ما هو ليزر ديود Laser Diode
التعريف: يُعرف جهاز أشباه الموصلات الذي يولد ضوءًا متماسكًا عالي الكثافة باسم الصمام الثنائي الليزري. الليزر هو اختصار لتضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع. الانبعاث المستحث هو أساس عمل الصمام الثنائي لليزر.
الصمام الثنائي الليزري مشابه لـ LED ، ومع ذلك ، يختلف عن LED ، ينتج تقاطع PN في الصمام الثنائي بالليزر إشعاعًا متماسكًا. يعني الإشعاع المتماسك أن موجات الضوء التي يولدها الجهاز لها نفس التردد والمرحلة.
يتم تشكيله عن طريق تعاطي الألومنيوم أو السيليكون إلى مادة زرنيخيد الغاليوم من أجل إنشاء طبقة من النوع n وطبقة من النوع p. إلى جانب ذلك ، يتم وضع طبقة نشطة إضافية من GaAs غير المنبسطة بين الطبقتين.
يبلغ سمك هذه الطبقة النشطة بضعة نانومترات. الهدف من حط هذه الطبقة بين طبقات من النوع p و n هو زيادة مساحة تركيبة الإلكترون والثقوب. مما يؤدي إلى زيادة الإشعاع المنبعث. يتم أخذ إخراج الليزر من المنطقة النشطة في الصمام الثنائي لليزر.
في ثنائيات الليزر ، يتم التلميع عند طرفي التقاطع من أجل توفير سطح يشبه المرآة. من خلال الانعكاس من هذا السطح ، يتم إنتاج المزيد من الإلكترون وثقب الزوج. مما ينتج عنه المزيد من الإشعاع من خلال الجهاز.
عمل ليزر ديود
يتضمن عمل الصمام الثنائي لليزر 3 عمليات: الامتصاص ، والانبعاث التلقائي ، والانبعاث المُحفَّز.
دعونا نفهم أولاً عملية الاستيعاب.
ضع في اعتبارك مستويين من الطاقة E1 و E2. من أجل التبسيط ، دعنا نفترض أن E1 هو مستوى الطاقة الأقل و E2 هو مستوى الطاقة الأعلى.
امتصاص في الصمام الثنائي ليزر
في البداية ، من المفترض أن تكون الذرة في حالة طاقة أقل ، أي E1. من أجل الانتقال من مستوى طاقة أقل إلى مستوى أعلى ، تتطلب الذرة التغلب على فرق الطاقة بين المستويين ، المعطى بواسطة ، E2 - E1.
لذلك ، يتم توفير بعض التحفيز الخارجي للذرة الموجودة في الحالة الأساسية. وبالتالي ، يتم توفير موجة كهرومغناطيسية من التردد ν للذرة على مستوى الأرض. توفر هذه الموجة طاقة كافية للإلكترون لتعويض فرق الطاقة والانتقال من E1 إلى E2. تُعرف هذه العملية بالامتصاص.
المضي قدمًا الآن فهم عملية الانبعاث التلقائي ، الانبعاث التلقائي في الصمام الثنائي الليزري
بسبب الامتصاص ، تتواجد الذرة في مستوى الطاقة E2. لذلك ، مع انتهاء عمر الذرة ، فإنها تعود الآن إلى مستوى الأرض من مستوى الطاقة الأعلى. عند العودة إلى مستوى الأرض ، تنبعث الذرة من فرق الطاقة بين مستويي الطاقة ، أي E2 - E1.
تنبعث هذه الطاقة من الذرة على شكل موجة كهرومغناطيسية ، وتولد فوتونًا من الطاقة. هذه العملية تسمى الانبعاث التلقائي.
عادة ما تُرى ظاهرة انبعاث الإشعاع هذه في الأجهزة الإلكترونية الضوئية مثل LED.
دعونا نفهم الآن عملية الانبعاث المحفز
تحفيز انبعاث الصمام الثنائي بالليزر
افترض بعد الامتصاص أن الذرة موجودة في مستوى طاقة أعلى قبل استنفاد عمرها الافتراضي. لذلك ، يتم توفير موجة كهرومغناطيسية من التردد تساوي تردد الذرة المنبعثة تلقائيًا إلى الذرة.
