Cos'è il diodo laser?
Il diodo laser (laser a semiconduttore) è un dispositivo elettronico che utilizza la giunzione p-n del semiconduttore per convertire la corrente in energia luminosa e generare laser. Il diodo laser ha un'eccellente direttività e rettilineità. Come sorgente luminosa con un facile controllo energetico, è ampiamente utilizzata nella comunicazione ottica, nelle cure mediche, nel rilevamento, nell'archiviazione di dati, nel tempo libero e nell'intrattenimento. Il suo principio di base è utilizzare la luce generata quando elettroni e lacune si ricombinano.
I diodi laser sono anche chiamati "laser a semiconduttore". "Laser" è l'acronimo di "Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation", che significa "emissione stimolata di amplificazione della luce". Anche se la lunghezza d'onda della luce naturale e della luce LED è costante, la loro differenza di fase non è costante e la forma d'onda non è uniforme. Il laser è una luce "coerente" che amplifica solo una lunghezza d'onda specifica. Le sorgenti luminose coerenti hanno una differenza di fase costante e una forma d'onda coerente e l'interferenza può essere utilizzata per rendere il fuoco molto piccolo (pochi um~), quindi possono essere utilizzate in varie applicazioni come interruttori ottici e modulazione ottica.
Storia e sviluppo
La storia dei diodi laser inizia nel 1917, quando Albert Einstein teorizzò per primo il fenomeno dell'“emissione stimolata di radiazioni”, gettando le basi per tutte le tecnologie laser. Successivamente, il tedesco John von Neumann descrisse il concetto di laser a semiconduttore in un manoscritto inedito nel 1953. Nel 1957, l'americano Gordon Gould propose che l'emissione stimolata di radiazioni potesse essere utilizzata per amplificare la luce e la chiamò "LASER (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiazione)". In questo modo, mentre scienziati di vari paesi continuavano a fare progressi nella ricerca sui laser, la struttura di omogiunzione del laser a semiconduttore all'arseniuro di gallio (GaAs) venne scoperta nel 1962 e la tecnologia della luce coerente fu effettivamente verificata. Nello stesso anno ebbe successo anche l’oscillazione della luce visibile. Tuttavia, i laser a semiconduttore di quest’epoca avevano problemi con l’oscillazione continua a temperatura ambiente. Nel 1970, la scoperta delle doppie eterostrutture rese possibile l'oscillazione continua a temperatura ambiente. Dopo gli anni '70, la tecnologia laser a semiconduttore si è sviluppata rapidamente ed è stata ampiamente utilizzata in vari campi.
Il principio di emissione della luce dei diodi laser
I diodi laser sono dispositivi a semiconduttore che possono emettere luce laser di una lunghezza d'onda specifica. La sua struttura di base è costituita da una giunzione pn composta da un semiconduttore di tipo p e da un semiconduttore di tipo n, uno strato attivo che emette luce e uno specchio rivestito che riflette la luce. Il principio di emissione della luce dei diodi laser è che quando scorre la corrente, gli elettroni e le lacune si ricombinano e i fotoni irradiati vengono amplificati nello strato attivo e riflessi nel risonatore per formare luce laser. Comprendiamo innanzitutto la struttura di base e il principio di emissione della luce dei "semiconduttori a emissione di luce" condivisi dai diodi laser e dai LED.
Struttura di base e materiali dei diodi
I semiconduttori sono materiali con conduttività tra "conduttori" che conducono elettricità e "isolanti (non conduttori)" che non conducono facilmente elettricità. I conduttori includono materiali metallici come ferro e oro, mentre gli isolanti includono materiali come gomma e vetro. I semiconduttori possono controllare il flusso di elettricità rendendoli conduttivi o non conduttivi. Inoltre in alcune modalità di utilizzo è possibile effettuare anche la conversione dell'energia tra energia luminosa ed energia elettrica.
