ไดโอดเลเซอร์: คำจำกัดความ ประเภท และการใช้งาน

เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของไดโอดเลเซอร์ ประเภทต่างๆ ที่มีให้เลือก และสถานที่ใช้งานอุปกรณ์อเนกประสงค์เหล่านี้

ไดโอดเลเซอร์: คำจำกัดความ ประเภท และการใช้งาน

บทเรียนสำคัญ:

  • คำจำกัดความของเลเซอร์ไดโอด : เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างแสงที่สอดคล้องกันโดยการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ปล่อยโฟตอนออกมา
  • กลไกการทำงาน : ไดโอดเลเซอร์สร้างแสงผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้นภายในโพรงแสง โดยคุณสมบัติของแสงจะได้รับอิทธิพลจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
  • ประเภทหลัก : ประกอบด้วยโหมดเดี่ยวสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง และโหมดหลายโหมดสำหรับความต้องการความเข้มแสงสูง รวมถึงประเภทเฉพาะทาง เช่น VCSEL และ DFB สำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน
  • การใช้งานหลัก : ไดโอดเลเซอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งในเทคโนโลยีต่างๆ ตั้งแต่การสื่อสารด้วยแสงและการจัดเก็บข้อมูล ไปจนถึงเครื่องมือทางการแพทย์และเครื่องมืออุตสาหกรรม
  • ปัจจัยด้านประสิทธิภาพ : การทำงานที่มีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับการจัดการความไวต่ออุณหภูมิและการป้อนกลับทางแสง โดยนวัตกรรมต่างๆ มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มเสถียรภาพและประสิทธิภาพการส่งออก

เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยแสงแบบโคherent ผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ซึ่งมีความซับซ้อนและตอบสนองได้ดีกว่าไดโอดเปล่งแสง (LED) คำว่า 'เลเซอร์' ย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (การขยายแสงโดยการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น)

เลเซอร์ไดโอดคืออะไร?

ไดโอดเลเซอร์ถูกนิยามว่าเป็นไดโอดที่สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้เมื่อได้รับกระแส ไฟฟ้ากระตุ้น มันประกอบด้วยรอยต่อ pnโดยมีชั้นอินทรินซิกเพิ่มเติมอยู่ตรงกลาง ทำให้เกิดโครงสร้างแบบพิน ชั้นอินทรินซิกเป็นบริเวณที่เกิดแสงขึ้นจากการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮล

บริเวณชนิด p และชนิด n ถูกเจือปนด้วยสารเจือปนในปริมาณมากเพื่อสร้างตัวนำไฟฟ้าส่วนเกิน ในขณะที่ชั้นเนื้อในไม่มีการเจือปนหรือเจือปนเพียงเล็กน้อยเพื่อให้สามารถขยายสัญญาณแสงได้ ปลายของชั้นเนื้อในถูกเคลือบด้วยวัสดุสะท้อนแสง โดยด้านหนึ่งสะท้อนแสงเต็มที่และอีกด้านหนึ่งสะท้อนแสงบางส่วน เพื่อสร้างโพรงแสงที่ดักจับแสงและเพิ่มประสิทธิภาพการปล่อยแสงแบบกระตุ้น

การปล่อยแสงแบบกระตุ้นเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนที่เข้ามาทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นลดระดับพลังงานลงและปล่อยโฟตอนอีกตัวหนึ่งซึ่งเหมือนกับโฟตอนที่เข้ามาทุกประการ ทั้งความถี่ เฟส โพลาไรเซชันและทิศทาง ด้วยวิธีนี้ จำนวนโฟตอนในโพรงจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ทำให้เกิดลำแสงที่สอดคล้องกันซึ่งออกจากโพรงผ่านทางปลายที่มีการสะท้อนแสงบางส่วน

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์จะแปรผันตามช่องว่างพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และความยาวของโพรงแสง ทำให้สามารถปล่อยแสงได้ครอบคลุมสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่รังสีอินฟราเรดไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลต

เลเซอร์ไดโอดทำงานอย่างไร?

