Laserdiod
En laserdiod (även känd som en halvledarlaser ) är en halvledarkomponent som är relaterad till en lysdiod (LED) men som genererar laserstrålning .
I laserdioder drivs en pn-korsning med tung doping vid höga strömtätheter. Valet av halvledarmaterial bestämmer den utsända våglängden , som idag täcker ett spektrum från infrarött till ultraviolett .
historia
Idén att använda en halvledardiod som laser förföljdes av olika fysiker efter att de första lasrarna dök upp 1960 och till och med innan det. I början av 1960-talet tävlade flera laboratorier om att bygga den första halvledarlaser: Robert N. Hall från General Electric ( Schenectady ), Nick Holonyak från General Electric ( Syracuse ), Marshall Nathan från IBM och Robert Rediker från Lincoln Laboratory vid Massachusetts Institute of Technology (där utvecklingen skedde under ledning av Benjamin Lax ). De baserades på galliumarsenid och hade det gemensamt att de fortfarande var ineffektiva, bara sprang i pulsläge och bara fungerade när de kyldes med flytande kväve. I september 1962 lyckades Halls team få den första halvledarlasern igång med en smal marginal (i infraröd vid 850 nm visade Holonyak kort därefter den första halvledarlasern i området för synligt ljus). I Ryssland uppnåddes detta 1963 av ett lag under Nikolai Basow . Praktiska halvledarlaser uppstod först efter att Herbert Kroemer i USA och Schores Alfjorow och Rudolf Kasarinow i Sovjetunionen ( Joffe Institute ) föreslog användning av tunna lager i ett sandwicharrangemang ( heterostrukturer ) 1963 (Alfjorow och Kroemer fick Nobelpriset i fysik för detta år 2000). Även här var det ett lopp mellan ryssar och amerikaner, 1970 gjorde team vid Bell Laboratories ( Morton Panish , Izuo Hayashi ) och Joffe Institute (Alfjorow) kontinuerliga halvledarlaser körda vid rumstemperatur, med Joffe Institute lite tidigare där. Genombrottet inom det blå och ultravioletta området uppnåddes 1998 av Shuji Nakamura , som fick Nobelpriset 2014 för detta.
fungera
Utsläpp av ljus orsakas av rekombinationsprocesser av elektroner och hål vid övergången mellan det p- och n- dopade området. Komponentens ändytor är delvis reflekterande och bildar således en optisk resonator i vilken en stående ljusvåg kan bildas. Om det finns en befolkningsinversion kan det stimulerade utsläppet bli den dominerande strålningsprocessen. Laserdioden avger sedan laserstrålning.
Genereringen av populationsinversionen sker i laserdioder genom elektrisk pumpning, en elektrisk likström i riktning framåt säkerställer en konstant tillförsel av elektroner och hål. Pumpströmmen vid vilken laseroperation används, även kallad lasertröskel eller tröskelström I : te (i engelska. Tröskelvärde härefter).
konstruktion
De flesta laserdioder är kantsändare (engelska kantsändare ), d. Det vill säga, ljuset lämnar kristallen vid dess brytande kant nära ytan över strömmen. Effektförlusten, 30% till 80% beroende på våglängden, värmer kristallen och måste försvinna genom lämplig kylning. Kylflänsar används för medeleffekter (500 mW), värmerör och vätskekylning används för högre mediumutgångar .
Risken för överhettning är en begränsande faktor för uppnåelig strålningseffekt per enskild sändare.För att uppnå en högre uteffekt drivs flera dioder bredvid varandra elektriskt parallellt i ett bandformat chip. Genom att kombinera de enskilda balkarna kan en högre total prestanda uppnås. Ett sådant arrangemang av ett flertal intill varandra placerade dioder på ett chip kallas staplar (engelsk stapel nedan). De 10 till 25 individuella sändarna i en stång har samma elektriska beteende på grund av den vanliga tillverkningsprocessen och kan därför drivas parallellt som en större diod. Med strömmar på upp till 80 A uppnås optiska effekter på upp till 100 watt i nära infraröd .
Travar bestående av flera sådana staplar och diodlasrar tillverkade av dem uppnår utgångar i kilowattområdet. Surface sändare (English VCSEL ) har lägre krafter, men en bättre strålkvalitet.
Toppmodern
Effektiviteten hos en laserdiod definieras som förhållandet mellan den utstrålade effekten och den förbrukade effekten. Specifikationen av ljusflödet är lite meningsfullt för dioder som också avges i det osynliga infraröda eller ultravioletta området.
