semiconduttore pompato otticamente.

1. Diodo laser ad iniezione: L’operazione è simile al LED tranne che i LED sono formati da ampi canali di semiconduttore mentre i diodi laser sono formati da canali stretti. Ne abbiamo già discusso nella costruzione del diodo laser. In questo, il fascio di luce viaggia nella guida d’onda e il diodo stesso funge da guida d’onda. Il fascio di luce è amplificato da ripetute emissioni stimolate.
2. Laser a semiconduttore a pompaggio ottico: nel laser a pompaggio ottico il diodo laser ad iniezione funge da pompa esterna. I materiali semiconduttori del gruppo III & V fungono da base. E l’amplificazione è ottenuta mediante emissione stimolata.

Offre diversi vantaggi come la prevenzione dalle interferenze causate dalla struttura dell’elettrodo. Inoltre, fornisce anche un vantaggio della selezione della lunghezza d’onda.

Diodo laser L-I Caratteristiche

L’energia luminosa aumenta con l’aumento della corrente laser ma dipende dalla temperatura. È evidente dalla curva che l’energia luminosa aumenta dopo una particolare corrente laser soglia. Questo valore di soglia della corrente laser aumenta esponenzialmente con la temperatura.

Quindi, a una temperatura più elevata, aumenta anche il valore di soglia della corrente laser fino a cui viene generata l’energia luminosa. Pertanto, è necessario azionare il diodo laser fino al valore di soglia della corrente laser perché al di sopra di questo valore non c’è energia luminosa. Per avere un funzionamento affidabile, è necessario determinare il valore di soglia della corrente laser.

V-I Caratteristiche del diodo laser

La tensione diretta del diodo laser è generalmente di circa 1,5 V. Sebbene la tensione diretta dipenda dalla temperatura di esercizio. La varianza della corrente nel diodo con la tensione può essere compresa con l’aiuto del diagramma sottostante.

Vantaggi del diodo laser

1. Dispositivo a basso consumo energetico.
2. Economico in quanto il suo costo di produzione e funzionamento è basso.
3. Può essere utilizzato per un lungo periodo di tempo.
4. Portatile grazie alle sue dimensioni ridotte e all’architettura interna.
5. Altamente affidabile e altamente efficiente.

Svantaggi del diodo laser

1. Questi dipendono dalla temperatura e quindi il suo funzionamento è influenzato dal cambiamento della temperatura operativa.
2. Non è adatto per applicazioni ad alta potenza.

Applicazioni del diodo laser

1. Sistema di comunicazione ottica della fibra.
2. Lettori di codici a barre.
3. Stampa laser e scansione laser.
4. Telemetri.
5. In campo medico negli strumenti chirurgici.
6. In lettori CD e registratore DVD.

Queste sono alcune delle applicazioni significative del diodo LASER. Tra tutte queste applicazioni il regno più cruciale in cui il diodo laser trova la sua applicazione è il sistema di comunicazione in fibra ottica.