ไดโอดเลเซอร์ทำงานโดยการจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้าคร่อม รอยต่อ pn ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสไฟฟ้าจะนำอิเล็กตรอนจากบริเวณชนิด n และโฮลจากบริเวณชนิด p เข้าสู่ชั้นอินทริสิก ซึ่งพวกมันจะรวมตัวกันและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน

โฟตอนบางส่วนถูกปล่อยออกมาเองในทิศทางสุ่ม ในขณะที่โฟตอนอื่นๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่แล้วในโพรงให้ปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นจะสะท้อนไปมาระหว่างปลายสะท้อน ทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่ถูกกระตุ้นมากขึ้น และสร้างภาวะผกผันของประชากรอิเล็กตรอน โดยจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อการผกผันของประชากรถึงระดับเกณฑ์ที่กำหนด จะได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบสภาวะคงที่ ซึ่งอัตราการปล่อยแสงกระตุ้นจะเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนเนื่องจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังเอาต์พุตของไดโอดเลเซอร์ขึ้นอยู่กับกระแสอินพุตและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

กำลังไฟฟ้าขาออกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอุปกรณ์ อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะลดประสิทธิภาพและเพิ่มกระแสไฟฟ้าที่จำเป็น ทำให้จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

เลเซอร์ไดโอดมีกี่ประเภท?

ไดโอดเลเซอร์ถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ โดยพิจารณาจากโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังเอาต์พุต และการใช้งาน ประเภทที่พบได้ทั่วไปบางส่วน ได้แก่:

  • เลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเดี่ยว : เลเซอร์ชนิดนี้มีบริเวณใช้งานแคบที่รองรับโหมดแสงเพียงโหมดเดียว ส่งผลให้ได้ลำแสงที่มีความเข้มข้นสูง มีการกระจายตัวต่ำ และมีความสอดคล้องสูง มีกำลังเอาต์พุตต่ำและช่วงสเปกตรัมแคบ จึงใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง การวิเคราะห์สเปกตรัม และการตรวจวัด
  • ไดโอดเลเซอร์แบบมัลติโหมด : ไดโอดเหล่านี้มีช่วงการทำงานที่กว้าง รองรับโหมดแสงได้หลายโหมด ส่งผลให้ลำแสงกว้างขึ้น มีการกระจายตัวสูง และความสอดคล้องต่ำ มีกำลังเอาต์พุตสูงและช่วงสเปกตรัมกว้าง ใช้ในงานที่ต้องการความเข้มและความสว่างสูง เช่น การตัดด้วยเลเซอร์ การเชื่อม การพิมพ์ และการให้แสงสว่าง
  • เลเซอร์ไดโอดแบบ MOPA ( Master Oscillator Power Amplifier) : เลเซอร์ไดโอดชนิดนี้รวมเลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเดี่ยวเป็นตัวกำเนิดสัญญาณ (oscillator) เข้ากับเลเซอร์ไดโอดแบบหลายโหมดเป็นตัวขยายสัญญาณ (amplifier) ​​เพื่อเพิ่มกำลังเอาต์พุตโดยไม่ลดทอนความกว้างของสเปกตรัมหรือความสอดคล้องของแสง จึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการกำลังสูงและสเปกตรัมแคบ เช่น ระบบไลดาร์ การวัดระยะ และการถ่ายภาพทางการแพทย์
  • ไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้ง (VCSEL) : ไดโอดเหล่านี้เปล่งแสงตั้งฉากกับพื้นผิวของอุปกรณ์ แทนที่จะขนานกับพื้นผิวเหมือนไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงจากขอบแบบดั้งเดิม มีโพรงแสงสั้นๆ พร้อมตัวสะท้อนแสงแบบกระจายแบร็ก (DBR) ที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อช่วยในการป้อนกลับ มีกระแสเกณฑ์ต่ำ ประสิทธิภาพสูง รูปทรงลำแสงเป็นวงกลม และง่ายต่อการรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ ใช้ในงานต่างๆ เช่น การเชื่อมต่อทางแสง การสื่อสารข้อมูล การตรวจจับ และเมาส์แบบออปติคอล
  • เลเซอร์ไดโอดแบบกระจายฟีดแบ็ก (DFB) : เลเซอร์ไดโอดเหล่านี้มีโครงสร้างเป็นระยะฝังอยู่ในบริเวณแอคทีฟ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตะแกรงเพื่อสร้างฟีดแบ็กและเลือกความยาวคลื่น มีความกว้างสเปกตรัมแคบ มีเสถียรภาพสูง เสียงรบกวนต่ำ และปรับความยาวคลื่นได้ จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง สเปกโทรสโกปี และมาตรวิทยา
  • เลเซอร์ไดโอดแบบโพรงภายนอก(ECDLs) : เลเซอร์ชนิดนี้ใช้ส่วนประกอบทางแสงภายนอก เช่น ตะแกรงหรือปริซึม เพื่อให้เกิดการป้อนกลับและการเลือกความยาวคลื่น แทนที่จะใช้โพรงภายใน มีคุณสมบัติเด่นคือ ปรับความยาวคลื่นได้สูง ความกว้างสเปกตรัมแคบ เสียงรบกวนต่ำ และมีความสอดคล้องสูง จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น สเปกโทรสโกปี มาตรวิทยา ฟิสิกส์ อะตอมและควอนตัมออปติกส์

