معرفی دیود لیزری و ساختار و اصول کاری آن - بخش دوم

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز: 

بخش اول مقاله را می‌توانید در معرفی دیود لیزری و ساختار و اصول کاری- بخش اول مشاهده نمایید.

قبل از اینکه درباره فرآیند کار دیود لیزر بیشتر بیاموزیم، بیایید به تفاوت نور لیزر با سایر انواع نور و مزایای آن نگاه کنیم.

نور خورشید یا بیشتر منابع نور مصنوعی حاوی امواجی با طول موج‌های چندگانه است و با یکدیگر غیر هم‌ فاز هستند. امواج نوری از منابع نور تک رنگ مانند لامپ رشته‌ای نیز با یکدیگر هم فاز نیستند. برخلاف منابع نور قبلی، دیود‌های لیزر پرتو باریکی از نور لیزر را تولید می‌کنند که در آن همه امواج نور دارای طول موج‌های مشابهی هستند و در کنار هم حرکت می‌کنند و قله‌هایشان به‌هم ردیف شده‌اند. به همین دلیل است که پرتو‌های لیزر بسیار روشن هستند و می‌توان آن‌ها را روی یک نقطه بسیار کوچک متمرکز کرد.

از بین تمام دستگاه‌هایی که نور لیزر تولید می‌کنند، دیود‌های لیزر یا لیزر‌های نیمه هادی کارآمدترین هستند و در بسته بندی‌های کوچکتر عرضه می‌شوند؛ بنابراین آن‌ها به طور گسترده در دستگاه‌های مختلف مانند چاپگر‌های لیزری، بارکدخوان ها، سیستم‌های امنیتی، وسایل نقلیه خودمختار (LIDAR)، ارتباطات فیبر نوری و ... استفاده می‌شوند.

مراحل اصلی مورد نیاز برای تولید یک پرتو منسجم نور در دیود‌های لیزری

مراحل اصلی مورد نیاز برای تولید یک پرتو منسجم نور در دیود‌های لیزر عبارتند از: جذب نور، انتشار خود به خود و انتشار تحریک شده.

جذب انرژی

جذب انرژی فرآیند جذب انرژی از منابع انرژی خارجی است.

در دیود‌های لیزر از انرژی الکتریکی یا ولتاژ DC به عنوان منبع انرژی خارجی استفاده می‌شود. هنگامی که ولتاژ DC یا انرژی الکتریکی انرژی کافی را به الکترون‌های ظرفیت یا الکترون‌های باند ظرفیتی می‌رساند، پیوند با اتم سازنده را می‌شکند و به سطح انرژی بالاتر (باند رسانایی) می‌پرد. الکترون‌های موجود در نوار رسانایی به عنوان الکترون آزاد شناخته می‌شوند.

هنگامی که الکترون ظرفیت از پوسته ظرفیت خارج می‌شود، در نقطه‌ای که الکترون از آن خارج شده است فضای خالی ایجاد می‌شود. به این فضای خالی در پوسته ظرفیت، سوراخ می‌گویند.

بنابراین، هم الکترون‌های آزاد و هم حفره‌ها به صورت جفت به دلیل جذب انرژی از منبع DC خارجی تولید می‌شوند.

انتشار خود به خود

گسیل خود به خودی فرآیندی است که نور یا فوتون‌ها را به طور طبیعی ساطع می‌کند در حالی که الکترون‌ها به حالت انرژی پایین‌تر سقوط می‌کنند.

در دیود‌های لیزری، الکترون‌های باند ظرفیت یا الکترون‌های ظرفیت در حالت انرژی پایین‌تر هستند. بنابراین، حفره‌های ایجاد شده پس از باقی ماندن الکترون‌های ظرفیت نیز در حالت انرژی پایین‌تر قرار دارند.

از سوی دیگر، الکترون‌های باند هدایت یا الکترون‌های آزاد در حالت انرژی بالاتر قرار دارند. به عبارت ساده، انرژی الکترون‌های آزاد بیشتر از حفره هاست.

الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی باید انرژی اضافی خود را از دست بدهند تا با حفره‌های نوار ظرفیت دوباره ترکیب شوند.

الکترون‌های آزاد در نوار رسانایی برای مدت طولانی باقی نمی‌مانند. پس از مدت کوتاهی، الکترون‌های آزاد با آزاد کردن انرژی به شکل فوتون با حفره‌های انرژی پایین‌تر دوباره ترکیب می‌شوند.

