Laserdiode
En laserdiode (også kjent som en halvlederlaser ) er en halvlederkomponent som er relatert til en lysdiode (LED) , men som genererer laserstråling .
I laserdioder drives et pn-kryss med tung doping ved høy strømtetthet. Valget av halvledermateriale bestemmer den utsendte bølgelengden , som i dag dekker et spektrum fra infrarød til ultrafiolett .
historie
Ideen om å bruke en halvlederdiode som laser ble forfulgt av forskjellige fysikere etter at de første laserne dukket opp i 1960 og til og med før det. Tidlig på 1960-tallet konkurrerte flere laboratorier om å bygge den første halvlederlaseren: Robert N. Hall fra General Electric ( Schenectady ), Nick Holonyak fra General Electric ( Syracuse ), Marshall Nathan fra IBM og Robert Rediker fra Lincoln Laboratory ved Massachusetts Institute of Technology (der utviklingen var under ledelse av Benjamin Lax ). De var basert på galliumarsenid og hadde det til felles at de fremdeles var ineffektive, bare kjørte i pulsmodus og bare fungerte når de ble avkjølt med flytende nitrogen. I september 1962 klarte Halls team å få den første halvlederlaseren i gang med en liten margin (i infrarød ved 850 nm demonstrerte Holonyak kort tid etter den første halvlederlaseren i området med synlig lys). I Russland ble dette oppnådd i 1963 av et team under Nikolai Basow . Praktiske halvlederlasere dukket opp først etter at Herbert Kroemer i USA og Schores Alfjorow og Rudolf Kasarinow i Sovjetunionen ( Joffe Institute ) foreslo bruk av tynne lag i et sandwicharrangement ( heterostrukturer ) i 1963 (Alfjorow og Kroemer mottok Nobelprisen i fysikk for dette i 2000). Også her var det et løp mellom russere og amerikanere. I 1970 fikk team på Bell Laboratories ( Morton Panish , Izuo Hayashi ) og Joffe Institute (Alfjorow) kontinuerlige halvlederlasere til å kjøre ved romtemperatur, med Joffe Institute litt tidligere der. Gjennombruddet i det blå og ultrafiolette området ble oppnådd i 1998 av Shuji Nakamura , som mottok Nobelprisen i 2014 for dette.
funksjon
Utslippet av lys er forårsaket av rekombinasjonsprosesser av elektroner og hull ved overgangen mellom det p- og n- dopede området. Endeflatene til komponenten er delvis reflekterende og danner således en optisk resonator der en stående lysbølge kan dannes. Hvis det er populasjonsinversjon , kan det stimulerte utslippet bli den dominerende strålingsprosessen. Laserdioden avgir deretter laserstråling.
Generasjonen av populasjonsinversjonen foregår i laserdioder ved elektrisk pumping, en elektrisk likestrøm i fremoverretningen sørger for en konstant tilførsel av elektroner og hull. Pumpe strøm ved hvilken laserdrift er anvendt, også kalt laser terskel eller terskelstrøm I th (på engelsk. Threshold det etterfølgende).
konstruksjon
De fleste laserdioder er kantsendere (engelsk kantemitter ), d. Det vil si at lyset forlater krystallet ved sin brytende kant nær overflaten over strømmen. Effekttapet, 30% til 80%, avhengig av bølgelengden, varmer opp krystallet og må spres ved passende kjøling. Varmeavleder brukes til middels utgang (500 mW), varmerør og væskekjøling brukes til høyere medium utganger .
Risikoen for overoppheting er en begrensende faktor for oppnåelig strålingsutgang per individuell sender. For å oppnå høyere utgang drives flere dioder som ligger ved siden av hverandre parallelt elektrisk i en stripeformet chip. Ved å kombinere de enkelte bjelkene kan en høyere total ytelse oppnås. Et slikt arrangement av flere sidestillede dioder på en brikke blir referert til som søyler (engelsk stolpe heretter). De 10 til 25 individuelle emitterene til en stang har samme elektriske oppførsel på grunn av den vanlige produksjonsprosessen og kan derfor drives parallelt som en større diode. Med strømmer opptil 80 A oppnås optiske krefter på opptil 100 watt i nær infrarød .
Stabler sammensatt av flere slike stenger og diodelaser laget av dem, oppnår utganger i kilowattområdet. Overflateemittere (engelsk VCSEL ) har lavere krefter, men bedre strålekvalitet.
Toppmoderne
Effektiviteten til en laserdiode er definert som forholdet mellom utstrålt effekt og strømforbruket. Spesifikasjonen av lyseffekten gir liten mening for dioder som også avgir i det usynlige infrarøde eller ultrafiolette området.
Den oppnåelige effektiviteten i 2011 var mellom 10% (grønn, 530–540 nm), 20% (blå, 440 nm) og 70% (rød og infrarød, fra 650 nm). I 2012 oppnådde blå laserdioder 27% med et strømforbruk på 1,4 W i et TO-56-hus (5,6 mm) med en levetid på 10 000 timer. Produksjonen av egnede InGaN- halvledermaterialer for grønne lasere som tåler høy strømtetthet er fortsatt problematisk. For lysformål er det derfor billigere å opphisse passende fosfor i lengre bølgeområdet med kortbølge blått lys .
