Diode laser là gì? Cấu tạo của laser diode? Cách sử dụng điốt laze

Diode Laser là gì? Nó hoạt động ra sao, cấu tạo và các thiết kế mạch sử dụng điốt laze như thế nào? Laser Diode có các loại nào và cách sử dụng ra sao? Bài viết này chúng tôi sẽ hướng dẫn các bạn một cách chi tiết nhất. Mời đón xem.

Diode Laser là gì?

Diode Laser là thiết bị bán dẫn tương tự như đi-ốt ánh sáng (LED). Đi-ốt sử dụng mối nối PN để phát ra ánh sáng kết hợp tất cả các sóng có cùng tần số và pha. Điốt laser có bước sóng khác nhau, dao động từ 405nm đến 808nm, thường được dùng ở bước sóng 450nm (laser xanh). Ánh sáng kết hợp được tạo ra bởi diode laser sẽ đi qua một quá trình khuếch đại ánh sáng hay còn gọi là kích thích bức xạ, được viết tắt là LASER. Vì mối nối PN được sử dụng để sản xuất ánh sáng lase nên nó có tên là laser diode. Trước khi chúng ta tìm hiểu thêm về nguyên lý hoạt động của diode laser, chúng ta cùng xem ánh sáng laze khác ánh sáng thường như thế nào và lợi thế của nó nhé.

Mời xem thêm diode là gì?

Sự khác nhau giữa ánh sáng laser và ánh sáng thường.

Ánh sáng mặt trời hoặc từ hầu hết các nguồn sáng nhân tạo chứa có nhiều bước sóng khác nhau và lệch pha với nhau. Các sóng ánh sáng từ các nguồn sáng đơn sắc như bóng đèn sợi đốt cũng không cùng pha với nhau. Ngược lại, điốt laser tạo ra một chùm ánh sáng laser hẹp gồm ánh sáng có bước sóng tương tự nhau. Chúng cùng pha với nhau và truyền thành một hàng thẳng. Đây là lý do tại sao các chùm tia laser rất sáng và tập trung thành một điểm nhỏ.

Trong số tất cả các thiết bị sản xuất ánh sáng laser, điốt laser hoặc laser bán dẫn là hiệu quả nhất và chúng có kích thước nhỏ nhất. Vì vậy, chúng được sử dụng rộng rãi trong các thiết bị khác nhau như máy in laser, đầu đọc mã vạch, hệ thống an ninh, xe tự hành (LIDAR), thông tin liên lạc sợi quang, v.v. 

Nguyên lý hoạt động của laser didoe như thế nào?

Diode laser hoạt động theo 3 bước chính sau:

Hấp thụ năng lượng

Các diode laser bao gồm một điểm nối PN là nơi có các lỗ trống và chứa electron. (Lỗ trống là lỗ thiếu hụt điện tử). Khi một điện áp nhất định đi vào mối nối PN, các electron sẽ hấp thụ năng lượng và chúng chuyển sang mức năng lượng cao hơn. Các lỗ trống được hình thành tại vị trí ban đầu của electron bị kích thích. Các electron ở trong trạng thái năng lượng cao khi lắp vào các lỗ trống sẽ cần một thời gian rất nhỏ. Thời gian này gọi là thời gian tái tổ hợp hoặc thời gian sống ở trạng thái năng lượng cao. Thời gian tái hợp là khoảng một nano giây đối với hầu hết các điốt laser.

Tự phát xạ

Sau thời gian được kích thích ở trạng thái năng lượng cao, electron lấp vào các lỗ trống. Lúc này các electron chuyển từ mức năng lượng cao xuống mức năng lượng thấp hơn. Năng lượng chênh lệch sẽ tạo thành các bức xạ điện tử hoặc chuyển thành photon (ánh sáng). Đây là nguyên lý để tạo ra ánh sáng trong đèn LED. Năng lượng photon phát ra được tạo ra bởi sự chênh lệch giữa 2 mức năng lượng.

Khuếch đại phát xạ

Để có ánh sáng mạnh chúng ta cần nhiều photon hơn. Vì các photon phát ra từ quá trình tự phát xạ rất ít. Vì thế một gương phản chiếu một phần được lắp đặt hai bên của diode. Các photon sẽ bị gương phản xạ lại nơi màng PN tới khi nó chuyển về mức năng lượng cao. Các photon phản xạ này kích thích các electron đang ở mức năng lượng cao khác. Từ đó nó giải phóng càng nhiều photon cùng pha với các photon ban đầu, và đầu ra được khuếch đại lên. Một khi cường độ photon vượt quá ngưỡng, chúng thoát ra khỏi các gương phản xạ một phần, chúng tạo ra ánh sáng đơn sắc sáng.

