לייזר דיודה

מתוך המכלול, האנציקלופדיה היהודית
קפיצה לניווט קפיצה לחיפוש
לייזר מוליך למחצה באורכי גל שונים (660 nm, 635 nm, 532 nm, 520 nm, 445 nm, 405 nm)

לייזר דיודה (הקרוי גם לייזר מוליך-למחצה או לייזר הזרקה באנגלית: laser diode) הוא רכיב הפולט קרן לייזר על ידי שימוש בתכונות החשמליות והאופטיות של הדיודה. לייזר הדיודה הוא הלייזר הנפוץ ביותר לשימוש ושימושיו נעים בין מצביע לייזר ביתי עד שימושים ברפואה ובתקשורת. בשנת 2004 נמכרו כ-773 מיליון יחידות של לייזר דיודה בהשוואה ל-131 אלף יחידות של כל שאר סוגי הלייזר יחדיו.


רקע פיזיקלי

דיודה

דיודה עשויה ממוליך למחצה המחולק לשני אזורים המזוהמים על ידי אטומים של יסודות אחרים כך שחלק אחד מזוהם באטומים להם יש אלקטרון עודף בשכבת ההולכה (השכבה החיצונית) אשר יכול לנוע בחופשיות בין אטומים (אלקטרונים חופשיים) - חלק ה-n-type; וחלק שני מכיל אטומים להם אלקטרון חסר בשכבה החיצונית היוצר חור - חלק ה-p-type. חיבור של שני האזורים האלה גורם לאלקטרונים החופשיים מהחלק הראשון לעבור לחלק השני כתוצאה מדיפוזיה ולהיכנס לחורים בתהליך הנקרא רקומבינציה (התמזגות). מעבר האלקטרונים יוצר אזור שלילי בצד הp-type וחיובי בצד הn-type וביחד הם יוצרים את אזור המחסור. הפרש הפוטנציאלים באזור המחסור יוצר שדה חשמלי הגורם לתנועה של אלקטרונים (סחיפה) בכיוון ההפוך לכיוון הדיפוזיה (מ-p ל-n) עד שמגיעים למצב של שיווי משקל בין הדיפוזיה לסחיפה, ומתקבל צומת שהוא מחסום מתח המונע ממטענים לעבור. מקור מתח חיצוני המחובר כך שהוא יוצר מתח בין שני האזורים של הדיודה הגדול ממחסום המתח (ממתח קדמי) משחרר את המחסום ומאפשר מעבר של מטענים דרך הצומת וגורם לזרם. במעבר של אלקטרונים דרך הדיודה ממשיכה להתרחש רקומבינציה בין חורים לאלקטרונים אשר גורם לפליטה של אנרגיה.

סכמה של מבנה של לייזר דיודה. ניתן לראות שהתווך הפעיל (באדום) נמצא בחיבור בין חומר ה-n לחומר ה-p. שכבות A הן בעלות מקדם שבירה נמוך משל שכבות B ליצירת החזרה פנימית מלאה

תנאים ליצירת לייזר (לזירה)

לייזר דיודה בנוי ממוליך למחצה ויסודות מזהמים מיוחדים כך שבעת רקומבינציה האנרגיה המשתחררת תהייה בצורת אור (פוטון) ולא בצורת חום. אנרגיה זו תלויה בהרכב הכימי של הדיודה ושווה לפער האנרגיה בין הרמה המוליכה (מעוררת), בה נמצא האלקטרון, לרמה הלא מוליכה בה נמצא החור (רמת הערכיות). הרקומבינציה מתרחשת בצורה ספונטנית וגורמת לפליטה ספונטנית של אור ובכך מתקבלת דיודה פולטת אור (LED). פוטונים שנפלטו בצורה ספונטנית המכילים אנרגיה השווה להפרש רמות האנרגיה של האלקטרונים יכולים לפגוע באלקטרון הנמצא ברמה המעוררת ולגרום לו "ליפול" לרמת הערכיות ולפלוט עוד פוטון בנפילה. תהליך זה נקרא פליטה מאולצת. על מנת שתהייה פליטה מאולצת שתגרום ללזירה הזרם העובר דרך הדיודה צריך לעבור זרם סף מסוים שיגרום לכניסה מרובה של אלקטרונים לדיודה אשר תביא להיפוך אוכלוסין, תנאי הכרחי ללזירה אשר בו ישנם יותר אטומים במצב מעורר מאשר במצב יציב. במצב של היפוך אוכלוסין ההסתברות שפוטון יפגע באלקטרון מעורר גבוהה מאד וכך נוצרת תגובת שרשרת שגורמת לעוד ועוד פוטונים המכילים את אותה אנרגיה ובעלי אותן תכונות להשתחרר בעוד אספקת הזרם החיצונית דואגת להחזיר את האלקטרונים למצב מעורר. כך מקבלים לייזר -מקור אור האחיד בתכונותיו האופטיות.