เลเซอร์ไดโอดมีแอปพลิเคชันอะไรบ้าง?

ไดโอดเลเซอร์มีการใช้งานที่หลากหลายในหลายสาขา เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ขนาดกะทัดรัด การใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความอเนกประสงค์ ตัวอย่างการใช้งานบางส่วน ได้แก่:

  • การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการอ่านและเขียนข้อมูลบนแผ่นดิสก์แบบออปติคอล เช่น ซีดี ดีวีดี และบลูเรย์ โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันเพื่อจัดเก็บข้อมูลในปริมาณที่แตกต่างกันบนชั้นต่างๆ ของแผ่นดิสก์ ตัวอย่างเช่น ซีดีใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 780 นาโนเมตร ดีวีดีใช้ไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินม่วงที่มีความยาวคลื่น 405 นาโนเมตร และบลูเรย์ใช้ไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่น 450 นาโนเมตร
  • การสื่อสารด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการส่งข้อมูลในระยะทางไกลโดยใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสง โดยจะปรับความเข้มหรือความถี่ตามสัญญาณข้อมูลและส่งพัลส์แสงผ่านเส้นใยแก้วบางๆ ที่ส่งข้อมูลโดยมีการสูญเสียหรือการรบกวนน้อยที่สุด ไดโอดเลเซอร์ใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันเพื่อรวมช่องสัญญาณข้อมูลหลายช่องไว้ในเส้นใยเดียว ทำให้เพิ่มความจุ ตัวอย่างเช่น ระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงใช้ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 800 นาโนเมตรถึง 1600 นาโนเมตร
  • การสแกนด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการสแกนบาร์โค้ด รหัส UPC และรูปแบบอื่นๆ โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องอ่านบาร์โค้ด เครื่องสแกน และเครื่องพิมพ์ ไดโอดเลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่สะท้อนจากรูปแบบไปยังตัวตรวจจับแสง ซึ่งจะแปลงแสงนั้นให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยจะใช้ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้หรือใกล้กับอินฟราเรด ขึ้นอยู่กับชนิดและสีของรูปแบบ ตัวอย่างเช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ดใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 650 นาโนเมตร
  • การตรวจวัดด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการวัดพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ เช่น ระยะทาง ความเร็ว อุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้น โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไลดาร์ เรดาร์ เทอร์โมมิเตอร์ เซ็นเซอร์ความดัน และเครื่องวิเคราะห์ก๊าซ ไดโอดเลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่ทำปฏิกิริยากับวัตถุหรือตัวกลางเป้าหมาย แล้วสะท้อนกลับไปยังตัวตรวจจับเพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติ โดยจะใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันไปตามประเภทและช่วงของการวัด ตัวอย่างเช่น ระบบไลดาร์ใช้ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ที่มีความยาวคลื่น 905 นาโนเมตร หรือ 1550 นาโนเมตร
  • การแสดงผลด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ใช้สำหรับฉายภาพหรือข้อมูลลงบนหน้าจอหรือพื้นผิวโดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น โปรเจ็กเตอร์ โทรทัศน์ จอภาพ และโฮโลแกรม ไดโอดเลเซอร์ปล่อยลำแสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ซึ่งรวมกันเพื่อสร้างสีและรูปร่างต่างๆ ตามสัญญาณอินพุต โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ ขึ้นอยู่กับความละเอียดและความสว่างของจอแสดงผล ตัวอย่างเช่น โปรเจ็กเตอร์เลเซอร์ใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 635 นาโนเมตร ไดโอดเลเซอร์สีเขียวที่มีความยาวคลื่น 520 นาโนเมตร และไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่น 445 นาโนเมตร
  • การผ่าตัดด้วยแสง : เลเซอร์ไดโอดถูกนำมาใช้ในการทำหัตถการทางการแพทย์ต่างๆ เช่น การตัด การจี้ การทำลายเนื้อเยื่อ การแข็งตัวของเลือด และการสลายเนื้อเยื่อด้วยแสง โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น เลเซอร์ผ่าตัดและกล้องเอนโดสโคป เลเซอร์ไดโอดปล่อยลำแสงที่ทะลุผ่านเนื้อเยื่อและทำให้เกิดผลกระทบทางความร้อนหรือทางเคมีแสง ขึ้นอยู่กับกำลังและระยะเวลาในการสัมผัส เลเซอร์ไดโอดใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันไปตามประเภทและความลึกของการรักษา ตัวอย่างเช่น เลเซอร์จักษุใช้เลเซอร์ไดโอดสีเขียวที่มีความยาวคลื่น 532 นาโนเมตรในการรักษาโรคจอประสาทตาและจุดรับภาพ

