دیود لیزری (Laser Diode)، در مدارهای الکتریکی (Electrical Circuit)
انواع دیودها (Diode) را در آموزش زیر شرح دادیم :
دیود لیزری (Laser Diode) :
دیود لیزری (Laser Diode) یک قطعه نیمه هادی است که نور منسجم (Coherent Light) با پهنای باند طیفی بسیار باریک (تک رنگ) تولید می کند. لیزر مخفف "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation" است. دیود لیزری بر اساس پدیده گسیل القایی (Stimulated Emission) کار می کند، برخلاف LED که بر اساس گسیل خودبه خودی (Spontaneous Emission) عمل می کند. این تفاوت اساسی باعث می شود نور لیزر ویژگی های منحصر به فردی داشته باشد.
ساختار یک دیود لیزری شبیه دیود معمولی است اما با دو تفاوت اساسی: اولا، دو سطح انتهایی بلور نیمه هادی کاملا صیقل داده شده و به عنوان آینه (Mirrors) عمل می کنند تا تشدید نوری (Optical Resonance) ایجاد شود. این سطوح که وجوه شکست (Facets) نامیده می شوند، یک حفره تشدید (Resonant Cavity) را تشکیل می دهند. ثانیا، جریان تحریک (Pump Current) باید از یک آستانه مشخص (Threshold Current) عبور کند تا پدیده گسیل القایی غالب شده و لیزر شروع به کار کند.
مراحل کار دیود لیزری به این صورت است: با عبور جریان الکتریکی در بایاس مستقیم، الکترون ها و حفره ها در ناحیه فعال (Active Region) بازترکیب شده و فوتون تولید می کنند (گسیل خودبه خودی). این فوتون ها در حفره تشدید بین دو آینه به جلو و عقب منعکس می شوند و با برخورد به اتم های برانگیخته دیگر، باعث گسیل فوتون های هم فاز (Coherent) می شوند (گسیل القایی). با افزایش جریان، این فرآیند تقویت شده و در نهایت یک پرتو لیزر منسجم از یکی از آینه ها (که نیمه شفاف است) خارج می شود.
ویژگی های نور لیزر شامل تک رنگی بودن (Monochromaticity) با پهنای خط طیفی بسیار باریک (کمتر از ۱ نانومتر)، همدوسی (Coherence) بالا (فاز امواج نور ثابت است)، واگرایی بسیار کم (پرتو موازی یا تقریبا موازی) و شدت نور بسیار بالا است. این ویژگی ها دیود لیزری را برای کاربردهای دقیق و قدرتمند ایده آل می سازد.
جریان آستانه (Threshold Current) یکی از مهم ترین پارامترهای دیود لیزری است. زیر این جریان، دیود مانند یک LED معمولی نور ناهمدوس (Incoherent) تولید می کند. بالای این جریان، نور لیزر منسجم تولید می شود. جریان آستانه به دما بسیار حساس است و با افزایش دما، افزایش می یابد. بنابراین، بسیاری از دیودهای لیزری نیاز به کنترل دمایی دقیق با استفاده از ترموالکتریک کولر (TEC) دارند.
دیودهای لیزری انواع مختلفی دارند از جمله: لیزرهای لبه گسیل (Edge-Emitting Lasers) که نور از لبه های تراشه خارج می شود (رایج ترین نوع)، لیزرهای با گسیل سطحی حفره عمودی (VCSEL) که نور از سطح بالایی خارج می شود، لیزرهای با بازخورد توزیع شده (DFB Laser) که طول موج بسیار پایدار دارند، و لیزرهای با حفره خارجی (External Cavity Laser). هر یک از این انواع برای کاربردهای خاصی مناسب هستند.
کاربردهای دیود لیزری بسیار گسترده است و تقریبا در همه جا حضور دارند. در مخابرات فیبر نوری، از لیزرهای DFB برای ارسال داده ها با سرعت بالا در مسافت های طولانی استفاده می شود. در دستگاه های پخش دیسک نوری (CD, DVD, Blu-ray)، از لیزر برای خواندن اطلاعات استفاده می شود (نور آبی در بلوری). در چاپگرهای لیزری، از لیزر برای ایجاد تصویر بر روی درام استفاده می شود.
در پزشکی، از دیودهای لیزری برای جراحی های دقیق (لیزیک چشم)، درمان های پوستی (حذف موهای زائد، تاتو)، و دندانپزشکی استفاده می شود. در صنعت، از لیزرهای پرقدرت برای برش، جوشکاری، حکاکی و علامت گذاری مواد استفاده می شود. در نظامی، از لیزر برای مسافت یابی، هدف گیری و هدایت مهمات استفاده می شود. در اسکنرهای بارکد، لیزرهای ارزان قیمت به کار می روند.
یکی از کاربردهای جدید و مهم دیود لیزری، در سیستم های لیدار (LiDAR) برای خودروهای خودران است. لیDAR با ارسال پالس های لیزر و اندازه گیری زمان بازگشت آنها، نقشه سه بعدی دقیقی از محیط اطراف خودرو تهیه می کند. دیودهای لیزری با توان پالسی بالا و قابلیت اطمینان مورد نیاز، برای این کاربرد حیاتی هستند.
رنگ (طول موج) دیود لیزری به ماده نیمه هادی و ساختار آن بستگی دارد. لیزرهای مادون قرمز (۸۰۰-۹۰۰ نانومتر) از جنس GaAs برای مخابرات و پمپاژ لیزرهای دیگر، لیزرهای قرمز (۶۳۰-۶۷۰ نانومتر) از جنس AlGaInP برای دیسک های نوری و نشانگرها، لیزرهای آبی و سبز (۴۰۰-۵۳۰ نانومتر) از جنس GaN برای پروژکتورها و نمایشگرها، و لیزرهای فرابنفش از جنس AlGaN برای کاربردهای خاص استفاده می شوند.
یکی از چالش های دیود لیزری، حساسیت به تخلیه الکترواستاتیک (ESD) است. لیزرها بسیار شکننده هستند و یک تخلیه کوچک می تواند آنها را به طور دائمی تخریب کند. بنابراین، هنگام کار با دیود لیزری، باید نکات ایمنی ESD به دقت رعایت شود. همچنین لیزرها می توانند به راحتی در اثر اضافه جریان یا دمای بالا آسیب ببینند.
در نهایت، دیود لیزری یک قطعه کلیدی در فناوری مدرن است که از مخابرات و ذخیره سازی داده تا پزشکی و صنعت کاربرد دارد. با پیشرفت در مواد نیمه هادی (مانند نیترید گالیوم) و ساختارهای جدید (مانند VCSEL و لیزرهای نقطه کوانتومی)، توان، بازده، و دامنه طول موجی دیودهای لیزری به طور مداوم در حال افزایش است و کاربردهای جدیدی برای آنها در حال ظهور است.
