Diode Laser

Định nghĩa : Một linh kiện bán dẫn tạo ra ánh sáng kết hợp có cường độ cao được gọi là điốt laze. LASER là chữ viết tắt của Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation. Phát xạ kích thích là cơ sở hoạt động của một diode laser.

Diode laser tương tự như LED, tuy nhiên, khác với LED, điểm nối PN của diode laser tạo ra bức xạ kết hợp. Bức xạ kết hợp có nghĩa là các sóng ánh sáng do thiết bị tạo ra có cùng tần số và cùng pha.

Cấu tạo của diode laser

Hình dưới đây cho thấy cấu tạo cơ bản của một diode laser:

Nó được hình thành bằng cách pha tạp nhôm hoặc silicon vào vật liệu arsenide gali để tạo ra lớp loại n và loại p. Cùng với đó, một lớp GaA chưa mở rộng hoạt động bổ sung được đặt giữa hai lớp.

Độ dày của lớp hoạt động này là vài nanomet. Mục đích của việc kẹp lớp này vào giữa các lớp loại p và n là để tăng diện tích tổ hợp electron và lỗ trống. Kết quả là làm tăng bức xạ phát ra. Đầu ra laser được lấy từ vùng hoạt động của diode laser.

Trong điốt laze, việc đánh bóng ở hai đầu của đường giao nhau được thực hiện để tạo ra bề mặt giống như gương. Thông qua sự phản xạ từ bề mặt này, nhiều cặp electron và lỗ trống hơn được tạo ra. Kết quả là tạo ra nhiều bức xạ hơn qua thiết bị.

Hoạt động của diode laser

Hoạt động của một diode laser bao gồm 3 quá trình: hấp thụ, phát xạ tự phát và phát xạ kích thích.

Đầu tiên chúng ta hãy tìm hiểu quá trình hấp thụ.

Xét 2 mức năng lượng E ₁ và E ₂ . Để đơn giản, chúng ta hãy giả sử E ₁ là mức năng lượng thấp hơn và E ₂ là mức năng lượng cao hơn.

Ban đầu, người ta cho rằng nguyên tử ở trạng thái năng lượng thấp hơn, tức là E ₁ . Để có sự chuyển đổi từ mức năng lượng thấp hơn lên mức cao hơn, nguyên tử cần phải vượt qua sự chênh lệch năng lượng giữa hai mức, cho bởi, E ₂ – E ₁ .

Vì vậy, một số kích thích bên ngoài được cung cấp cho nguyên tử hiện diện ở trạng thái cơ bản. Do đó, một sóng điện từ có tần số ν được cung cấp cho nguyên tử ở mặt đất. Sóng này cung cấp đủ năng lượng cho điện tử để bù lại sự chênh lệch năng lượng và chuyển từ E ₁ sang E ₂ . Quá trình này được gọi là quá trình hấp thụ.

Tiến xa hơn bây giờ hãy hiểu quá trình phát xạ tự phát.

Do sự hấp thụ, nguyên tử có ở mức năng lượng E ₂ . Vì vậy, khi tuổi thọ của nguyên tử hết hạn, nó sẽ quay trở lại mức cơ bản từ mức năng lượng cao hơn. Khi trở lại mặt đất, nguyên tử phát ra sự chênh lệch năng lượng của hai mức năng lượng, tức là E ₂ – E ₁ .

Năng lượng này do nguyên tử phát ra dưới dạng sóng điện từ, tạo ra một photon năng lượng. Quá trình này được gọi là phát xạ tự phát.

Hiện tượng phát bức xạ này thường thấy trong các thiết bị quang điện tử như đèn LED.

Bây giờ chúng ta hãy hiểu quá trình phát xạ kích thích

Giả sử sau khi hấp thụ, nguyên tử hiện diện ở mức năng lượng cao hơn trước khi cạn kiệt tuổi thọ của nó. Vì vậy, một sóng điện từ có tần số bằng tần số của nguyên tử phát ra tự phát được cung cấp cho nguyên tử.

Điều này làm cho nguyên tử thực hiện chuyển đổi từ E2 sang E1. Bây giờ, lúc này nguyên tử sẽ giải phóng năng lượng của hai photon trong quá trình chuyển đổi này.

Như chúng tôi đã kết hợp toàn bộ cụm đường giao nhau với một gương phản chiếu một phần. Do đó, điều này sẽ gây ra chuyển động qua lại của nguyên tử. Kết quả là, điều này sẽ tạo ra nhiều photon hơn.

Ngay sau khi đạt được ngưỡng, các photon sẽ thoát ra khỏi bề mặt gương, một bức xạ kết hợp sáng được thiết bị phát ra.

Tại thời điểm phát xạ kích thích, chúng ta đang cung cấp năng lượng photon cho nguyên tử. Vì vậy, các photon phát ra sẽ cùng pha với các photon tới. Do đó, tạo ra một ánh sáng đơn sắc.

Đặc điểm của diode laser

Hình dưới đây cho thấy đường cong đặc tính của một diode laser:

Ở đây, đường ngang biểu thị dòng điện và đường thẳng đứng biểu thị công suất quang học của ánh sáng được tạo ra. Có thể thấy rõ qua hình ảnh rằng sự tăng dần sức mạnh được nhận thấy cho đến khi đạt đến ngưỡng ngưỡng.