De siste årene har det vært mulig å produsere kraftige, monolitiske hvite lasere .
Elektrisk oppførsel og kontroll
Laserdioder oppfører seg i utgangspunktet elektrisk som lysdioder , så de må betjenes med strøm. Drift med konstant spenning er ikke mulig. U / I-karakteristikken har et eksponentielt forløp som en halvlederdiode . Laseroperasjonen starter fra en karakteristisk strøm i strømningsretningen, terskelstrømmen . Under denne strømmen avgir laserdioden usammenhengende stråling som ligner en lysdiode. Fra terskelstrømmen er den optiske utgangseffekten til laserdioden strengt proporsjonal med strømmen. Proportionalitetsfaktoren kalles hellingseffektivitet ; den er gitt i watt per ampere.
Laserdioder er ofte plassert sammen med en fotodiode i et felles hus. Fotodioden, også referert til som en monitor diode i dette tilfellet , er optisk koblet til laserdioden. Den fungerer som en sensor i en kontrollsløyfe for å holde den optiske effekten til laserdioden konstant ved hjelp av en ekstern elektronisk krets.
På grunn av den ekstra fotodioden har husene til laserdioder, som brukt i CD-spillere og laserpekere , tre tilkoblinger, som vist i figuren ved siden av, ved hjelp av en eksemplarisk elektrisk konfigurasjon av de to diodene.
Laserdioder tåler bare lave omvendte spenninger i området 3–5 V. Videre er de følsomme for elektrostatisk utladning og er vanligvis kortsluttet for transport. Under håndtering og installasjon må det tas beskyttende tiltak for å forhindre elektrisk spenning mellom tilkoblingene.
Typiske parametere og spesielle funksjoner
En enkelt emitter er ca. 100 µm høy, 500–2000 µm lang og 500–1000 µm bred, med den aktive sonen mindre enn 1 µm høy.
Den utstrålte lysutgangen varierer fra noen få hundre mikrowatt til over 10 watt per individuell emitter, avhengig av type diode. Strømmen som kreves for dette er ca. 0,1–12 A per sender, spenningen for infrarøde laserdioder er 1,8–2,2 V. Ved pulsert drift (såkalt q-cw-drift ) kan enda høyere utganger oppnås. Modulasjonsfrekvensene kan være opptil 10 GHz.
Laserdioder kan fungere både i multimodus (laserlys fra flere forskjellige oscillasjonsmodi samtidig) og i single-mode-operasjon (bare en oscillasjonsmodus). Hvis operasjon med enkeltmodus er nødvendig for en applikasjon, kan dette gjøres ved å strukturere halvledermaterialet som med DFB ( distribuert tilbakemeldingslaser ) eller DBR-laser ( distribuert Bragg-reflektorlaser ), eller ved en ytterligere ekstern resonator ekstern hulromdiodelaser , ECDL ): Som med andre lasere, kan den optiske resonatoren til laserdioder også strekke seg utover lengden på den aktive halvlederen, men lengden kan bare være liten på grunn av divergensen, og den høye brytningsindeksen til halvledermaterialet gjør det vanskeligere fører allerede til en høy refleksjon ved utgangsflaten.
Hyppigheten av lyset som sendes ut av laserdioden, avhenger ikke bare av materialet, men også av temperaturen, pumpestrømmen og, om nødvendig, den optiske tilbakemeldingen gjennom en ekstern resonator. Ved å stabilisere disse parametrene kan en båndbredde av det utsendte lyset på mindre enn en megahertz oppnås.
Pumpingen forårsaker også en periodisk endring i brytningsindeksen i halvledermaterialet, da dette er sterkt avhengig av ladningsbærertettheten. Endringen i brytningsindeks tilsvarer en variasjon i resonatorens optiske lengde mens resonatorens geometriske lengde forblir den samme. Dermed endres bølgelengden, dvs. det vil si at laseren endrer utslippsbølgelengden.
Oppvarming av laseren fører til endringer i bølgelengde. Skiftet er ca + 0,25-0,3 nm / K, maksimum av strålingen forskyves når det varmes opp ved å redusere båndgapet mot lengre bølgelengder.
Bruddoverflaten ( fasetten ) er ekstremt følsom for forurensning, siden det er svært høye strålingsflussdensiteter i området for strålingsutgangen fra den smale aktive sonen. For store strømpulser kan føre til optisk indusert, termisk ødeleggelse av fasetten selv uten forurensning. Denne typen ødeleggelse kalles COD ( katastrofal optisk skade ).
applikasjoner
Laserdioder er nå tilgjengelig for en rekke bølgelengder mellom blåfiolett (405 nm) og middels IR (14.000 nm). Det er svakheter i det grønne til det gule området mellom 510 nm og 635 nm. Bare lave utgangseffekter er mulig der.
