recent
أخبار ساخنة

شرح Laser Diode

admin
الصفحة الرئيسية
تُعرف ثنائيات الليزر أيضاً باسم ليزر أشباه الموصلات أو ليزر الوصلات أو ليزر ثنائي الوصلة أو ليزر الحقن وتتميز بأنها رخيصة جداً وصغيرة جداً.
من بين جميع الأجهزة التي تنتج ضوء الليزر تعد ثنائيات الليزر أو ليزر أشباه الموصلات هي الأكثر كفاءة وتأتي في عبوات أصغر؛ لذلك فهي تستخدم على نطاق واسع في العديد من الأجهزة مثل طابعات الليزر وقارئات الباركود وأنظمة الأمان والمركبات المستقلة (LIDAR) واتصالات الألياف البصرية وما إلى ذلك.
شرح Laser Diode
Laser Diode

ما هو الصمام الثنائي الليزري Laser Diode


هو جهاز إلكتروني ضوئي يحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية لإنتاج ضوء متماسك عالي الكثافة، يعمل تقاطع pn كوسط ليزر أو وسيط نشط.
يشبه عمل الصمام الثنائي لليزر تقريباً الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED) ولكن يتمثل الاختلاف الرئيسي بين الصمام الثنائي والليزر في أن LED يصدر ضوءًا غير متماسك بينما يصدر الصمام الثنائي الليزري ضوءًا متماسكاً تكون فيه جميع الموجات في نفس التردد والمرحلة ويتم إنتاج هذا الضوء المتماسك بواسطة الصمام الثنائي لليزر باستخدام عملية تسمى (تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع) والتي يتم اختصارها باسم LASER،ونظراً لاستخدام تقاطع pn لإنتاج ضوء الليزر فقد تم تسمية هذا الجهاز باسم الصمام الثنائي لليزري.

بناء الصمام الثنائي الليزري Laser Diode


يتكون الصمام الثنائي لليزر من طبقتين مخدرتين من زرنيخيد الغاليوم، ستنتج إحدى طبقات زرنيخيد الغاليوم المخدر أشباه موصلات من النوع n بينما تنتج طبقة أخرى من زرنيخيد الغاليوم المخدر أشباه موصلات من النوع p، في ثنائيات الليزر يتم استخدام السيلينيوم والألمنيوم والسيليكون كعوامل منشطات.

كيفية اختلاف ضوء الليزر عن الأنواع الأخرى من الضوء ومميزاته؟


يحتوي الضوء من ضوء الشمس أو من معظم مصادر الضوء الاصطناعي على موجات ذات أطوال موجية متعددة وهي خارجة عن الطور مع بعضها البعض كما أن موجات الضوء من مصادر الضوء أحادية اللون مثل المصباح المتوهج ليست في طور مع بعضها البعض، على عكس مصادر الضوء السابقة تنتج ثنائيات الليزر شعاعاً ضيقاً من ضوء الليزر يكون فيه كل موجات الضوء لها أطوال موجية متشابهة وتنتقل مع قممها مصطفة وهذا هو السبب في أن أشعة الليزر شديدة السطوع ويمكن تركيزها على بقعة صغيرة جداً.

ما هي خطوات إنتاج شعاع ضوئي متماسك في ثنائيات الليزر؟


الخطوات الرئيسية المطلوبة لإنتاج شعاع ضوئي متماسك في ثنائيات الليزر هي: امتصاص الطاقة أو الضوء ، والانبعاث التلقائي ، والانبعاث المُحفَز أو المُستحَث.

امتصاص الطاقة Energy Absorption


امتصاص الطاقة هو عملية امتصاص الطاقة من مصادر الطاقة الخارجية.
في ثنائيات الليزر تُستخدم الطاقة الكهربائية أو جهد التيار المستمر كمصدر خارجي للطاقة عندما يزود جهد التيار المستمر أو الطاقة الكهربائية طاقة كافية لإلكترونات التكافؤ أو إلكترونات نطاق التكافؤ فإنها تكسر الترابط مع الذرة الأم وتقفز إلى مستوى الطاقة الأعلى (نطاق التوصيل) وتُعرف الإلكترونات الموجودة في نطاق التوصيل بالإلكترونات الحرة، عندما يترك إلكترون التكافؤ غلاف التكافؤ يتم إنشاء مساحة فارغة عند النقطة التي غادر منها الإلكترون وهذه المساحة الفارغة في غلاف التكافؤ تسمى حفرة وبالتالي يتم إنشاء كل من الإلكترونات والثقوب الحرة كزوج بسبب امتصاص الطاقة من مصدر التيار المستمر الخارجي.

