מהי דיודת הלייזר?
דיודת לייזר (לייזר מוליכים למחצה) היא מכשיר אלקטרוני המשתמש בצומת pn מוליכים למחצה כדי להמיר זרם לאנרגיית אור וליצור לייזר. לדיודת לייזר יש כיווניות וישרות מעולים. כמקור אור עם בקרת אנרגיה קלה, הוא נמצא בשימוש נרחב בתקשורת אופטית, טיפול רפואי, חישה, אחסון נתונים, פנאי ובידור. העיקרון הבסיסי שלו הוא להשתמש באור שנוצר כאשר אלקטרונים וחורים מתחברים מחדש.
דיודות לייזר נקראות גם "לייזרים מוליכים למחצה". "לייזר" הוא ראשי התיבות של "הגברת אור על ידי פליטת קרינה מעוררת", שפירושו "פליטה מגורה של הגברת אור". גם אם אורך הגל של האור הטבעי ואור ה-LED קבוע, הפרש הפאזות שלהם אינו קבוע וצורת הגל אינה אחידה. לייזר הוא אור "קוהרנטי" שמגביר רק אורך גל מסוים. למקורות אור קוהרנטיים יש הבדל פאזה קבוע וצורת גל עקבית, וניתן להשתמש בהפרעות כדי להפוך את המיקוד לקטן מאוד (כמה אום~), כך שניתן להשתמש בהם ביישומים שונים כגון מתגים אופטיים ומודולציה אופטית.
היסטוריה והתפתחות
ההיסטוריה של דיודות הלייזר החלה בשנת 1917, כאשר אלברט איינשטיין תיאר לראשונה את תופעת "פליטת קרינה מגורה", והניח את הבסיס לכל טכנולוגיות הלייזר. מאוחר יותר, הגרמני ג'ון פון נוימן תיאר את הרעיון של לייזרים מוליכים למחצה בכתב יד שלא פורסם בשנת 1953. בשנת 1957, האמריקאי גורדון גולד הציע שניתן להשתמש בפליטת קרינה מעוררת כדי להגביר את האור, וכינה אותו "LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of קְרִינָה)". בדרך זו, כאשר מדענים ממדינות שונות המשיכו להתקדם בחקר הלייזרים, מבנה ה-homojunction של לייזר מוליך למחצה גליום ארסניד (GaAs) יצא בשנת 1962, וטכנולוגיית אור קוהרנטית אומתה למעשה. באותה שנה הצליחה גם תנודת האור הנראה. עם זאת, ללייזרים מוליכים למחצה של עידן זה היו בעיות עם תנודה מתמשכת בטמפרטורת החדר. בשנת 1970, הגילוי של מבנים הטרו-מבנים כפולים איפשר תנודה מתמשכת בטמפרטורת החדר. לאחר שנות ה-70, טכנולוגיית הלייזר מוליכים למחצה התפתחה במהירות והייתה בשימוש נרחב בתחומים שונים.
עקרון פולטת האור של דיודות לייזר
דיודות לייזר הן מכשירים מוליכים למחצה שיכולים לפלוט אור לייזר באורך גל מסוים. המבנה הבסיסי שלו מורכב מצומת pn המורכבת ממוליך למחצה מסוג p ומוליך למחצה מסוג n, שכבה פעילה הפולטת אור ומראה מצופה המחזירה אור. העיקרון פולט האור של דיודות לייזר הוא שכאשר זורם זרם, אלקטרונים וחורים מתחברים מחדש, והפוטונים המוקרנים מוגברים בשכבה הפעילה ומשתקפים במהוד ליצירת אור לייזר. בואו נבין תחילה את המבנה הבסיסי ואת עקרון פולטת האור של "מוליכים למחצה פולטי אור" המשותפים לדיודות לייזר ולדים.
מבנה וחומרים בסיסיים של דיודות
מוליכים למחצה הם חומרים בעלי מוליכות בין "מוליכים" המוליכים חשמל לבין "מבודדים (לא מוליכים)" שאינם מוליכים חשמל בקלות. מוליכים כוללים חומרי מתכת כמו ברזל וזהב, ומבודדים כוללים חומרים כמו גומי וזכוכית. מוליכים למחצה יכולים לשלוט בזרימת החשמל על ידי הפיכתם למוליכים או לא מוליכים. בנוסף, בחלק משיטות השימוש ניתן לבצע גם המרת אנרגיה בין אנרגיית אור לאנרגיה חשמלית.