האזור בדיודה בו מתבצעת הפליטה המאולצת והעירור מחדש של האלקטרונים נקרא התווך הפעיל. כדי ליצור הגבר לתופעה ניתן לבנות את הדיודה כך שמצדדיו של התווך הפעיל יתווסף עוד סוג של זיהום למוליך למחצה אשר יגרום לשינוי במקדם השבירה שלו כך שיהיה נמוך יותר מהתווך ובכך תיווצר כליאה של האור כתוצאה מהחזרה פנימית מלאה הנובעת מחוק סנל (Snell's law). בנוסף ניתן להוסיף מראה המחזירה 100% מהאור בקצה הדיודה ממנו לא נרצה שיצא אור כדי להגביר את אפקט השרשרת. ההגברה המתקבלת בלייזר הדיודה מאד גבוהה ולכן מספיק תווך פעיל קצר מאד לקבלת לזירה.





רכיב לייזר דיודה ארוז מוצב ליד מטבע חמישה סנט להמחשת גודלו

יתרונות לייזר דיודה

  • קטן מאד - ממדיו קטנים ממילימטר.
  • מחיר זול - מותאם לייצור המוני.
  • יעילות גבוה - אחוז הפסדים נמוך.
  • חסכוני - צריכת חשמל נמוכה לצורך לזירה.
  • ניתן לבקרה ושליטה - ישנה אפשרות לשלוט בעוצמת הקרינה הנפלטת התלויה לינארית בזרם המסופק החל מזרם הסף.
  • אורך חיים גבוה.

שימושים בלייזר דיודה

בתקשורת

בתעשייה

  • ציפוי מתכות בשכבת מגן.
  • עירור לייזרים מסוגים שונים.
  • ריתוך תפר.
  • עיבוד מתכות.
  • מדידת מרחקים.
  • הולוגרפיה.

בשימוש ביתי ומשרדי

  • קריאת וצריבת דיסקים במחשב ובDVD.
  • סריקת מסמכים ולהדפסה בלייזר.
  • מצביעי לייזר.
  • קוראי ברקוד.

ברפואה

  • ריתוך רקמות
  • צריבת כלי דם
  • ניתור מדדים רפואיים - למשל ריכוז פחמן דו-חמצני בנשיפה, רווית חמצן בדם ועוד

ראו גם

לקריאה נוספת

  • B. Van Zeghbroeck's Principles of Semiconductor Devices( for direct and indirect band gaps)
  • Saleh, Bahaa E. A. and Teich, Malvin Carl (1991). Fundamentals of Photonics. New York: John Wiley & Sons. מסת"ב 0-471-83965-5. ( For Stimulated Emission )
  • Koyama et al., Fumio (1988), "Room temperature cw operation of GaAs vertical cavity surface emitting laser", Trans. IEICE, E71(11): 1089–1090( for VCSELS)
  • Iga, Kenichi (2000), "Surface-emitting laser—Its birth and generation of new optoelectronics field", IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics 6(6): 1201–1215(for VECSELS)
  • Duarte, F. J. (2016), "Broadly tunable dispersive external-cavity semiconductor lasers", in Tunable Laser Applications. New York: CRC Press. מסת"ב 9781482261066. pp. 203–241 (For external cavity diode lasers).

קישורים חיצוניים

ויקישיתוף מדיה וקבצים בנושא לייזר דיודה בוויקישיתוף
אוחזר מתוך "https://www.hamichlol.org.il/w/index.php?title=לייזר_דיודה&oldid=737673"