Solitamente i componenti dei diodi sono costituiti principalmente da silicio (Si). Il silicio (Si) è il materiale semiconduttore più tipico. Il silicio esiste in natura sotto forma di "silice (SiO2: pietra il cui componente principale è il biossido di silicio)" ed è un materiale ricco di risorse. È ampiamente utilizzato in molti prodotti a semiconduttori perché è facile da lavorare.
Il silicio (Si) come materiale semiconduttore è originariamente un isolante e non ha quasi elettroni liberi come trasportatori. Pertanto, aggiungendo altre impurità al silicio (Si) per aumentare la concentrazione del portatore nel silicio (Si), la sua conduttività aumenta. I semiconduttori che aumentano i portatori aggiungendo impurità come questa sono chiamati "semiconduttori con impurità". I portatori includono elettroni liberi e lacune libere. Tra questi, i semiconduttori che aumentano i portatori di elettroni liberi sono chiamati "semiconduttori di tipo n" e i semiconduttori che aumentano i portatori di lacune libere sono chiamati "semiconduttori di tipo p".
* semiconduttore di tipo p (+: positivo, semiconduttore con molti fori), semiconduttore di tipo n (-: negativo, semiconduttore con molti elettroni)
L'elemento di un diodo è una struttura in cui sono collegati un semiconduttore di tipo p e un semiconduttore di tipo n, chiamata "giunzione pn". Il piedino di un semiconduttore di tipo p è chiamato "anodo", mentre il piedino di un semiconduttore di tipo n è chiamato "catodo". La corrente scorre dall'anodo al catodo.
Il principio dell'emissione luminosa a diodi
Quando viene applicata una tensione diretta a un elemento di giunzione pn, le lacune (positive) e gli elettroni (negativi) si muovono verso la giunzione e si combinano. L'energia in eccesso generata in questo momento viene convertita in energia luminosa, ottenendo così l'emissione luminosa. Questo fenomeno è chiamato “emissione di luce composta”.
I diodi laser possono essere classificati in base alla direzione in cui viene emessa la luce.
Laser a emissione di bordi (EEL): una struttura che utilizza la superficie di clivaggio del semiconduttore come riflettore per emettere luce dalla superficie di clivaggio.
Laser a emissione superficiale (SEL): una struttura che emette luce verticalmente dalla superficie del substrato semiconduttore.
Laser a emissione superficiale con cavità verticale (VCSEL): una cavità ottica risonante è formata nella direzione verticale della superficie del substrato semiconduttore e il raggio laser emesso è perpendicolare alla superficie del substrato. Ha le caratteristiche di bassa corrente di soglia, modulazione ad alta velocità con bassa corrente e buona stabilità della temperatura ed è ampiamente utilizzato nelle comunicazioni ottiche e nei campi dei sensori.
Questi diversi tipi di diodi laser hanno caratteristiche diverse e sono attualmente utilizzati in un'ampia varietà di applicazioni in base alle loro caratteristiche.
Durata dei diodi laser
La durata media dei diodi laser dipende dall'ambiente operativo (temperatura operativa, elettricità statica, rumore dell'alimentatore, ecc.) e generalmente si ritiene che possano essere accesi continuamente per circa 10,000 ore in condizioni normali (temperatura della cassa 25 gradi). Se la temperatura operativa è elevata durante l'uso, la durata sarà ridotta e anche le scariche elettrostatiche (ESD) possono causare guasti. Inoltre, anche le sovratensioni e il rumore generati dall'alimentatore possono danneggiare l'elemento laser.
Per utilizzare il diodo laser per un lungo periodo, misure come misure di dissipazione del calore come dissipatori di calore, sufficienti misure antistatiche e anti-sovratensione, l'uso di filtri antirumore e il controllo dell'uscita al minimo richiesto possono estendersi efficacemente la vita utile.
La luce emessa dal laser ha un'elevata densità di potenza. Se utilizzato in modo improprio, anche una piccola quantità di emissioni può causare danni al corpo umano, il che è molto pericoloso. Pertanto, prima dell'uso è necessario adottare misure di sicurezza sufficienti.
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