الانبعاث التلقائي Spontaneous Emission


الانبعاث التلقائي هو عملية انبعاث الضوء أو الفوتونات بشكل طبيعي بينما تنخفض الإلكترونات إلى حالة الطاقة المنخفضة.
في ثنائيات الليزر تكون إلكترونات نطاق التكافؤ أو إلكترونات التكافؤ في حالة طاقة أقل؛ لذلك فإن الثقوب الناتجة بعد ترك إلكترونات التكافؤ تكون أيضاً في حالة طاقة أقل.
من ناحية أخرى تكون إلكترونات نطاق التوصيل أو الإلكترونات الحرة في حالة طاقة أعلى وتمتلك الإلكترونات الحرة طاقة أكثر من الثقوب.
تحتاج الإلكترونات الحرة في نطاق التوصيل إلى فقد طاقتها الزائدة من أجل إعادة الاتحاد مع الثقوب الموجودة في نطاق التكافؤ.
لن تبقى الإلكترونات الحرة في نطاق التوصيل لفترة طويلة لذلك بعد فترة قصيرة تتحد الإلكترونات الحرة مع ثقوب الطاقة المنخفضة عن طريق إطلاق طاقة على شكل فوتونات.

الانبعاث المُستحَث Stimulated Emission


الانبعاث المستحث هو العملية التي يتم من خلالها تحفيز الإلكترونات المثارة أو الإلكترونات الحرة على السقوط في حالة الطاقة المنخفضة عن طريق إطلاق الطاقة في شكل ضوء.
في الانبعاث المستحث لا تحتاج الإلكترونات المثارة أو الإلكترونات الحرة إلى الانتظار حتى اكتمال عمرها حيث أنه قبل انتهاء عمرها الافتراضي ستجبر الحوادث أو الفوتونات الخارجية الإلكترونات الحرة على إعادة الاتحاد مع الثقوب، سيولد كل فوتون واقعي فوتونين، وستنتقل جميع الفوتونات الناتجة عن الانبعاث المستحث في نفس الاتجاه نتيجة لذلك يتم إنتاج شعاع ضيق من ضوء الليزر عالي الكثافة.

طريقة عمل الصمام الثنائي الليزري Laser Diode


عندما يتم تطبيق جهد التيار المستمر عبر الصمام الثنائي لليزر تتحرك الإلكترونات الحرة عبر منطقة الوصل من مادة النوع n إلى المادة من النوع p، في هذه العملية ستتفاعل بعض الإلكترونات بشكل مباشر مع إلكترونات التكافؤ وتثيرها إلى مستوى طاقة أعلى بينما بعض الإلكترونات الأخرى سوف تتحد مع الثقوب الموجودة في أشباه الموصلات من النوع p وتطلق الطاقة في شكل ضوء تسمى عملية الانبعاث هذه بالانبعاث التلقائي.
سوف تنتقل الفوتونات الناتجة عن الانبعاث التلقائي عبر منطقة الوصل وتحفز الإلكترونات المثارة (الإلكترونات الحرة) نتيجة لذلك يتم إطلاق المزيد من الفوتونات وتسمى عملية انبعاث الضوء أو الفوتونات بالانبعاث المُحفَز ويتحرك الضوء الناتج عن الانبعاث المُحفَز بالتوازي مع التقاطع.
إن طرفي هيكل الصمام الثنائي للليزر عاكسان بصريان نهاية واحدة عاكسة بالكامل بينما نهاية أخرى عاكسة جزئياً، ستعكس النهاية العاكسة بالكامل الضوء تماماً بينما ستعكس النهاية العاكسة جزئياً للضوء ولكنها تسمح بكمية صغيرة من الضوء.
سوف يرتد الضوء المتولد في تقاطع pn ذهاباً وإياباً (مئات المرات) بين السطحين العاكسين نتيجة لذلك يتم تحقيق مكاسب بصرية هائلة.
يتم هروب الضوء الناتج عن الانبعاث المُحفَز من خلال الطرف العاكس جزئياً من الصمام الثنائي لليزر لإنتاج شعاع ضوء الليزر الضيق.
ستنتقل جميع الفوتونات الناتجة عن الانبعاث المُستحَث في نفس الاتجاه لذلك سوف ينتقل هذا الضوء إلى مسافات طويلة دون أن ينتشر في الفضاء.

خصائص الصمام الثنائي الليزري Laser Diode

شرح Laser Diode
خصائص الصمام الثنائي الليزري Laser Diode

مع زيادة تدفق التيار إلى الصمام الثنائي لليزر تزداد الطاقة الضوئية للضوء الناتج تدريجياً حتى نقطة معينة يكون معظم الضوء المنبعث ناتجاً عن انبعاث تلقائي فوق هذه النقطة تزداد عملية الانبعاث المُحفَز ويؤدي هذا إلى زيادة طاقة ضوء الخرج حتى في حالة الزيادات الأصغر في تيار الإدخال تعتمد الطاقة الضوئية الناتجة أيضاً على درجة الحرارة وتقل مع انخفاض درجة الحرارة.