Den uppnådda effektiviteten 2011 var mellan 10% (grön, 530–540 nm), 20% (blå, 440 nm) och 70% (röd och infraröd, från 650 nm). År 2012 uppnådde blå laserdioder 27% med en strömförbrukning på 1,4 W i ett TO-56-hölje (5,6 mm) med en livslängd på 10 000 timmar. Produktionen av lämpliga InGaN- halvledarmaterial för gröna lasrar som tål en hög strömtäthet är fortfarande problematisk. För belysningsändamål är det därför billigare att excitera lämpliga fosforer i det längre vågområdet med kortvågsblått ljus .
Under de senaste åren har det varit möjligt att producera kraftfulla, monolitiska vita lasrar .
Elektriskt beteende och kontroll
Laserdioder beter sig i princip elektriskt som ljusdioder , så de måste drivas med ström. Drift vid konstant spänning är inte möjlig. U / I-karaktäristiken har en exponentiell kurs som en halvledardiod . Laseroperationen börjar från en karakteristisk ström i flödesriktningen, tröskelströmmen . Under denna ström avger laserdioden osammanhängande strålning som liknar en ljusdiod. Från tröskelströmmen är laserdiodens optiska uteffekt strikt proportionell mot strömmen. Proportionalitetsfaktorn kallas lutningseffektivitet ; den ges i watt per ampere.
Laserdioder är ofta inrymda tillsammans med en fotodiod i ett gemensamt hölje. Fotodioden, även hänvisad till som en monitordiod i detta fall , är optiskt kopplad till laserdioden. Den fungerar som en sensor i en styrslinga för att hålla laserdiodens optiska effekt konstant med hjälp av en extern elektronisk krets.
På grund av den extra fotodioden har laserdiodernas höljen, som de används i CD-spelare och laserpekare , tre anslutningar, som visas i den intilliggande figuren med en exemplifierande elektrisk konfiguration av de två dioderna.
Laserdioder tål endast låga bakspänningar i intervallet 3–5 V. Dessutom är de känsliga för elektrostatiska urladdningar och är vanligtvis kortslutna för transport. Under hantering och installation måste skyddsåtgärder vidtas för att förhindra elektriska spänningar mellan anslutningarna.
Typiska parametrar och specialfunktioner
En enskild sändare är ca 100 µm hög, 500–2000 µm lång och 500–1000 µm bred, med den aktiva zonen mindre än 1 µm hög.
Det utsända ljuset sträcker sig från några hundra mikrowatt till över 10 watt per individuell sändare, beroende på typ av diod. Strömmen som krävs för detta är ca 0,1–12 A per sändare, spänningen för infraröda laserdioder är 1,8–2,2 V. Vid pulsad drift (så kallad q-cw-drift ) kan ännu högre utgångar uppnås. Modulationsfrekvenserna kan vara upp till 10 GHz.
Laserdioder kan fungera både i multilägesfunktion (laserljus från flera olika svängningslägen samtidigt) och i enlägesfunktion (endast ett svängningsläge). Om enlägesoperation är nödvändig för en applikation kan detta göras genom att strukturera halvledarmaterialet som med DFB ( distribuerad återkopplingslaser ) eller DBR-laser ( distribuerad Bragg-reflektorlaser ), eller genom en ytterligare extern resonator extern kavitetsdiodlaser , ECDL ): Som med andra lasrar kan den optiska resonatorn för laserdioder också sträcka sig längre än den aktiva halvledarens längd, men längden kan bara vara liten på grund av divergensen, och det höga brytningsindexet för halvledarmaterialet gör det svårare vilket leder redan till en hög reflektion vid dess utgångsyta.
Frekvensen för ljuset som avges av laserdioden beror inte bara på materialet utan också på temperaturen, pumpströmmen och vid behov den optiska återkopplingen genom en extern resonator. Genom att stabilisera dessa parametrar kan en bandbredd för det utsända ljuset på mindre än en megahertz uppnås.
Pumpningen orsakar också en periodisk förändring av brytningsindex i halvledarmaterialet, eftersom detta är starkt beroende av laddningsbärardensiteten. Förändringen i brytningsindex motsvarar en variation i resonatorns optiska längd medan resonatorns geometriska längd förblir densamma. Således förändras våglängden, d.v.s. det vill säga lasern ändrar sin emissionsvåglängd.
Uppvärmning av lasern leder till förändringar i våglängden. Skiftet är ca + 0,25-0,3 nm / K, det maximala av strålningen förskjuts när det värms upp genom att minska bandgapet mot längre våglängder.
Frakturytan ( fasetten ) är extremt känslig för kontaminering, eftersom det finns mycket höga strålningsflödestätheter i området för strålningsutgången från den smala aktiva zonen. Alltför stora strömpulser kan leda till optiskt inducerad, termisk förstörelse av fasetten även utan förorening. Denna typ av förstörelse kallas COD ( katastrofal optisk skada ).
Applikationer
Laserdioder finns nu tillgängliga för olika våglängder mellan blåviolett (405 nm) och medium IR (14 000 nm). Det finns svagheter i det gröna till det gula området mellan 510 nm och 635 nm. Endast låga uteffekter är möjliga där.