ข้อดีของไดโอดเลเซอร์

ไดโอดเลเซอร์มีข้อดีหลายประการเหนือเลเซอร์ประเภทอื่น ๆ เช่น:

  • ขนาดกะทัดรัด : ไดโอดเลเซอร์มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบามาก ทำให้ง่ายต่อการรวมเข้ากับอุปกรณ์และระบบอื่นๆ
  • การใช้พลังงานต่ำ : ไดโอดเลเซอร์ต้องการแรงดันและกระแสไฟฟ้าต่ำในการทำงาน ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานและการเกิดความร้อน
  • ประสิทธิภาพสูง : ไดโอดเลเซอร์แปลงพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ให้เป็นพลังงานแสง ทำให้ได้ความสว่างและความเข้มสูง
  • อายุการใช้งานยาวนาน : ไดโอดเลเซอร์มีอายุการใช้งานยาวนาน สามารถใช้งานได้หลายพันชั่วโมงโดยไม่เสื่อมสภาพหรือเสียหาย
  • ความอเนกประสงค์ : ไดโอดเลเซอร์สามารถสร้างแสงได้ในความยาวคลื่น โหมด และรูปแบบต่างๆ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้และปรับแต่งได้หลากหลาย

ข้อเสียของไดโอดเลเซอร์

ไดโอดเลเซอร์ก็มีข้อเสียอยู่บ้างเช่นกัน เช่น:

  • ความไวต่ออุณหภูมิ : ไดโอดเลเซอร์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ จึงอาจจำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนหรือตัวควบคุมอุณหภูมิเพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม
  • การสะท้อนกลับทางแสง : ไดโอดเลเซอร์มีแนวโน้มที่จะเกิดการสะท้อนกลับทางแสง ซึ่งอาจทำให้ระบบไม่เสถียร เกิดสัญญาณรบกวน หรือทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ มักต้องใช้อุปกรณ์แยกหรือตัวกรองเพื่อป้องกันการสะท้อนที่ไม่ต้องการ
  • การเปลี่ยนโหมดอย่างฉับพลัน : ไดโอดเลเซอร์อาจแสดงการเปลี่ยนโหมดอย่างฉับพลัน ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของความยาวคลื่นหรือโหมดเอาต์พุตเนื่องจากความผันผวนของอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า หรือการป้อนกลับทางแสง ซึ่งอาจส่งผลต่อความสอดคล้องและความเสถียรของลำแสงเอาต์พุต
  • ต้นทุน : ไดโอดเลเซอร์อาจมีราคาแพง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์กำลังสูงหรืออุปกรณ์ที่ปรับความถี่ได้ นอกจากนี้ยังอาจต้องใช้ส่วนประกอบหรือวงจรเพิ่มเติมเพื่อขับเคลื่อนและควบคุมอีกด้วย

สรุป

เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างแสงที่สอดคล้องกันผ่านกระบวนการปล่อยแสงแบบกระตุ้น มีลักษณะคล้ายกับไดโอดเปล่งแสง (LED) แต่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าและเวลาตอบสนองที่เร็วกว่า

ไดโอดเลเซอร์ประกอบด้วยรอยต่อ pn โดยมีชั้นอินทรินซิกเพิ่มเติมอยู่ตรงกลาง ทำให้เกิดโครงสร้างแบบพิน ชั้นอินทรินซิกเป็นบริเวณที่เกิดแสง โดยเกิดจากการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮล

ไดโอดเลเซอร์ทำงานโดยการจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้าคร่อมรอยต่อ pn ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสไฟฟ้าจะนำอิเล็กตรอนจากบริเวณชนิด n และโฮลจากบริเวณชนิด p เข้าสู่ชั้นอินทริสิก ซึ่งพวกมันจะรวมตัวกันและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน

โฟตอนบางส่วนถูกปล่อยออกมาเองในทิศทางสุ่ม ในขณะที่โฟตอนอื่นๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่แล้วในโพรงให้ปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นจะสะท้อนไปมาระหว่างปลายสะท้อน ทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่ถูกกระตุ้นมากขึ้น และสร้างภาวะผกผันของประชากรอิเล็กตรอน โดยจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อการผกผันของประชากรถึงระดับเกณฑ์ที่กำหนด จะได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบสภาวะคงที่ ซึ่งอัตราการปล่อยแสงกระตุ้นจะเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนเนื่องจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังเอาต์พุตของไดโอดเลเซอร์ขึ้นอยู่กับกระแสอินพุตและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ขึ้นอยู่กับช่องว่างพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และความยาวของโพรงแสง ไดโอดเลเซอร์สามารถสร้างแสงได้ในย่านความถี่ต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่รังสีอินฟราเรดไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลต

ไดโอดเลเซอร์ถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ โดยพิจารณาจากโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังเอาต์พุต และการใช้งาน ประเภทที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ไดโอดเลเซอร์แบบโหมดเดี่ยว ไดโอดเลเซอร์แบบหลายโหมด ไดโอดเลเซอร์แบบ MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) ​​ไดโอดเลเซอร์แบบ VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ไดโอดเลเซอร์แบบ DFB (Distributed Feedback) และไดโอดเลเซอร์แบบ ECDL (External Cavity Diode Laser) เป็นต้น

ไดโอดเลเซอร์มีการใช้งานที่หลากหลายในหลายสาขา เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ขนาดกะทัดรัด การใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความอเนกประสงค์ ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง การสื่อสารด้วยแสง การสแกนด้วยแสง การตรวจจับด้วยแสง การแสดงผลด้วยแสง และการผ่าตัดด้วยแสง

แม้ว่าเลเซอร์ไดโอดจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน ได้แก่ ความไวต่ออุณหภูมิ การป้อนกลับทางแสง การกระโดดของโหมด และต้นทุนที่สูง

บทความที่เกี่ยวข้อง

ไดโอดเลเซอร์: คำจำกัดความ ประเภท และการใช้งาน

เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของไดโอดเลเซอร์ ประเภทต่างๆ ที่มีให้เลือก และสถานที่ใช้งานอุปกรณ์อเนกประสงค์เหล่านี้