أنواع الصمام الثنائي الليزري Laser Diode


توجد العديد من أنواع الصمام الثنائي الليزري منها ما يلي:

ثنائي الليزر ذو البنية غير المتجانسة المزدوجة Double Heterostructure Laser Diode


في هذا النوع من ثنائيات الليزر يتم وضع طبقة حبس إضافية من مادة مختلفة بين مادتين من النوع p و n، يسمى كل من الوصلات بين المواد المختلفة بنية غير متجانسة نظراً لوجود هيكلين غير متجانسين يُطلق على هذا النوع من الصمام الثنائي الليزري اسم دايود ليزر مزدوج البنية غير المتجانسة (DH)، تتمثل ميزة هذا الصمام الثنائي ليزر DH في أن المنطقة النشطة محصورة في طبقة رقيقة توفر تضخيماً أفضل.

ثنائي الليزر البئر الكمي Quantum Well Laser Diode


في هذا النوع يحتوي الصمام الثنائي لليزر البئر الكمي على طبقة وسطى رفيعة جداً والتي تعمل كبئر كمي ستكون الإلكترونات قادرة على استخدام مستويات الطاقة الكمومية عند الانتقال من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل هذا يعطي كفاءة أفضل لهذا النوع من الصمام الثنائي لليزر.

ثنائي الليزر ذو بنية غير متجانسة منفصل Separate Confinement Heterostructure Laser Diode


إن الطبقة الوسطى الرقيقة في الصمام الثنائي لليزر البئر الكمي صغيرة جداً لحصر الضوء المنبعث بشكل فعال لتعويض ذلك في الصمام الثنائي الليزري ذو البنية غير المتجانسة المنفصل تتم إضافة طبقتين أخريين على الطبقات الثلاث الأولية هذه الطبقات لها معامل انكسار منخفض وتساعد في حصر الضوء المنبعث بشكل فعال.

الصمام الثنائي الليزري الباعث للسطح ذو التجويف العامودي (VCSEL) Vertical Cavity Surface Emitting Laser Diode 


على الرغم من أن جميع ثنائيات الليزر التي تمت مناقشتها سابقاً يتم وضع التجويف البصري بشكل عمودي على تدفق التيار ومع ذلك في ثنائيات الليزر الباعثة لسطح التجويف العمودي يكون التجويف البصري على طول محور تدفق التيار. توضع المرايا العاكسة جزئياً بالقرب من نهايات التجويف البصري.

أنواع أخرى


Quantum Cascade Laser Diode
Interband Cascade Laser Diode
Distributed Bragg Reflector Laser Diode
Distributed Feedback Laser Diode
External Cavity Diode Laser
Vertical External Cavity Surface Emitting Laser Diode (VCSEL)

مزايا وعيوب الصمام الثنائي الليزري Laser Diode


إن الصمام الثنائي الليزري Laser Diode له العديد من المزايا ولكنه لا يخلي من العيوب.

مزايا ثنائيات الليزر


  • بناء بسيط
  • وزن خفيف
  • رخيص جدا
  • حجم صغير
  • موثوق للغاية مقارنة بأنواع الليزر الأخرى.
  • عمر تشغيلي أطول
  • كفاءة عالية
  • المرايا غير مطلوبة في ليزر أشباه الموصلات.
  • استهلاك منخفض للطاقة

عيوب ثنائيات الليزر


  • غير مناسب للتطبيقات التي تتطلب قوى عالية.
  • تعتمد ليزر أشباه الموصلات بشكل كبير على درجة الحرارة.

تطبيقات الصمام الثنائي الليزري Laser Diode


  1. يستخدم في الإلكترونيات الاستهلاكية :مثل مشغلات الأقراص المضغوطة / أقراص DVD ، وطابعات الليزر ، واتصالات الألياف البصرية ، وقارئات الباركود ....إلخ.
  2. يستخدم في الآلات الطبية : مثل الآلات المستخدمة لإزالة الأنسجة غير المرغوب فيها ، والقضاء على الخلايا السرطانية ، والعمليات الجراحية غير الغازية وما إلى ذلك.
  3. يستخدم في المركبات المستقلة : مثل صنع أنظمة LIDAR للقيادة الذاتية.
  4. يستخدم في الأجهزة العلمية : مثل الأجهزة المستخدمة للقياسات غير التلامسية وقياس الطيف وأجهزة تحديد المدى وما إلى ذلك.
  5. يستخدم في التطبيقات الصناعية : يستخدم كمصدر لشعاع الليزر عالي الكثافة لقطع المواد بدقة، كما أنه يستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد لتنعيم الركيزة.
المصادر
google-playkhamsatmostaqltradent