De kommersielt tilgjengelige bølgelengdene til halvlederlasere og deres applikasjoner er:
- 375 nm
- 405 nm - basert på halvledermaterialet indium galliumnitrid ; blå-fiolette lasere, brukt i Blu-ray Disc og HD-DVD- stasjoner
- 445 nm - brukes som lyskilde i videoprojektorer.
- 473 nm
- 485 nm
- 510 nm
- 532 nm - basert på halvledermaterialet indium galliumnitrid
- 635 nm - rød laserpeker av høy kvalitet , også brukt til optisk måling i LIDAR
- 640 nm
- 657 nm - DVD- stasjoner, laserpekere
- 670 nm - dårligere og billig rød laserpekere, også brukt med strekkodeskannere
- 760 nm - gassspektroskopi: oksygen
- 785 nm - CD- stasjoner, laserskrivere , lysbarrierer
- 808 nm - pumpelaser ( DPSS ) med Nd: YAG-laser . Applikasjonene er pumpelasere med grønne laserpekere eller med diodelaser og deres matriser.
- 848 nm - applikasjoner i periferien (f.eks. Datamus med lasersensorer)
- 980 nm - pumpelaser (DPSS) med Nd: YAG-laser
- 1064 nm - applikasjoner i fiberoptiske nettverk for dataoverføring.
- 1310 nm - applikasjoner i fiberoptiske nettverk for dataoverføring
- 1480 nm - pumpelaser (DPSS) med Nd: YAG-laser
- 1512 nm - gassspektroskopi: ammoniakk
- 1550 nm - applikasjoner i fiberoptiske nettverk for dataoverføring
- 1625 nm - applikasjoner i fiberoptiske nettverk for dataoverføring, vanligvis brukt til tjenestekanalen for nettverkskontroll i sammenheng med WDM ( Wavelength Division Multiplex )
- 1654 nm - gassspektroskopi: metan
- 1800 nm - gassspektroskopi: vanndamp
- 1877 nm - gassspektroskopi: vanndamp
- 2004 nm - gassspektroskopi: karbondioksid
- 2330 nm - gassspektroskopi: karbonmonoksid
- 2680 nm - gassspektroskopi: karbondioksid
- 3030 nm - gassspektroskopi : ethyne
- 3330 nm - gassspektroskopi: metan
Andre generelle bruksområder er:
- på fagområdet, spesielt i spektroskopi ( TDLAS ), kjemisk analyse , sporanalyse og kvanteoptikk
- for eksponering i utskriftsteknologi , som et sensorelement i datamus (ca. 832–865 nm).
Se også
weblenker
- Sam's Laser FAQ-diode (Engl.)
- Oversikt over de kommersielt tilgjengelige bølgelengdene til laserdioder
- Søknadsmerknader, tekniske merknader og vitenbøker (Engl.)
Individuelle bevis
- ↑ John von Neumann la ned et første forslag i 1953. Den ble ikke publisert før 1987: J. Neumann: Notes on the photon-disequilibrium-amplification scheme (JvN), 16. september 1953 . I: IEEE Journal of Quantum Electronics . teip 23 , nei. 6 , 1987, s. 659-673 , doi : 10.1109 / JQE.1987.1073414 . se R. Dupuis: Forord . I: IEEE Journal of Quantum Electronics . teip 23 , 1987, s. 658 , doi : 10.1109 / JQE.1987.1073438 .
- ↑ Russell Dupuis: The Diode Laser - de første 30 dagene for 40 år siden. I: Optikk og fotonikk nyheter. Vol. 15, 2004, s. 30 ( The Diode Laser - the First Thirty Days Forty Years Ago ( 19. juni 2010- minner i Internett-arkivet )).
- ↑ Noriaki Horiuchi: Semiconductor Laser . I: Naturens milepæler. Milepæl 15, 1. mai 2010.
- ↑ William G. Kaenders: Blå laserdiode benyttet anledningen til et ungt tysk teknologiselskap . I: Physics Journal . teip 2 , nei 6 , 2003, s. 71–79 ( pro-physik.de [PDF; åpnet 10. november 2020]).
- ↑ Osram: blå laserdioder (2012)
- ↑ Dataark for forskjellige laserdioder fra Sony. (Ikke lenger tilgjengelig online.) I: sony.net. Sony , arkivert fra originalen 20. juli 2012 .
- ↑ Fabry Perot-lasere: 6000 nm - 14000 nm. I: nanoplus.com. Hentet 9. juni 2016 .
- ↑ a b c d e f g h i j k l m n o p q r s t u v w x Haiyin Sun: Laser Diode Beam Basics, Manipulations and Characterizations. Springer Science & Business Media, 2012, ISBN 978-94-007-4664-0 , s. 10 ( begrenset forhåndsvisning i Google-boksøk).
- ↑ a b c d e f g h i Anil K. Maini: Lasere og optoelektronikk. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-1-118-68896-0 ( begrenset forhåndsvisning i Google Book Search).
- ↑ Laserdiode bølgelengder (Engl.)
