AizvērtIzvēlne
Sākums
Atjaunots 2023. gada 20. janvārī
Andris Antuzevičs

lāzerdiode

(angļu laser diode, vācu Laserdiode, franču diode laser, krievu лазерный диод), arī pusvadītāju lāzers
cietvielu elektronikas ierīce, kas caur to plūstošas strāvas iedarbībā emitē lāzera starojumu

Saistītie šķirkļi

  • fizika
  • lādiņa saites matrica
  • pusvadītāju fizika
  • diode
  • gaismas diode
  • saules šūna
  • cietvielu atmiņas ierīces
Lāzerdiode.

Lāzerdiode.

Autors: Peter Sobolev. Avots: Shutterstock.com.

Satura rādītājs

  • 1.
    Kopsavilkums
  • 2.
    Iedalījums, struktūra
  • 3.
    Izgudrošanas un attīstības vēsture
  • 4.
    Raksturojums, sastāvdaļas, materiāli, darbības principi
  • 5.
    Pielietojums zinātnē, pētniecībā
  • 6.
    Pielietojums tautsaimniecībā, ražošanā
  • 7.
    Nozīmīgākie ražotāji
  • 8.
    Mūsdienu atklājumi, problemātika
  • Multivide 1
  • Saistītie šķirkļi
  • Ieteicamā literatūra
  • Kopīgot
  • Izveidot atsauci
  • Drukāt

Satura rādītājs

  • 1.
    Kopsavilkums
  • 2.
    Iedalījums, struktūra
  • 3.
    Izgudrošanas un attīstības vēsture
  • 4.
    Raksturojums, sastāvdaļas, materiāli, darbības principi
  • 5.
    Pielietojums zinātnē, pētniecībā
  • 6.
    Pielietojums tautsaimniecībā, ražošanā
  • 7.
    Nozīmīgākie ražotāji
  • 8.
    Mūsdienu atklājumi, problemātika

Lai arī parastās gaismas diodes pilda līdzīgu funkciju, elektromagnētiskais starojums, ko iegūst no lāzerdiodes, ir monohromatisks, koherents un kolimēts. Lāzediodes darbības principus skaidro pusvadītāju fizika. Lāzera starojuma iegūšanu un īpašības apskata lāzerfizika.

Iedalījums, struktūra

Līdzīgi kā gaismas diodēm, viens no galvenajiem parametriem, pēc kura iedala lāzerdiodes, ir emitētā starojuma viļņa garums (krāsa). Atkarībā no izvēlētā materiāla lāzera starojums var tikt ģenerēts infrasarkanajā, redzamajā vai ultravioletajā elektromagnētiskā spektra diapazonā. No optikas viedokļa, tikpat svarīgi ir lāzera starojuma kvalitāti raksturojošie parametri – spektrālais sastāvs un stara profils. Izvēloties lāzerdiodes, uzmanība jāpievērš arī to darbības parametriem – sliekšņa strāvai, kvantu efektivitātei, temperatūras stabilitātei un citiem.

Pēc konstrukcijas un darbības principa tiek izšķirti dažādi lāzerdiožu veidi, piemēram, dubultās heterostruktūras, kvantu akas un kvantu kaskādes lāzeri.

Izgudrošanas un attīstības vēsture

Lai gan patentu par pirmo pusvadītāju lāzeru 1957. gadā iesniedza japāņu inženieris Juniči Nišizava (西澤 潤一), pirmā koherentās gaismas emisija no pusvadītāja ierīces (gallija arsenīda) tika demonstrēta 1962. gadā. Lāzerdiodi, kas tika balstīta Viljama Damkes (William Dumke) teorētiskajos spriedumos, izdevās neatkarīgi izveidot divās Amerikas Savienoto Valstu (ASV) pētnieku grupās – vienu kompānijas General Electric pētniecības centrā vadīja Roberts Hols (Robert Noel Hall), otru IBM grupā – Māršals Neitens (Marshall Nathan). Ierīce spēja elektrisko enerģiju pārvērst infrasarkanā lāzera starojumā, taču tās darbība bija iespējama tikai impulsu režīmā kriogēnā temperatūrā.

