شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آن‌ها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
در مقاله «لیزر چیست؟ -- به زبان ساده» با فیزیک و اصول کارکرد لیزرها آشنا شدیم. همان‌طور که می‌دانید لیزرهای حالت جامد یکی از پرکاربردترین نوع لیزرها در صنعت، تکنولوژی و علوم پزشکی هستند. در این مقاله قصد داریم تا با زبانی ساده به معرفی لیزرهای حالت جامد (نیمه رسانا) دیود لیزر (Semiconductor Diode Lasers) بپردازیم. لازم به ذکر است که عبارت لیزر دیودی نیز در جامعه علمی و بازار تجاری مصطلح است.
اگر دقت کرده باشید، در زندگی روزمره بارها از دیود لیزر ها در نشانگرها و CD/DVD پلیرها استفاده کرده‌اید. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید تا بیشتر با لیزرهای نیمه رسانا دیودی با به اختصار دیود لیزر آشنا شوید.
شکل (۱): نمایی از لنز یک دیود لیزر به کار رفته در CD/DVD خوان‌ها
لیزر نیمه رسانا
همان‌طور که در مقدمه بیان کردیم، شما بارها در طول روز از لیزرهای نیمه رسانا که به دیود لیزر معروف هستند، بدون آگاهی از ماهیت آن‌ها استفاده کرده‌اید. به عنوان مثال بدون دیود لیزر ها قادر به بهره‌گیری از سرویس‌های مخابراتی بر بستر فیبر نوری (نظیر FTTH) نبودید، نمی‌توانستید اطلاعات را روی یک DVD رایت کنید یا چاپ برگه‌ها توسط پرینترهای پر سرعت لیزری امکان‌پذیر نبود.
دیود لیزرهای نیمه رسانا (به اختصار دیود لیزر) همانند سایر لیزرها، فیزیک و مکانیزم مشابهی دارند؛ با این تفاوت که ماده فعال (محیط بهره - Gain Medium) درون آن‌ها حالت جامد (پیوند p-n) است. یکی از مهم‌ترین مزیت‌های این نوع از لیزرها، اندازه کوچک آن‌ها است که باعث کاربردهای فراوانی در تکنولوژی و صنعت شده است. می‌توان گفت دیود لیزر ها از نظر مقیاس، در حد و اندازه LEDها هستند.
همان‌طور که در دو مقاله «ال ای دی (LED) چیست؟ — به زبان ساده» و «دیود پیوند PN — به زبان ساده» مشاهده کردید، LEDها که نوعی دیود محسوب می‌شوند، دارای ساختاری سیلیکونی و دو قسمتی هستند که یک قسمت دارای ناخالصی نوع p برای ایجاد حفره و قسمت دیگر دارای ناخالصی نوع n (برای الکترون‌های اضافی) است.
به بیانی ساده، دیودهای معمولی به عنوان یکسوساز عمل کرده و تنها اجازه عبور جریان الکتریکی از یک سمت را می‌دهند که این عمل به فوروارد بایاس (Forward Biased Operation) موسوم است. با عبور جریان الکتریکی، یعنی الکترون‌ها از سد p−n، الکترون‌ها جذب حفره‌ها شده و انرژی اضافی خود را به صورت فونون به ساختار کریستالی سیلیکون می‌دهند. در فیزیک کوانتوم، فونون یک کوانتوم انرژی است و برای تشریح ذره‌ای نوسانات هماهنگ (حرکت‌های گرمایی و لرزش صوت) اتم‌های یک ساختار کریستالی به کار برده می‌شود. می‌توان گفت که در LEDها نیز مکانیزمی مشابه رخ می‌دهد؛ با این تفاوت که انرژی اضافی نه به صورت فونون، بلکه به صورت کوانتوم نور، یعنی فوتون درآمده و منتشر می‌شود.
شکل (۲): مقایسه‌ای کیفی میان LED که نور را در تمامی جهات منتشر می‌کند و لیزر دیود که به دلیل استفاده از کاواک، نور تقویت شده و می‌تواند به یک سمت هدایت شود.
دیود لیزر چگونه کار می‌کنند؟
همان‌طور که بیان کردیم مکانیزم عملکرد دیود لیزر ها همانند LEDها است. برای تولید نوری با مشخصات پرتو لیزری نیاز است که تغییراتی را در یک دیود LED پیوند p−n ایجاد کنیم. در دیود لیزر ها غالباً به جای نیمه هادی سیلیکون، از ترکیب آلیاژ آلومینیوم ( aluminum) و گالیم آرسنید (gallium arsenide) یا ایندیوم گالیوم آرسنید فسفرید (indium gallium arsenide phosphide) استفاده می‌کنند. با اتصال جریان الکتریکی به دیود مذکور و عبور الکترون‌ها از سد پتانسیل p−n و ترکیب آن‌ها با حفره‌ها، انرژی اضافه الکترون‌ها در قالب فوتون منتشر می‌شود. همچنین تعامل الکترون‌ها با یکدیگر یا تعامل الکترون - فوتون نیز به تولید فوتون‌های بیشتر کمک می‌کند.
