什么是激光二极管？它的工作，构造，不同的类型和用途

什么是激光二极管？

激光二极管是类似于发光二极管（LED）的半导体装置。它使用p-n连接来散发一致的光，使所有波都处于相同的频率和相位。这种连贯的光是通过激光二极管使用称为“通过刺激的辐射发射来放大的”过程来产生的，该过程被缩写为激光。并且由于使用P-N连接来产生激光灯，因此该设备被称为激光二极管。在我们了解有关激光二极管的工作过程的更多信息之前，让我们看一下激光光与其他类型的光及其优势有何不同。

来自阳光或大多数人造光源的光包含多个波长的波，它们彼此不相同。来自白炽灯泡（像白炽灯泡）的单色光源的光波也不相同。与以前的光源相反，激光二极管产生狭窄的激光光束，所有光波都具有相似的波长，并且它们与峰列在一起。这就是为什么激光束非常明亮的原因，并且可以聚焦在很小的位置上。

在产生激光光的所有设备中，激光二极管或半导体激光器是最有效的，它们的包装较小。因此，它们被广泛用于各种设备，例如激光打印机，条形码读取器，安全系统，自动驾驶汽车（LIDAR），光纤通信等。

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激光二极管如何工作？

激光二极管的工作是在三个主要步骤中进行的：

能量吸收

激光二极管由存在孔和电子的P-N结组成。（在这里，一个孔是指没有电子）。当在P-N结处施加一定的电压时，电子会吸收能量并过渡到更高的能级。孔在激发电子的原始位置形成。电子保持在这种激动的状态，而不会与孔重新组合持续很小的持续时间，称为“重组时间”或“上州寿命”。对于大多数激光二极管，重组时间大约是纳秒。

自发发射

在激发电子的上层寿命之后，它们用孔重组。随着电子从较高的能级降至较低的能级，能量的差异被转换为光子或电磁辐射。同样的过程用于在LED中产生光。发射光子的能量由两个能级之间的差异给出。

刺激的发射

与通过自发发射过程发出的光子相比，我们需要从激光二极管发出的相干光子。部分反射镜在二极管的两侧都使用，以便将自发发射释放的光子捕获在P-N结中，直到它们的浓度达到阈值。这些被困的光子刺激激发的电子甚至在其重组时间之前与孔重组。这导致释放更多与初始光子精确相相位的光子，因此输出会得到扩增。一旦光子浓度超过阈值，它们就会从部分反射的镜子中逃脱，从而产生明亮的单色相干光。

激光二极管的构造

一个简单的半导体激光二极管按以下部分组成：

• 金属接触
• P型材料
• 主动/内在区域（N型材料）
• N型材料
• 金属接触

输入端子连接到夹在N型和P型层上的金属板。这种类型的激光二极管也称为“同型激光二极管”。P型和N型材料之间的固有区域用于增加活性区域的体积，因此可以在连接处积聚更多的孔和电子。这使更多的电子在任何时间的瞬间都可以用孔重组，从而产生更好的输出功率。激光从椭圆区排放。可以使用光学镜头进一步将激光二极管的光束进一步聚焦。整个PIN二极管（P型，固有的，N型）的排列通常封闭在金属壳体中。

激光二极管的类型

双重异质结构激光二极管

在这种类型的激光二极管中，两种P型和N型材料夹在不同材料的附加限制层中。不同材料之间的每个连接称为异质结构。由于存在两个异质结构，这种类型的激光二极管被称为双重异质结构（DH）激光二极管。该DH激光二极管的优点是，活动区域仅限于薄层，该层可提供更好的光学放大。

量子井激光二极管

量子井激光二极管具有非常薄的中层，可作为量子井。从较高能级过渡到较低的能级时，电子将能够使用量子能级。这为这种类型的激光二极管提供了更好的效率。

单独的限制异质结构激光二极管

量子井激光二极管中的薄中间层非常小，可有效限制发射光。为了补偿这一点，在单独的限制异质结构激光二极管中，在三层初始层上添加了另外两层。这些层具有较低的折射率，并有助于有效地限制发射光。

垂直腔表面发射激光二极管（VCSEL）

所有先前讨论的激光二极管，光腔均垂直于电流流动。但是，在发射激光二极管的垂直空腔表面中，光腔沿着电流流的轴。部分反射镜位于光腔的末端附近。

其他类型

• 量子级联激光二极管
• 频带级联激光二极管
• 分布式Bragg反射剂激光二极管
• 分布式反馈激光二极管
• 外部空腔二极管激光器
• 垂直外部空腔表面发射激光二极管（VCSEL）

激光二极管P-I特性

下图是Y轴上的输出光功率与X轴上激光二极管的电流输入之间的图形图。

随着我们增加到激光二极管的电流流量，输出光的光功率逐渐增加到一定阈值。到这一点，发出的大部分光都是自发发射。高于此阈值电流，刺激的发射过程增加。这会导致输出光的力量增加了很多，即使输入电流的增加也会增加。输出光功率还取决于温度，并且随温度降低而降低。

如何制作激光二极管驱动器电路？

激光二极管需要通过测量输出功率，温度，电压和输入电流来涉及反馈回路的复杂驱动电路。但是，为了控制不需要高精度的应用中使用的激光二极管，可以使用LM317电压调节器IC构建简单的激光二极管驱动器电路。以下是图。

LM317配置为功能作为常量的电流源。输出电流取决于LM317的VOUT和VADJ之间的电阻值（PIN2＆PIN1）。因此，调整100R电位器将更改流入激光二极管的输出电流。当100R电位器的值为零时，使用10R电阻来防止大电流流动。47UF电容器用于吸收任何电池电压尖峰。

激光二极管的应用

激光二极管模块均在电子设备的所有主要区域范围内使用

• 消费类电子产品：CD/DVD播放器，激光打印机，光纤通信，条形码读取器等
• 医疗机器：激光二极管用于去除不良组织，消除癌细胞，无创和白内障手术等的机器。
• 自动驾驶汽车：激光二极管技术用于使激光雷达系统用于自动驾驶
• 科学仪器：激光器用于用于远程非接触式测量，光谱法，范围发现器等的设备中。
• 工业应用：激光二极管用作高强度激光束的来源，以精确切割材料。它们还用于3D打印来软化基板。