De kommersiellt tillgängliga våglängderna för halvledarlaser och deras tillämpningar är:
- 375 nm
- 405 nm - baserat på halvledarmaterialet indium galliumnitrid ; blå-violetta lasrar, används i Blu-ray Disc- och HD-DVD- enheter
- 445 nm - används som ljuskälla i videoprojektorer.
- 473 nm
- 485 nm
- 510 nm
- 532 nm - baserat på halvledarmaterialet indium galliumnitrid
- 635 nm - röd laserpekare av hög kvalitet , används också för optisk mätning i LIDAR
- 640 nm
- 657 nm - DVD- enheter, laserpekare
- 670 nm - sämre och billiga röda laserpekare, används också med streckkodsläsare
- 760 nm - gasspektroskopi: syre
- 785 nm - CD-skivor , laserskrivare , ljusbarriärer
- 808 nm - pumplaser ( DPSS ) med Nd: YAG-laser . Applikationerna är pumplasrar med gröna laserpekare eller med diodlasrar och deras matriser.
- 848 nm - applikationer i periferin (t.ex. datormöss med lasersensorer)
- 980 nm - pumplaser (DPSS) med Nd: YAG-laser
- 1064 nm - applikationer i fiberoptiska nätverk för dataöverföring.
- 1310 nm - applikationer i fiberoptiska nätverk för dataöverföring
- 1480 nm - pumplaser (DPSS) med Nd: YAG-laser
- 1512 nm - gasspektroskopi: ammoniak
- 1550 nm - applikationer i fiberoptiska nätverk för dataöverföring
- 1625 nm - applikationer i fiberoptiska nätverk för dataöverföring, vanligtvis används för servicekanalen för nätverkskontroll i samband med Wavelength Division Multiplex (WDM)
- 1654 nm - gasspektroskopi: metan
- 1800 nm - gasspektroskopi: vattenånga
- 1877 nm - gasspektroskopi: vattenånga
- 2004 nm - gasspektroskopi: koldioxid
- 2330 nm - gasspektroskopi: kolmonoxid
- 2680 nm - gasspektroskopi: koldioxid
- 3030 nm - gasspektroskopi : etyn
- 3330 nm - gasspektroskopi: metan
Andra allmänna användningsområden är:
- inom det vetenskapliga området, särskilt inom spektroskopi ( TDLAS ), kemisk analys , spåranalys och kvantoptik
- för exponering i tryckteknik , som ett sensorelement i datormöss (ca 832–865 nm).
Se även
webb-länkar
- Sam's Laser FAQ-diod (engelska)
- Översikt över de kommersiellt tillgängliga våglängderna för laserdioder
- Applikationsanmärkningar, tekniska anmärkningar och vitböcker (engelska)
Individuella bevis
- ↑ John von Neumann lade fram ett första förslag 1953. Det publicerades inte förrän 1987: J. Neumann: Anteckningar om foton-obalansförstärkningsschemat (JvN), 16 september 1953 . I: IEEE Journal of Quantum Electronics . tejp 23 , nr. 6 , 1987, sid. 659-673 , doi : 10.1109 / JQE.1987.1073414 . se R. Dupuis: Förord . I: IEEE Journal of Quantum Electronics . tejp 23 , 1987, sid. 658 , doi : 10.1109 / JQE.1987.1073438 .
- ↑ Russell Dupuis: Diodelasern - de första 30 dagarna för 40 år sedan. I: Optik och fotonik Nyheter. Vol. 15, 2004, s. 30 ( Diodelasern - de första trettio dagarna fyrtio år sedan ( 19 juni 2010 minnesmärke i internetarkivet )).
- ↑ Noriaki Horiuchi: Halvledarlaser . I: Natur milstolpar. Milstolpe 15, 1 maj 2010.
- ↑ William G. Kaenders: Blå laserdiod använde möjligheten för ett ungt tyskt teknikföretag . I: Physics Journal . tejp 2 , nr. 6 , 2003, s. 71–79 ( pro-physik.de [PDF; nås 10 november 2020]).
- ↑ Osram: blå laserdioder (2012)
- ↑ Datablad för olika laserdioder från Sony. ( Inte längre tillgängligt online.) I: sony.net. Sony , arkiverad från originalet den 20 juli 2012 .
- ↑ Fabry Perot-lasrar: 6000 nm - 14000 nm. I: nanoplus.com. Hämtad 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 ( begränsad förhandsgranskning i Googles boksökning).
- ↑ a b c d e f g h i Anil K. Maini: Lasrar och optoelektronik. John Wiley & Sons, 2013, ISBN 978-1-118-68896-0 ( begränsad förhandsgranskning i Google Book Search).
- ↑ Laserdiodvåglängder (Engl.)
