Was ist die Laserdiode?
Eine Laserdiode (Halbleiterlaser) ist ein elektronisches Gerät, das einen Halbleiter-pn-Übergang nutzt, um Strom in Lichtenergie umzuwandeln und Laser zu erzeugen. Die Laserdiode weist eine ausgezeichnete Richtwirkung und Geradheit auf. Als Lichtquelle mit einfacher Energiesteuerung wird sie häufig in der optischen Kommunikation, der medizinischen Behandlung, der Sensorik, der Datenspeicherung sowie in der Freizeit und Unterhaltung eingesetzt. Sein Grundprinzip besteht darin, das Licht zu nutzen, das bei der Rekombination von Elektronen und Löchern entsteht.
Laserdioden werden auch „Halbleiterlaser“ genannt. „Laser“ ist die Abkürzung für „Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation“, was „stimulierte Emission von Lichtverstärkung“ bedeutet. Selbst wenn die Wellenlänge von natürlichem Licht und LED-Licht konstant ist, ist ihre Phasendifferenz nicht konstant und die Wellenform ist nicht gleichmäßig. Laser ist „kohärentes“ Licht, das nur eine bestimmte Wellenlänge verstärkt. Kohärente Lichtquellen haben eine konstante Phasendifferenz und eine konsistente Wellenform, und Interferenz kann verwendet werden, um den Fokus sehr klein zu machen (einige µm), sodass sie in verschiedenen Anwendungen wie optischen Schaltern und optischer Modulation verwendet werden können.
Geschichte und Entwicklung
Die Geschichte der Laserdioden begann im Jahr 1917, als Albert Einstein erstmals das Phänomen der „stimulierten Strahlungsemission“ theoretisierte und damit den Grundstein für alle Lasertechnologien legte. Später beschrieb der Deutsche John von Neumann 1953 das Konzept der Halbleiterlaser in einem unveröffentlichten Manuskript. 1957 schlug der Amerikaner Gordon Gould vor, dass stimulierte Strahlungsemission zur Verstärkung von Licht genutzt werden könnte, und nannte es „LASER“ (Light Amplification by Stimulated Emission of). Strahlung)". Während Wissenschaftler aus verschiedenen Ländern bei der Erforschung von Lasern weiterhin Fortschritte machten, kam 1962 die Homojunction-Struktur des Galliumarsenid (GaAs)-Halbleiterlasers heraus und die kohärente Lichttechnologie wurde tatsächlich verifiziert. Im selben Jahr war auch die Oszillation sichtbaren Lichts erfolgreich. Allerdings hatten Halbleiterlaser dieser Zeit Probleme mit der kontinuierlichen Schwingung bei Raumtemperatur. 1970 ermöglichte die Entdeckung von Doppelheterostrukturen eine kontinuierliche Schwingung bei Raumtemperatur. Nach den 1970er Jahren entwickelte sich die Halbleiterlasertechnologie rasant und fand in verschiedenen Bereichen breite Anwendung.
Das lichtemittierende Prinzip von Laserdioden
Laserdioden sind Halbleiterbauelemente, die Laserlicht einer bestimmten Wellenlänge emittieren können. Seine Grundstruktur besteht aus einem pn-Übergang bestehend aus einem Halbleiter vom p-Typ und einem Halbleiter vom n-Typ, einer aktiven Schicht, die Licht emittiert, und einem beschichteten Spiegel, der Licht reflektiert. Das lichtemittierende Prinzip von Laserdioden besteht darin, dass bei Stromfluss Elektronen und Löcher rekombinieren und die abgestrahlten Photonen in der aktiven Schicht verstärkt und im Resonator reflektiert werden, um Laserlicht zu bilden. Lassen Sie uns zunächst die Grundstruktur und das Lichtemissionsprinzip der „lichtemittierenden Halbleiter“ verstehen, die Laserdioden und LEDs gemeinsam haben.
Grundaufbau und Materialien von Dioden
Halbleiter sind Materialien mit einer Leitfähigkeit zwischen „Leitern“, die Elektrizität leiten, und „Isolatoren (Nichtleitern)“, die Elektrizität nicht leicht leiten. Zu den Leitern gehören Metallmaterialien wie Eisen und Gold, und zu den Isolatoren gehören Materialien wie Gummi und Glas. Halbleiter können den Stromfluss steuern, indem sie sie leitend oder nichtleitend machen. Darüber hinaus kann bei manchen Nutzungsarten auch eine Energieumwandlung zwischen Lichtenergie und elektrischer Energie durchgeführt werden.