Lāzerdiodei, kura spētu darboties nepārtrauktā režīmā istabas temperatūrā, bija nepieciešama jauna diodes konstrukcija. 1963. gadā Herberts Krēmers (Herbert Krömer) ierosināja heterostruktūru – dažādu pusvadītāju materiālu slāņu – izmantošanu diožu lāzeros. 1970. gadā Žoress Alfjorovs (Жорeс Ивaнович Алфёров) demonstrēja pirmo nepārtrauktās darbības lāzerdiodi – tās pamatā bija dubultās heterostruktūras konstrukcija. Par ieguldījumu pusvadītāju heterostruktūru attīstībā 2000. gadā H. Krēmeram un Ž. Alfjorovam tika piešķirta Nobela prēmija fizikā.

Zinātniskajiem atklājumiem sekoja strauja ražošanas tehnoloģiju attīstība, kā rezultātā lāzerdiodes kļuva pieejamākas un lētākas. Tas ļāva lāzerdiodes izmantot ikdienas elektroierīcēs, sakaru industrijā, medicīnā un citās nozarēs.

Raksturojums, sastāvdaļas, materiāli, darbības principi

Lāzerdiodes ir p-n pārejas diožu apakšklase. Līdzīgi kā gaismas diodēs, starojums rodas lādiņnesēju (elektronu un caurumu) rekombinācijas procesā. Pretstatā parastajai gaismas diodei, kur starojums rodas spontānās emisijas rezultātā, lāzerdiodes darbības pamatā ir stimulētās emisijas process.

Fotonu stimulētā emisija ir visu lāzeru darbības pamatā. Lai to panāktu, lādiņnesējiem materiālā ir jānodrošina apdzīvotības inversija, tas ir, apstākļi, kuros ierosinātais enerģijas līmenis ir vairāk apdzīvots nekā pamatlīmenis. Ja elektrons no ierosinātā stāvokļa atgriežas pamatstāvoklī, tiek izstarots gaismas kvants – fotons. Stimulētās emisijas gadījumā izstarotais fotons stimulē citu elektronu relaksāciju uz pamatlīmeni, radot jaunu fotonu, kas ir vienā frekvencē, fāzē, polarizācijā un virzienā ar sākotnējo. Aplūkojot visu fotonu kolektīvo uzvedību makroskopiskā mērogā, tiek iegūta lāzera starojumam raksturīgā koherence laikā un telpā.

Lāzerdiodēs tiek izvēlēti un, ievadot piejaukuma elementus lielās koncentrācijās, modificēti pusvadītāju materiāli, kuros ar elektriskā lauka palīdzību p-n pārejas zonā lādiņnesējiem iespējams panākt apdzīvotības inversiju. Mūsdienu lāzerdiodēs veido heterostruktūras – atšķirīgu ķīmisko sastāvu pusvadītāju slāņveida konstrukcijas –, kas ļauj ļoti precīzi kontrolēt lādiņnesēju atļautos stāvokļus un kustību materiālā.

Bez aktīvās pusvadītāja materiāla vides, kurā tiek ģenerēts lāzera starojums, lāzerdiodes konstrukcijā jāiekļauj rezonators starojuma pastiprināšanai, optiskā sistēma stara kolimēšanai un specializētos pielietojumos – optiskā šķiedra starojuma virzīšanai.

Pielietojums zinātnē, pētniecībā

Daudzu zinātnes nozaru, piemēram, spektroskopijas, eksperimentos lāzerdiodes tiek izmantotas kā koherenta un lielas jaudas starojuma avoti. Lāzerdiodes var izmantot arī jaudīgāku cietvielu lāzeru optiskai pumpēšanai. Lāzerdiodes tiek izmantotas arī interferometrijā, bezkontakta attāluma mērīšanā, pozicionēšanā, datu pārraidē un lāzera rādītāja (pointera) funkcijā.