นักเขียนบทความ
by 
นักเขียนบทความ
ไดโอดเลเซอร์: คำจำกัดความ ประเภท และการใช้งาน

ไดโอดเลเซอร์: คำจำกัดความ ประเภท และการใช้งาน

เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของไดโอดเลเซอร์ ประเภทต่างๆ ที่มีให้เลือก และสถานที่ใช้งานอุปกรณ์อเนกประสงค์เหล่านี้

บทเรียนสำคัญ:

  • คำจำกัดความของเลเซอร์ไดโอด : เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างแสงที่สอดคล้องกันโดยการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ปล่อยโฟตอนออกมา
  • กลไกการทำงาน : ไดโอดเลเซอร์สร้างแสงผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้นภายในโพรงแสง โดยคุณสมบัติของแสงจะได้รับอิทธิพลจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
  • ประเภทหลัก : ประกอบด้วยโหมดเดี่ยวสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง และโหมดหลายโหมดสำหรับความต้องการความเข้มแสงสูง รวมถึงประเภทเฉพาะทาง เช่น VCSEL และ DFB สำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน
  • การใช้งานหลัก : ไดโอดเลเซอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งในเทคโนโลยีต่างๆ ตั้งแต่การสื่อสารด้วยแสงและการจัดเก็บข้อมูล ไปจนถึงเครื่องมือทางการแพทย์และเครื่องมืออุตสาหกรรม
  • ปัจจัยด้านประสิทธิภาพ : การทำงานที่มีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับการจัดการความไวต่ออุณหภูมิและการป้อนกลับทางแสง โดยนวัตกรรมต่างๆ มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มเสถียรภาพและประสิทธิภาพการส่งออก

เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยแสงแบบโคherent ผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ซึ่งมีความซับซ้อนและตอบสนองได้ดีกว่าไดโอดเปล่งแสง (LED) คำว่า 'เลเซอร์' ย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (การขยายแสงโดยการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น)

เลเซอร์ไดโอดคืออะไร?

ไดโอดเลเซอร์ถูกนิยามว่าเป็นไดโอดที่สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้เมื่อได้รับกระแส ไฟฟ้ากระตุ้น มันประกอบด้วยรอยต่อ pnโดยมีชั้นอินทรินซิกเพิ่มเติมอยู่ตรงกลาง ทำให้เกิดโครงสร้างแบบพิน ชั้นอินทรินซิกเป็นบริเวณที่เกิดแสงขึ้นจากการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮล

บริเวณชนิด p และชนิด n ถูกเจือปนด้วยสารเจือปนในปริมาณมากเพื่อสร้างตัวนำไฟฟ้าส่วนเกิน ในขณะที่ชั้นเนื้อในไม่มีการเจือปนหรือเจือปนเพียงเล็กน้อยเพื่อให้สามารถขยายสัญญาณแสงได้ ปลายของชั้นเนื้อในถูกเคลือบด้วยวัสดุสะท้อนแสง โดยด้านหนึ่งสะท้อนแสงเต็มที่และอีกด้านหนึ่งสะท้อนแสงบางส่วน เพื่อสร้างโพรงแสงที่ดักจับแสงและเพิ่มประสิทธิภาพการปล่อยแสงแบบกระตุ้น

การปล่อยแสงแบบกระตุ้นเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนที่เข้ามาทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นลดระดับพลังงานลงและปล่อยโฟตอนอีกตัวหนึ่งซึ่งเหมือนกับโฟตอนที่เข้ามาทุกประการ ทั้งความถี่ เฟส โพลาไรเซชันและทิศทาง ด้วยวิธีนี้ จำนวนโฟตอนในโพรงจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ทำให้เกิดลำแสงที่สอดคล้องกันซึ่งออกจากโพรงผ่านทางปลายที่มีการสะท้อนแสงบางส่วน

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์จะแปรผันตามช่องว่างพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และความยาวของโพรงแสง ทำให้สามารถปล่อยแสงได้ครอบคลุมสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่รังสีอินฟราเรดไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลต

เลเซอร์ไดโอดทำงานอย่างไร?