انتشار تحریک شده

انتشار تحریک‌شده فرآیندی است که طی آن الکترون‌های برانگیخته یا الکترون‌های آزاد با آزاد کردن انرژی به شکل نور، تحریک می‌شوند تا به حالت انرژی پایین‌تر سقوط کنند. انتشار تحریک شده یک فرآیند مصنوعی است.

در انتشار تحریک‌شده، الکترون‌های برانگیخته یا الکترون‌های آزاد نیازی به انتظار کامل شدن عمر خود ندارند. قبل از اتمام عمر خود، فوتون‌های تابشی یا خارجی، الکترون‌های آزاد را مجبور می‌کنند تا با حفره‌ها ترکیب شوند. در گسیل تحریک شده، هر فوتون فرودی دو فوتون تولید می‌کند.

تمام فوتون‌های تولید شده در اثر انتشار تحریک شده در یک جهت حرکت خواهند کرد. در نتیجه یک پرتو باریک از نور لیزر با شدت بالا تولید می‌شود.

دیود لیزر چگونه کار می‌کند؟

هنگامی که ولتاژ DC در سراسر دیود لیزر اعمال می‌شود، الکترون‌های آزاد در سراسر ناحیه اتصال از ماده نوع n به ماده نوع p حرکت می‌کنند. در این فرآیند، برخی از الکترون‌ها مستقیماً با الکترون‌های ظرفیت برهم‌کنش می‌کنند و آن‌ها را به سطح انرژی بالاتری برانگیخته می‌کنند، در حالی که برخی دیگر از الکترون‌ها با حفره‌های نیمه‌رسانای نوع p ترکیب می‌شوند و انرژی را به شکل نور آزاد می‌کنند. به این فرآیند انتشار، انتشار خود به خودی می‌گویند.

فوتون‌های تولید شده در اثر انتشار خود به خودی از طریق ناحیه پیوند حرکت می‌کنند و الکترون‌های برانگیخته (الکترون‌های آزاد) را تحریک می‌کنند. در نتیجه فوتون‌های بیشتری آزاد می‌شوند. به این فرآیند انتشار نور یا فوتون، انتشار تحریک شده می‌گویند. نور تولید شده در اثر انتشار تحریک شده به موازات محل اتصال حرکت می‌کند.

دو انتهای ساختار دیود لیزری بازتاب نوری هستند. یک انتها کاملاً بازتابنده است در حالی که انتهای دیگر تا حدی بازتابنده است. انتهای کاملاً بازتابنده نور را به طور کامل منعکس می‌کند در حالی که انتهای نیمه بازتابنده بیشتر قسمت نور را منعکس می‌کند، اما مقدار کمی نور را اجازه می‌دهد.

نور تولید شده در اتصال p-n بین دو سطح بازتابنده به عقب و جلو (صد‌ها بار) منعکس می‌شود. در نتیجه، بهره نوری عظیمی به دست می‌آید.

نور تولید شده در اثر انتشار تحریک شده از طریق انتهای نیمه بازتابنده دیود لیزر خارج می‌شود تا یک پرتو باریک از نور لیزر تولید کند.
تمام فوتون‌های تولید شده در اثر انتشار تحریک شده در یک جهت حرکت خواهند کرد. بنابراین، این نور مسافت‌های طولانی را بدون پخش شدن در فضا طی می‌کند.

مزایای دیود‌های لیزر

• ساخت و ساز ساده
• سبک وزن
• خیلی ارزان
• اندازه کوچک
• در مقایسه با سایر انواع لیزر‌ها بسیار قابل اعتماد است.
• عمر عملیاتی طولانی‌تر
• بازدهی بالا
• آینه در لیزر‌های نیمه هادی مورد نیاز نیست.
• مصرف برق کم

معایب دیود‌های لیزر

• برای کاربرد‌هایی که به توان بالا نیاز دارند مناسب نیست.
• لیزر‌های نیمه هادی به شدت به دما وابسته هستند.

کاربرد‌های دیود‌های لیزر

• از دیود‌های لیزری در نشانگر‌های لیزری استفاده می‌شود.
• دیود‌های لیزر در ارتباطات فیبر نوری استفاده می‌شوند.
• از دیود‌های لیزری در بارکدخوان‌ها استفاده می‌شود.
• از دیود‌های لیزری در چاپ لیزری استفاده می‌شود.
• از دیود‌های لیزری در اسکن لیزری استفاده می‌شود.
• از دیود‌های لیزری در محدوده یاب استفاده می‌شود.
• دیود‌های لیزر در طیف سنجی جذب لیزری استفاده می‌شوند.