Pielietojums tautsaimniecībā, ražošanā

Lāzerdiodes ir daudzu ikdienā sastopamu ierīču – disku lasītāju, svītru kodu lasītāju, lāzerprinteru, datora peļu – sastāvā. Lāzerdiodes tiek pielietotas arī optiskajā datu pārraidē, kur informācija tiek pārraidīta gaismas impulsu veidā pa optisko šķiedru kabeļiem, medicīnā (diagnostikā, zobārstniecībā un ķirurģijā). Rūpniecībā noderīga funkcija ir lielās starojuma jaudas koncentrācija mazā apgabalā, kas lāzerdiodes padara par piemērotu rīku augstas precizitātes griešanas, urbšanas un metināšanas darbos. Lāzerdiodes izmanto arī sensoros, litogrāfijā un citur.

Nozīmīgākie ražotāji

Nozīmīgākie lāzerdiožu ražotāji ir Coherent, IGP Photonics, TRUMPF, Han’s Laser, Novanta Group, Rofin-Sinar Technologies, Thorlabs.

Mūsdienu atklājumi, problemātika

Mūsdienās lāzerdiode ir plaši izplatīts, kompakts, izturīgs un relatīvi lēts koherenta starojuma avots. Daudzu inovatīvo optisko tehnoloģiju – žestu atpazīšanas, paplašinātās realitātes (augmented reality) un autonomās braukšanas sistēmu – darbībai ir nepieciešams lāzerdiožu virzītais starojums. Jaunu lāzerdiožu izstrādei tiek veikti starpdisciplināri pētījumi pusvadītāju fizikā, materiālzinātnē, nanotehnoloģijās un elektriskajā inženierijā. Aktuālas problēmas saistītas gan ar to, kā izveidot sistēmas, kas strādātu tālākā ultravioletajā vai infrasarkanajā diapazonā, gan ar to, kā uzlabot starojuma īpašības, tajā pašā laikā saglabājot ierīču efektivitāti, kompaktumu un pieejamību. Meklēti tiek gan jauni materiāli, gan jauni risinājumi lāzerdiodes konstrukcijā.

Multivide

Lāzerdiode.

Lāzerdiode.

Autors: Peter Sobolev. Avots: Shutterstock.com.

Lāzerdiode.

Autors: Peter Sobolev. Avots: Shutterstock.com.

Izmantošanas tiesības
Skatīt oriģinālu

Saistītie šķirkļi

  • fizika
  • lādiņa saites matrica
  • pusvadītāju fizika
  • diode
  • gaismas diode
  • saules šūna
  • cietvielu atmiņas ierīces

Autora ieteiktie papildu resursi

Ieteicamā literatūra

  • Coleman, J. J., ‘The development of the semiconductor laser diode after the first demonstration in 1962’, Semiconductor Science and Technology, vol. 27, no. 9, 2012.
  • Hecht, J., Understanding lasers: an entry-level guide, [Piscataway, NJ], Wiley-IEEE Press, 2018.
  • Łukasiak, L. and A. Jakubowski, ‘History of semiconductors’, Journal of Telecommunications and Information Technology, no. 1, 2010, pp. 3‒9.
    Skatīt bibliotēku kopkatalogā
  • Neamen, D. A., Semiconductor Physics and Devices: Basic Principles, 4th edn., New York, NY, McGraw-Hill, 2012.
  • Numai, T., Laser diodes and their applications to communications and information processing, Hoboken, N.J, Wiley, Chichester, John Wiley & Sons, 2011.
  • Streetman, B. G. and S. K. Banerjee, Solid State Electronic Devices, 7th edn., Boston, Pearson, 2014.
  • Sze, S. M. and K K. Ng, Physics of semiconductor devices, Hoboken, NJ, John Wiley & Sons, 2006.

Andris Antuzevičs "Lāzerdiode". Nacionālā enciklopēdija. (skatīts 21.09.2023)

Kopīgot


Kopīgot sociālajos tīklos


URL

Šobrīd enciklopēdijā ir 4027 šķirkļi,
un darbs turpinās.
  • Par enciklopēdiju
  • Padome
  • Nozaru redakcijas kolēģija
  • Ilustrāciju redakcijas kolēģija
  • Redakcija
  • Sadarbības partneri
  • Atbalstītāji
  • Sazināties ar redakciju

© Latvijas Nacionālā bibliotēka, 2023. © Tilde, izstrāde, 2023. © Orians Anvari, dizains, 2023. Autortiesības, datu aizsardzība un izmantošana