ไดโอดเลเซอร์ทำงานโดยการจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้าคร่อม รอยต่อ pn ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสไฟฟ้าจะนำอิเล็กตรอนจากบริเวณชนิด n และโฮลจากบริเวณชนิด p เข้าสู่ชั้นอินทริสิก ซึ่งพวกมันจะรวมตัวกันและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน

โฟตอนบางส่วนถูกปล่อยออกมาเองในทิศทางสุ่ม ในขณะที่โฟตอนอื่นๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่แล้วในโพรงให้ปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นจะสะท้อนไปมาระหว่างปลายสะท้อน ทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่ถูกกระตุ้นมากขึ้น และสร้างภาวะผกผันของประชากรอิเล็กตรอน โดยจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อการผกผันของประชากรถึงระดับเกณฑ์ที่กำหนด จะได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบสภาวะคงที่ ซึ่งอัตราการปล่อยแสงกระตุ้นจะเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนเนื่องจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังเอาต์พุตของไดโอดเลเซอร์ขึ้นอยู่กับกระแสอินพุตและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

กำลังไฟฟ้าขาออกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอุปกรณ์ อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะลดประสิทธิภาพและเพิ่มกระแสไฟฟ้าที่จำเป็น ทำให้จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

เลเซอร์ไดโอดมีกี่ประเภท?

ไดโอดเลเซอร์ถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ โดยพิจารณาจากโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังเอาต์พุต และการใช้งาน ประเภทที่พบได้ทั่วไปบางส่วน ได้แก่:

  • เลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเดี่ยว : เลเซอร์ชนิดนี้มีบริเวณใช้งานแคบที่รองรับโหมดแสงเพียงโหมดเดียว ส่งผลให้ได้ลำแสงที่มีความเข้มข้นสูง มีการกระจายตัวต่ำ และมีความสอดคล้องสูง มีกำลังเอาต์พุตต่ำและช่วงสเปกตรัมแคบ จึงใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง การวิเคราะห์สเปกตรัม และการตรวจวัด
  • ไดโอดเลเซอร์แบบมัลติโหมด : ไดโอดเหล่านี้มีช่วงการทำงานที่กว้าง รองรับโหมดแสงได้หลายโหมด ส่งผลให้ลำแสงกว้างขึ้น มีการกระจายตัวสูง และความสอดคล้องต่ำ มีกำลังเอาต์พุตสูงและช่วงสเปกตรัมกว้าง ใช้ในงานที่ต้องการความเข้มและความสว่างสูง เช่น การตัดด้วยเลเซอร์ การเชื่อม การพิมพ์ และการให้แสงสว่าง
  • เลเซอร์ไดโอดแบบ MOPA ( Master Oscillator Power Amplifier) : เลเซอร์ไดโอดชนิดนี้รวมเลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเดี่ยวเป็นตัวกำเนิดสัญญาณ (oscillator) เข้ากับเลเซอร์ไดโอดแบบหลายโหมดเป็นตัวขยายสัญญาณ (amplifier) ​​เพื่อเพิ่มกำลังเอาต์พุตโดยไม่ลดทอนความกว้างของสเปกตรัมหรือความสอดคล้องของแสง จึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการกำลังสูงและสเปกตรัมแคบ เช่น ระบบไลดาร์ การวัดระยะ และการถ่ายภาพทางการแพทย์
  • ไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้ง (VCSEL) : ไดโอดเหล่านี้เปล่งแสงตั้งฉากกับพื้นผิวของอุปกรณ์ แทนที่จะขนานกับพื้นผิวเหมือนไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงจากขอบแบบดั้งเดิม มีโพรงแสงสั้นๆ พร้อมตัวสะท้อนแสงแบบกระจายแบร็ก (DBR) ที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อช่วยในการป้อนกลับ มีกระแสเกณฑ์ต่ำ ประสิทธิภาพสูง รูปทรงลำแสงเป็นวงกลม และง่ายต่อการรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ ใช้ในงานต่างๆ เช่น การเชื่อมต่อทางแสง การสื่อสารข้อมูล การตรวจจับ และเมาส์แบบออปติคอล
  • เลเซอร์ไดโอดแบบกระจายฟีดแบ็ก (DFB) : เลเซอร์ไดโอดเหล่านี้มีโครงสร้างเป็นระยะฝังอยู่ในบริเวณแอคทีฟ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตะแกรงเพื่อสร้างฟีดแบ็กและเลือกความยาวคลื่น มีความกว้างสเปกตรัมแคบ มีเสถียรภาพสูง เสียงรบกวนต่ำ และปรับความยาวคลื่นได้ จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง สเปกโทรสโกปี และมาตรวิทยา
  • เลเซอร์ไดโอดแบบโพรงภายนอก(ECDLs) : เลเซอร์ชนิดนี้ใช้ส่วนประกอบทางแสงภายนอก เช่น ตะแกรงหรือปริซึม เพื่อให้เกิดการป้อนกลับและการเลือกความยาวคลื่น แทนที่จะใช้โพรงภายใน มีคุณสมบัติเด่นคือ ปรับความยาวคลื่นได้สูง ความกว้างสเปกตรัมแคบ เสียงรบกวนต่ำ และมีความสอดคล้องสูง จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น สเปกโทรสโกปี มาตรวิทยา ฟิสิกส์ อะตอมและควอนตัมออปติกส์