يؤدي هذا إلى قيام الذرة بالانتقال من E2 إلى E1. الآن ، هذه المرة ستطلق الذرة طاقة فوتونين في هذا الانتقال.
كما قمنا بدمج مجموعة الوصلات بأكملها مع مرآة عاكسة جزئيًا. وبالتالي ، سيؤدي ذلك إلى حركة ذهاب وإياب للذرة. نتيجة لذلك ، سيؤدي هذا إلى توليد المزيد من الفوتونات.
حالما يتم الوصول إلى العتبة ، ستخرج الفوتونات من سطح المرآة ، وينبعث إشعاع متماسك مشرق من الجهاز.
في وقت الانبعاث المحفز ، نوفر طاقة فوتون للذرة. لذلك ، ستكون الفوتونات المنبعثة في نفس المرحلة مع الفوتونات الساقطة. وهكذا ، يولد ضوء ساطع أحادي اللون.
خصائص ديود الليزر
يوضح الشكل أدناه المنحنى المميز لديود الليزر: خصائص الصمام الثنائي لليزر
هنا ، يشير الخط الأفقي إلى التيار ويظهر الخط العمودي الطاقة الضوئية للضوء الناتج. يمكن أن نرى بوضوح من الشكل أنه يتم ملاحظة زيادة تدريجية في القوة حتى الوصول إلى نقطة العتبة.
بعد قيمة العتبة ، لوحظ زيادة سريعة في الطاقة حتى مع زيادة طفيفة في التيار. تعتمد الطاقة التي ينتجها الصمام الثنائي للليزر أيضًا على درجة الحرارة المرتبطة بالجهاز.
خاصية ضوء الليزر
يحمل ضوء الليزر المنبعث من الصمام الثنائي لليزر الخصائص التالية:
التماسك: إنها خاصية مهمة لليزر ، وهي موجودة بسبب الانبعاث المحفّز. إنه يشير ببساطة إلى أن الطول الموجي لموجات الضوء المنبعث في الطور. عندما نتحدث عن مصدر الضوء العادي على سبيل المثال LED ، فإنه لا يُظهر خاصية التماسك لأنه يتولد بسبب عملية الانبعاث التلقائي للفوتون.
أحادية اللون: الضوء المنبعث من الصمام الثنائي الليزري يكون أحادي اللون الطبيعة تعني أن لها طول موجي واحد. تشير الموجات التي لها طول موجي واحد إلى أن الإشعاع المنبعث من لون واحد.
السطوع: يتم تحديد سطوع الضوء أساسًا من خلال الطاقة لكل وحدة مساحة سطح لكل وحدة زاوية صلبة. بسبب الانعكاسات المستمرة ، يتم إنتاج ضوء عالي الكثافة والمزيد من الطاقة بواسطة الصمام الثنائي الليزري. يسمح ذلك بتوليد ضوء ساطع من خلال الجهاز.
الاتجاهية: ضوء الليزر هو اتجاهي بدرجة عالية وهذا يعني أن الضوء المنبعث من الصمام الثنائي ليزر لا يظهر الكثير من التباعد. يتم تحقيق الاتجاه في الصمام الثنائي لليزر لأن الفوتونات المنبعثة تخضع لانعكاسات متعددة عبر المرآة. يتم تخطي أي وقت ينحرف فيه الضوء عن محوره. وبالتالي يتم تحقيق شعاع ضوئي عالي التركيز فقط.
مزايا ليزر ديود
الطاقة التشغيلية في حالة ثنائيات الليزر أقل مقارنة بالأجهزة الباعثة للضوء الأخرى.
إنه صغير الحجم وبالتالي يسمح بمعالجة أفضل.
تولد ثنائيات الليزر ضوءًا عالي الكفاءة.
عيوب ليزر ديود
نظرًا لأنه يوفر ضوءًا عالي الكثافة ، فإنه يؤدي في بعض الأحيان إلى تأثيرات ضارة على العين.
انه غالي.
تطبيقات ليزر ديود
تستخدم ثنائيات الليزر على نطاق واسع في الاتصالات السلكية واللاسلكية والصناعات الدفاعية. تستخدم اتصالات الألياف الضوئية أيضًا شعاع ليزر لنقل الإشارات حيث تتطلب الألياف الضوئية شعاعًا شديد التركيز. يستخدم بشكل كبير في طابعات الليزر أيضًا.
تعليقات
إرسال تعليق