Normalerweise bestehen die Komponenten von Dioden hauptsächlich aus Silizium (Si). Silizium (Si) ist das typischste Halbleitermaterial. Silizium kommt in der Natur in Form von „Silica (SiO2: Stein, dessen Hauptbestandteil Siliziumdioxid ist)“ vor und ist ein ressourcenreicher Werkstoff. Aufgrund seiner einfachen Verarbeitbarkeit wird es häufig in vielen Halbleiterprodukten eingesetzt.
Silizium (Si) als Halbleitermaterial ist ursprünglich ein Isolator und besitzt nahezu keine freien Elektronen als Träger. Daher wird durch die Zugabe anderer Verunreinigungen zu Silizium (Si) zur Erhöhung der Trägerkonzentration in Silizium (Si) dessen Leitfähigkeit erhöht. Halbleiter, die die Zahl der Ladungsträger durch die Zugabe solcher Verunreinigungen erhöhen, werden als „Verunreinigungshalbleiter“ bezeichnet. Zu den Trägern gehören freie Elektronen und freie Löcher. Unter diesen werden Halbleiter, die freie Elektronenträger erhöhen, als „n-Typ-Halbleiter“ bezeichnet, und Halbleiter, die freie Lochträger erhöhen, werden „p-Typ-Halbleiter“ genannt.
* Halbleiter vom p-Typ (+: positiv, Halbleiter mit vielen Löchern), Halbleiter vom n-Typ (-: negativ, Halbleiter mit vielen Elektronen)
Das Element einer Diode ist eine Struktur, in der ein Halbleiter vom p-Typ und ein Halbleiter vom n-Typ verbunden sind, was als „pn-Übergang“ bezeichnet wird. Der Pin eines Halbleiters vom p-Typ wird als „Anode“ und der Pin eines Halbleiters vom n-Typ als „Kathode“ bezeichnet. Der Strom fließt von der Anode zur Kathode.
Das Prinzip der Diodenlichtemission
Wenn an ein pn-Übergangselement eine Durchlassspannung angelegt wird, bewegen sich Löcher (positiv) und Elektronen (negativ) in Richtung des Übergangs und verbinden sich. Die zu diesem Zeitpunkt erzeugte überschüssige Energie wird in Lichtenergie umgewandelt, wodurch eine Lichtemission erreicht wird. Dieses Phänomen wird „zusammengesetzte Lichtemission“ genannt.
Laserdioden können nach der Richtung, in der das Licht emittiert wird, klassifiziert werden.
Kantenemittierender Laser (EEL): Eine Struktur, die die Spaltfläche des Halbleiters als Reflektor nutzt, um Licht von der Spaltfläche zu emittieren.
Oberflächenemittierender Laser (SEL): Eine Struktur, die Licht vertikal von der Oberfläche des Halbleitersubstrats emittiert.
Vertical Cavity Surface Emitting Laser (VCSEL): Ein optischer Hohlraumresonator wird in vertikaler Richtung der Halbleitersubstratoberfläche gebildet, und der emittierte Laserstrahl ist senkrecht zur Substratoberfläche. Es weist die Eigenschaften eines niedrigen Schwellenstroms, einer Hochgeschwindigkeitsmodulation mit niedrigem Strom und einer guten Temperaturstabilität auf und wird häufig in den Bereichen optische Kommunikation und Sensorik eingesetzt.
Diese verschiedenen Arten von Laserdioden haben unterschiedliche Eigenschaften und werden derzeit aufgrund ihrer Eigenschaften in einer Vielzahl von Anwendungen eingesetzt.
Lebensdauer von Laserdioden
Die durchschnittliche Lebensdauer von Laserdioden hängt von der Betriebsumgebung ab (Betriebstemperatur, statische Elektrizität, Rauschen der Stromversorgung usw.), und es wird allgemein angenommen, dass sie unter normalen Bedingungen etwa 10,{1}} Stunden lang ununterbrochen leuchten können (Gehäusetemperatur 25 Grad). Bei hohen Betriebstemperaturen während des Einsatzes verkürzt sich die Lebensdauer und auch elektrostatische Entladungen (ESD) können zu Ausfällen führen. Darüber hinaus können durch die Stromversorgung erzeugte Überspannungen und Geräusche das Laserelement beschädigen.
Um die Laserdiode lange nutzen zu können, können Maßnahmen wie Wärmeableitungsmaßnahmen wie Kühlkörper, ausreichende Antistatik- und Überspannungsschutzmaßnahmen, der Einsatz von Entstörfiltern und die Regelung der Leistung auf das erforderliche Minimum wirksam verlängert werden die Lebensdauer.
Das vom Laser emittierte Licht weist eine hohe Leistungsdichte auf. Bei unsachgemäßer Verwendung können bereits geringe Emissionsmengen den menschlichen Körper schädigen, was sehr gefährlich ist. Daher müssen vor der Verwendung ausreichende Sicherheitsmaßnahmen getroffen werden.
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