בדרך כלל, מרכיבי הדיודות עשויים בעיקר מסיליקון (Si). סיליקון (Si) הוא החומר המוליך למחצה האופייני ביותר. הסיליקון קיים בטבע בצורה של "סיליקה (SiO2: אבן שהמרכיב העיקרי שלה הוא צורן דו חמצני)" והוא חומר עשיר במשאבים. הוא נמצא בשימוש נרחב במוצרי מוליכים למחצה רבים מכיוון שהוא קל לעיבוד.
סיליקון (Si) כחומר מוליכים למחצה הוא במקור מבודד וכמעט ואין בו אלקטרונים חופשיים כנשאים. לכן, על ידי הוספת זיהומים אחרים לסיליקון (Si) כדי להגדיל את ריכוז הנשאים בסיליקון (Si), המוליכות שלו מוגברת. מוליכים למחצה שמגדילים נשאים על ידי הוספת זיהומים כמו זה נקראים "מוליכים למחצה טומאה". נשאים כוללים אלקטרונים חופשיים וחורים חופשיים. ביניהם, מוליכים למחצה המגדילים את נשאי האלקטרונים החופשיים נקראים "מוליכים למחצה מסוג n", ומוליכים למחצה המגדילים את נשאי החורים החופשיים נקראים "מוליכים למחצה מסוג p".
* מוליך למחצה מסוג p (+: חיובי, מוליך למחצה עם הרבה חורים), מוליך למחצה מסוג n (-: שלילי, מוליך למחצה עם הרבה אלקטרונים)
האלמנט של דיודה הוא מבנה שבו מחוברים מוליך למחצה מסוג p ומוליך למחצה מסוג n, אשר נקרא "צומת pn". הפין של מוליך למחצה מסוג p נקרא "אנודה", והפין של מוליך למחצה מסוג n נקרא "קתודה". הזרם זורם מהאנודה לקתודה.
העיקרון של פליטת אור דיודה
כאשר מתח קדימה מופעל על אלמנט צומת pn, חורים (חיוביים) ואלקטרונים (שליליים) נעים לכיוון הצומת ומתאחדים. האנרגיה העודפת שנוצרת בזמן זה מומרת לאנרגיית אור, ובכך משיגה פליטת אור. תופעה זו נקראת "פליטת אור מורכבת".
ניתן לסווג דיודות לייזר לפי כיוון פליטת האור.
לייזר פולט קצה (EEL): מבנה המשתמש במשטח המחשוף של המוליך למחצה כמשקף כדי לפלוט אור ממשטח המחשוף.
לייזר פולט משטח (SEL): מבנה הפולט אור אנכית מפני השטח של מצע המוליך למחצה.
לייזר פולט משטח חלל אנכי (VCSEL): חלל תהודה אופטי נוצר בכיוון האנכי של משטח מצע המוליך למחצה, וקרן הלייזר הנפלטת מאונכת למשטח המצע. יש לו את המאפיינים של זרם סף נמוך, אפנון מהיר עם זרם נמוך ויציבות טמפרטורה טובה, והוא נמצא בשימוש נרחב בתחומי תקשורת אופטית וחיישנים.
לסוגים שונים אלה של דיודות לייזר מאפיינים שונים ונמצאים כיום בשימוש במגוון רחב של יישומים על סמך המאפיינים שלהן.
החיים של דיודות לייזר
אורך החיים הממוצע של דיודות לייזר תלוי בסביבת ההפעלה (טמפרטורת עבודה, חשמל סטטי, רעשי אספקת חשמל וכו'), ומקובל לחשוב שניתן להדליק אותן ברציפות במשך כ-10,000 שעות בתנאים רגילים (טמפרטורת המארז 25 מעלות). אם טמפרטורת הפעולה גבוהה במהלך השימוש, חיי השירות יתקצרו, וגם פריקה אלקטרוסטטית (ESD) עלולה לגרום לכשלים. בנוסף, נחשולי מתח ורעש שנוצרו על ידי ספק הכוח עלולים לפגוע גם באלמנט הלייזר.
על מנת להשתמש בדיודת הלייזר לאורך זמן, אמצעים כגון אמצעי פיזור חום כגון גופי קירור, אמצעים אנטי-סטטיים ואנטי-נחשוליים מספיקים, שימוש במסנני רעש ושליטה על התפוקה למינימום הנדרש יכולים להאריך ביעילות חיי השירות.
לאור הנפלט מהלייזר יש צפיפות הספק גבוהה. בשימוש לא נכון, אפילו כמות קטנה של פליטה עלולה לגרום לנזק לגוף האדם, וזה מסוכן מאוד. לכן, יש לנקוט באמצעי בטיחות מספיקים לפני השימוש.
הכתובת שלנו
B-1507 Ruiding Mansion, No.200 Zhenhua Rd, District Xihu
מספר טלפון
0086 181 5840 0345
אֶלֶקטרוֹנִי
info@brandnew-china.com
