Diode Laser là gì? Nguyên lý hoạt động, cách thiết kế, các loại diode laser và cách sử dụng điốt laze

Diode Laser là gì?

Diode Laser là một thiết bị bán dẫn tương tự như đi-ốt phát sáng (LED). Nó sử dụng tiếp giáp pn để phát ra ánh sáng kết hợp trong đó tất cả các sóng có cùng tần số và pha. Ánh sáng kết hợp này được tạo ra bởi diode laser sử dụng một quá trình được gọi là Khuếch đại ánh sáng của cải bằng sự phát xạ kích thích của bức xạ, được viết tắt là LASER. Và vì một tiếp giáp pn được sử dụng để sản xuất ánh sáng laser, thiết bị này được đặt tên là một diode laser. Trước khi chúng ta tìm hiểu thêm về quy trình làm việc của diode laser, chúng ta hãy xem xét ánh sáng laser khác với các loại ánh sáng khác như thế nào và lợi thế của nó.

Ánh sáng từ ánh sáng mặt trời hoặc từ hầu hết các nguồn sáng nhân tạo chứa các sóng có nhiều bước sóng và chúng lệch pha với nhau. Các sóng ánh sáng từ các nguồn sáng đơn sắc như bóng đèn sợi đốt cũng không cùng pha với nhau. Trái ngược với các nguồn sáng trước đó, điốt laser tạo ra một chùm ánh sáng laser hẹp trong đó tất cả các sóng ánh sáng có bước sóng tương tự nhau và chúng truyền cùng với các cực đại của chúng xếp thành hàng. Đây là lý do tại sao các chùm tia laser rất sáng, và có thể được tập trung vào một điểm rất nhỏ.

Trong số tất cả các thiết bị sản xuất ánh sáng laser, điốt laser hoặc laser bán dẫn là hiệu quả nhất và chúng có các gói nhỏ hơn. Vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khác nhau như máy in laser, đầu đọc mã vạch, hệ thống an ninh, xe tự hành (LIDAR), thông tin liên lạc sợi quang, v.v. 

Làm thế nào một Diode Laser hoạt động?

Hoạt động của một diode laser diễn ra theo ba bước chính:

Hấp thụ năng lượng

Các diode laser bao gồm một điểm nối pn nơi tồn tại lỗ và electron. (Ở đây, một lỗ có nghĩa là sự vắng mặt của một điện tử). Khi một điện áp nhất định được đặt vào tiếp giáp pn, các electron sẽ hấp thụ năng lượng và chúng chuyển sang mức năng lượng cao hơn. Các lỗ trống được hình thành tại vị trí ban đầu của electron bị kích thích. Các electron ở trong trạng thái kích thích này mà không kết hợp lại với các lỗ trống trong một khoảng thời gian rất nhỏ, được gọi là thời gian tái tổ hợp của Hồi hoặc thời gian sống ở trạng thái thượng lưu. Thời gian tái hợp là khoảng một nano giây đối với hầu hết các điốt laser.

Phát xạ tự phát

Sau thời gian sống ở trạng thái trên của các electron bị kích thích, chúng kết hợp lại với các lỗ trống. Khi các electron rơi từ mức năng lượng cao hơn xuống mức năng lượng thấp hơn, sự khác biệt về năng lượng được chuyển đổi thành photon hoặc bức xạ điện từ. Quá trình này được sử dụng để sản xuất ánh sáng trong đèn LED. Năng lượng của photon phát ra được cho bởi sự khác biệt giữa hai mức năng lượng.

Phát xạ kích thích

Chúng ta cần nhiều photon kết hợp hơn từ diode laser hơn là các photon phát ra trong quá trình phát xạ tự phát. Một gương phản chiếu một phần được sử dụng ở hai bên của diode để các photon được giải phóng từ phát xạ tự phát bị giữ lại trong tiếp giáp pn cho đến khi nồng độ của chúng đạt đến giá trị ngưỡng. Các photon bị bẫy này kích thích các electron bị kích thích tái hợp với các lỗ trống ngay cả trước thời gian tái hợp của chúng. Điều này dẫn đến việc giải phóng nhiều photon cùng pha với các photon ban đầu và do đó đầu ra được khuếch đại. Một khi nồng độ photon vượt quá ngưỡng, chúng thoát ra khỏi các gương phản xạ một phần, dẫn đến ánh sáng kết hợp đơn sắc sáng.

Xây dựng một Diode Laser

Một diode laser bán dẫn đơn giản được tạo thành từ các phần sau theo thứ tự:

• Liên hệ kim loại
• Vật liệu loại P
• Vùng hoạt động / nội tại (Vật liệu loại N)
• Chất liệu loại N
• Liên hệ kim loại

Các đầu vào đầu vào được kết nối với một tấm kim loại được kẹp vào các lớp loại n và loại p. Loại diode laser này còn được gọi là Diode Laser Diode Giao. Vùng nội tại giữa vật liệu loại p và loại n được sử dụng để tăng thể tích của vùng hoạt động, do đó số lượng lỗ và electron có thể tích lũy nhiều hơn tại điểm nối. Điều này cho phép số lượng điện tử kết hợp lại nhiều hơn với các lỗ trống bất cứ lúc nào, dẫn đến công suất đầu ra tốt hơn. Ánh sáng laser được phát ra từ vùng elip. Chùm tia này từ diode laser có thể được tập trung hơn nữa bằng cách sử dụng ống kính quang học. Toàn bộ sắp xếp diode PIN (loại P, Intrinsic, N-Type) được đặt bình thường trong vỏ kim loại.