Cấu tạo của laser diode

Một diode laser bán dẫn đơn giản được tạo thành từ các phần sau theo thứ tự:

• Kim loại tiếp xúc
• Vật liệu loại P
• Vùng phóng xạ bên trong (Vật liệu loại N)
• Chất liệu loại N
• Kim loại tiếp xúc

Để dễ hình dung ra cấu tạo laser diode bạn xem hình sau:

Các đầu vào nối với một tấm kim loại được kẹp vào các lớp loại n và loại p. Loại diode laser này còn được gọi là Diode Laser đồng tính. Vùng phóng xạ hoạt động là vùng giữa vật liệu loại p và loại n được làm thể tích lớn hơn, do đó số lượng lỗ trống và các electron sẽ ở được giữ lại ở đây nhiều hơn. Điều này cho phép số lượng điện tử sẽ lắp đầy các lỗ trống nhiều hơn. Từ đó tạo ra công suất đầu ra tốt hơn. Ánh sáng laser được phát ra từ vùng hình elip. Người ta có thể sử dụng ống kính quang học để tập trung chùm tia laze này hơn nữa. Cấu tạo này còn gọi là cấu tạo diode P-I-N (loại P, Intrinsic, N-Type) và thường được đặt trong một vỏ kim loại.

Các loại điốt laze

Laser Diode cấu trúc kép DH

Trong loại điốt laser này, lớp giữ electron được bổ sung thêm một lớp vật liệu khác kẹp giữa hai loại P và N. Mỗi điểm nối giữa các vật liệu khác nhau được gọi là cấu trúc dị thể. Do có sự hiện diện của hai cấu trúc dị thể, loại diode laser này được đặt tên là một diode laser dị cấu trúc kép (DH). Ưu điểm của diode laser DH này là vùng hoạt động mỏng nên giúp khuếch đại quang học tốt hơn.

Diode Laser lượng tử

Các diode laser lượng tử có một lớp giữa rất mỏng, hoạt động như một lò lượng tử. Các electron sẽ có thể sử dụng các mức năng lượng lượng tử khi chuyển từ mức năng lượng cao hơn sang mức năng lượng thấp hơn. Điều này mang lại hiệu quả tốt hơn cho loại diode laser này.

Laser Diode cấu trúc giam cầm riêng biệt

Diode laser lượng tử có lớp giữa rất mỏng và nhỏ, từ đó hạn chế hiệu quả ánh sáng phát ra. Để bù lại điều này, trong diode laser cấu trúc giam cầm riêng biệt, người ta thêm hai lớp vào trong ba lớp ban đầu. Các lớp này có chỉ số khúc xạ thấp hơn và giúp hạn chế ánh sáng phát ra một cách hiệu quả.

Diode Laser phát xạ bề mặt khoang dọc (VCSEL)

Tất cả các điốt laser đã thảo luận trước đó, khoang quang học được đặt vuông góc với chiều của dòng điện. Tuy nhiên, trong điốt laser phát xạ theo bề dọc, khoang quang học nằm dọc theo trục của chiều dòng điện. Các gương phản chiếu một phần được đặt gần cuối của khoang quang.

Các loại điốt laze khác

• Diode Laser lượng tử chồng tầng
• Diode Laser tầng liên kết
• Diode Laser phản xạ phân tán
• Diode Laser phản xạ ngược
• Laser Diode lỗ trống ngoài
• Diode Laser bề mặt khoang dọc ngoài (VCSEL)

Đặc điểm của Diode PI

Sơ đồ dưới đây là sơ đồ đồ họa giữa công suất quang đầu ra trên trục y và đầu vào dòng điện cho diode laser trên trục x.

Khi chúng ta tăng điện áp đầu vào diode laser, công suất ánh sáng đầu ra tăng dần đến một ngưỡng nhất định. Cho đến khi hầu hết ánh sáng đều là ánh sáng tự phát xạ. Tại mức dòng điện này, quá trình khuếch đại phát xạ tăng lên. Khiến cho công suất ánh sáng đầu ra tăng lên nhiều lần điện áp tăng thêm nhỏ hơn điện áp đầu vào. Công suất quang đầu ra cũng phụ thuộc vào nhiệt độ và nó giảm khi giảm nhiệt độ.

Cách tạo mạch điều khiển Laser Diode?

Điốt laser yêu cầu các mạch điều hướng phức tạp liên quan đến các vòng phản hồi bằng cách đo công suất quang, nhiệt độ, điện áp và dòng điện đầu vào. Nhưng để điều khiển một diode laser được sử dụng trong các ứng dụng không yêu cầu độ chính xác cao, ta có thể thiết kế được mạch điều khiển diode laser đơn giản bằng cách sử dụng IC điều chỉnh điện áp LM317. Dưới đây là sơ đồ.