روند فوق (تبدیل الکترون‌های وارد شده به فوتون‌های خروجی) مشابه با فرآیند گسیل القایی (Stimulated Emission) در سایر لیزرها است که در مقاله «لیزر چسیت؟ -- به زبان ساده» به آن پرداختیم. در سایر لیزرها پس از عمل پمپاژ (اعمال نیرو محرکه اولیه جهت تولید فوتون‌ها توسط لامپ فلاش، یک لیزر دیگر یا تخلیه الکتریکی)، نور تولید شده بین دو آینه بازتابنده (محیط کاواک) تقویت شده و توسط لنزهایی به بیرون منتقل می‌شود. شکل زیر شماتیکی ساده از نحوه عملکرد لیزر یاقوت قرمز است.
شکل (۳): ساختار یک لیزر معمولی با محیط بهره یاقوت قرمز
در دیود لیزر ها نیز فرآیندی مشابه رخ داده و فوتون‌های تولید شده در محل اتصال پیوند p−n (تقریباً به عرض یک میکرون) که در اپتیک به کاواک فابری پرو (Fabry - Perot Resonant Cavity) معروف است، تقویت شده و توسط لنزهایی همگرا به بیرون منتقل می‌شوند.
پشته دیود لیزر (Stacked Laser Diodes)
دیود لیزر های ابتدایی تنها شامل یک پیوند p−n بودند که در نتیجه می‌توانستند یک پرتو منفرد را در فرکانس یا طول موجی خاص تابش کنند. با پیشرفت تکنولوژی و ادوات مورد نیاز جهت سنتز ساختارهای نیمه‌هادی، فیزیکدانان توانستند در دهه 1990 میلادی ساختاری متشکل از چند دیود لیزر را همانند ساختمان (روی یکدیگر) بسازند. در واقع منظور از کلمه پشته این است که چندین لایه روی یکدیگر قرار گرفته است. چنین ساختاری به پشته دیود لیزر موسوم است. شکل زیر شماتیکی از چنین لیزری را نشان می‌دهد. شکل زیر برگرفته از پتنت ثبت شده در آمریکا در سال 1993 است که لایه‌های مختلف نیم‌رسانا را نشان می‌دهد.
شکل (4): پتنت پشته دیود لیزر که نشانگر لایه‌های مختلف نیمه‌رسانا است.
لیزر مذکور به دلیل وجود چندین پیوند p−n می‌تواند تابش‌های مختلفی حتی با طول موج‌های متفاوت (به دلیل به کارگیری عناصر مختلف) داشته باشد.
شکل (۵): نمایی از یک پشته دیود با طیف قرمز
کاربرد دیود لیزر
همان‌طور که پیش‌تر بیان کردیم، امروزه لیزرهای نیمه رسانای دیودی، کاربردهای فراوانی در زمینه‌های مختلف دارند. به طور مثال در مخابرات فیبر نوری، از دیود لیزرهایی استفاده می‌شود که در طول موج‌های مخابراتی 1310nm,1490nm,1550nm کار می‌کنند.
شکل (6): نمایی از یک فرستنده و گیرنده نوری مورد استفاده در صنعت مخابرات؛ لیزر فرستنده در این ماژول دیود لیزر است.
قلب تپنده نشانگرهای لیزری که به وفور در سمینارها و کنفرانس‌ها از آن‌ها استفاده می‌کنند نیز دیود لیزر است.
شکل (7): نمایی از دیود لیزرهای کوچک 250 میلی واتی در طول موج 405 نانومتر جهت استفاده در نشانگرها
در دندان پزشکی، علوم پزشکی و جراحی، زیبایی نیز به وفور از دیود لیزر ها استفاده می‌کنند. می‌توان گفت که دلیل همه‌گیر شدن این نوع از لیزرها، سبکی، حجم کم و قیمت ارزان‌تر آن‌ها نسبت به سایر لیزرها است. لازم به ذکر است که دیود لیزر ها می‌توانند در توان‌های بالا نیز ساخته شوند. از دیود لیزر های پرقدرت می‌توان به عنوان پمپ نوری برای راه‌اندازی سایر لیزرها استفاده کرد. به عنوان مثال در تقویت کننده‌های فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم، از دیود لیزرهای جهت برانگیخته شدن اتم‌های اربیوم استفاده می‌شود.
شکل (8): از دیود لیزر هایی که توان قابل ملاحظه‌ای دارند برای پمپ کردن فیبر نوری آلاییده به عنصر اربیوم استفاده می‌شود تا سیگنال‌های اپتیکی تقویت شوند.
اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:
«اشکان ابوالحسنی» دانشجو مقطع دکتری واحد علوم و تحقیقات تهران در رشته مهندسی برق مخابرات، گرایش میدان و امواج است. علاقه خاص او به فرکانس‌های ناحیه اپتیکی و مکانیک کوانتومی باعث شده که در حال حاضر در دو زمینه مخابرات نوری و محاسبات کوانتومی تحقیق و پژوهش کند. او در حال حاضر، آموزش‌هایی را در دو زمینه فیزیک و مهندسی برق (مخابرات) در مجله فرادرس می‌نویسد.
شما در حال مطالعه نسخه آفلاین یکی از مطالب «مجله فرادرس» هستید. لطفاً توجه داشته باشید، ممکن است برخی از قابلیتهای تعاملی مطالب، مانند امکان پاسخ به پرسشهای چهار گزینهای و مشاهده جواب صحیح آن‌ها، نمایش نتیجه آزمونها، پاسخ تشریحی سوالات، پخش فایلهای صوتی و تصویری و غیره، در این نسخه در دسترس نباشند. برای دسترسی به نسخه آنلاین مطلب، استفاده از کلیه امکانات آن و داشتن تجربه کاربری بهتر اینجا کلیک کنید.