Các loại điốt laze

Double Heterostr struct Laser Diode

Trong loại điốt laser này, một lớp giam cầm bổ sung của một vật liệu khác được kẹp giữa hai vật liệu loại p và loại n. Mỗi điểm nối giữa các vật liệu khác nhau được gọi là cấu trúc dị thể. Do có sự hiện diện của hai cấu trúc dị thể, loại diode laser này được đặt tên là một diode laser dị cấu trúc kép (DH). Ưu điểm của diode laser DH này là vùng hoạt động được giới hạn trong một lớp mỏng giúp khuếch đại quang học tốt hơn.

Diode Laser lượng tử

Các diode laser giếng lượng tử có một lớp giữa rất mỏng, hoạt động như một giếng lượng tử. Các electron sẽ có thể sử dụng các mức năng lượng lượng tử khi chuyển từ mức năng lượng cao hơn sang mức năng lượng thấp hơn. Điều này mang lại hiệu quả tốt hơn cho loại diode laser này.

Riêng biệt Heterostr struct Laser Diode

Lớp giữa mỏng trong diode laser giếng lượng tử rất nhỏ để hạn chế ánh sáng phát ra hiệu quả. Để bù lại điều này, trong diode laser dị cấu trúc giam cầm riêng biệt, hai lớp khác được thêm vào trong ba lớp ban đầu. Các lớp này có chỉ số khúc xạ thấp hơn và giúp hạn chế ánh sáng phát ra một cách hiệu quả.

Diode Laser phát xạ bề mặt khoang dọc (VCSEL)

Tất cả các điốt laser đã thảo luận trước đó, khoang quang học được đặt vuông góc với dòng chảy hiện tại. Tuy nhiên, trong bề mặt khoang dọc phát ra điốt laser, khoang quang nằm dọc theo trục của dòng chảy. Các gương phản chiếu một phần được đặt gần cuối của khoang quang.

Các loại khác

• Diode Cascade Laser lượng tử
• Diode Cascade Laser Diode
• Diode Laser phản xạ phân tán
• Phản hồi phân tán Diode Laser
• Laser Diode khoang bên ngoài
• Diode Laser bề mặt khoang bên ngoài dọc (VCSEL)

Đặc điểm PI Diode PI

Sơ đồ dưới đây là sơ đồ đồ họa giữa công suất quang đầu ra trên trục y và đầu vào hiện tại cho diode laser trên trục x.

Khi chúng ta tăng lưu lượng dòng tới diode laser, công suất quang của ánh sáng đầu ra tăng dần đến một ngưỡng nhất định. Cho đến thời điểm này, hầu hết ánh sáng phát ra là do phát xạ tự phát. Trên ngưỡng hiện tại này, quá trình phát xạ kích thích tăng lên. Điều này làm cho công suất của ánh sáng đầu ra tăng lên rất nhiều ngay cả khi tăng dòng điện đầu vào nhỏ hơn. Công suất quang đầu ra cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và nó giảm khi giảm nhiệt độ.

Làm thế nào để tạo một mạch điều khiển Laser Diode?

Điốt laser yêu cầu các mạch ổ đĩa phức tạp liên quan đến các vòng phản hồi bằng cách đo công suất quang, nhiệt độ, điện áp và dòng điện đầu vào. Nhưng để điều khiển một diode laser được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao, mạch điều khiển diode laser đơn giản có thể được xây dựng bằng IC điều chỉnh điện áp LM317. Dưới đây là sơ đồ.

LM317 được cấu hình để hoạt động như một nguồn hiện tại không đổi. Dòng điện đầu ra phụ thuộc vào giá trị điện trở giữa Vout và Vadj của LM317 (Pin2 & Pin1). Vì vậy, điều chỉnh chiết áp 100R sẽ thay đổi dòng điện đầu ra chảy vào diode laser. Điện trở 10R được sử dụng để ngăn dòng điện lớn chảy khi giá trị của chiết áp 100R bằng không. Các tụ 47uF được sử dụng để hấp thụ bất kỳ gai điện áp pin.

Các ứng dụng của Diode Laser

Mô-đun Diode Laser được sử dụng trong tất cả các lĩnh vực chính của điện tử, từ

• Điện tử tiêu dùng : đầu CD / DVD, máy in Laser, truyền thông sợi quang, đầu đọc mã vạch, v.v.
• Máy y tế : Điốt laser được sử dụng trong các máy dùng để loại bỏ các mô không mong muốn, loại bỏ tế bào ung thư, phẫu thuật không xâm lấn và đục thủy tinh thể, v.v.
• Xe tự hành : Công nghệ Diode Laser được sử dụng để chế tạo các hệ thống LIDAR để lái xe tự động
• Thiết bị khoa học : Laser được sử dụng trong các thiết bị được sử dụng cho các phép đo không tiếp xúc từ xa, phép đo phổ, công cụ tìm phạm vi, v.v.
• Ứng dụng công nghiệp : Điốt laser được sử dụng như một nguồn tia laser cường độ cao để cắt chính xác các vật liệu. Chúng cũng được sử dụng trong in 3D để làm mềm chất nền.

Xem thêm: cảm biến hồng ngoại là gì