เลเซอร์ไดโอดมีแอปพลิเคชันอะไรบ้าง?

ไดโอดเลเซอร์มีการใช้งานที่หลากหลายในหลายสาขา เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ขนาดกะทัดรัด การใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความอเนกประสงค์ ตัวอย่างการใช้งานบางส่วน ได้แก่:

  • การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการอ่านและเขียนข้อมูลบนแผ่นดิสก์แบบออปติคอล เช่น ซีดี ดีวีดี และบลูเรย์ โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันเพื่อจัดเก็บข้อมูลในปริมาณที่แตกต่างกันบนชั้นต่างๆ ของแผ่นดิสก์ ตัวอย่างเช่น ซีดีใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 780 นาโนเมตร ดีวีดีใช้ไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินม่วงที่มีความยาวคลื่น 405 นาโนเมตร และบลูเรย์ใช้ไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่น 450 นาโนเมตร
  • การสื่อสารด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการส่งข้อมูลในระยะทางไกลโดยใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสง โดยจะปรับความเข้มหรือความถี่ตามสัญญาณข้อมูลและส่งพัลส์แสงผ่านเส้นใยแก้วบางๆ ที่ส่งข้อมูลโดยมีการสูญเสียหรือการรบกวนน้อยที่สุด ไดโอดเลเซอร์ใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันเพื่อรวมช่องสัญญาณข้อมูลหลายช่องไว้ในเส้นใยเดียว ทำให้เพิ่มความจุ ตัวอย่างเช่น ระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงใช้ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 800 นาโนเมตรถึง 1600 นาโนเมตร
  • การสแกนด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการสแกนบาร์โค้ด รหัส UPC และรูปแบบอื่นๆ โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องอ่านบาร์โค้ด เครื่องสแกน และเครื่องพิมพ์ ไดโอดเลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่สะท้อนจากรูปแบบไปยังตัวตรวจจับแสง ซึ่งจะแปลงแสงนั้นให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยจะใช้ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้หรือใกล้กับอินฟราเรด ขึ้นอยู่กับชนิดและสีของรูปแบบ ตัวอย่างเช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ดใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 650 นาโนเมตร
  • การตรวจวัดด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการวัดพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ เช่น ระยะทาง ความเร็ว อุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้น โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไลดาร์ เรดาร์ เทอร์โมมิเตอร์ เซ็นเซอร์ความดัน และเครื่องวิเคราะห์ก๊าซ ไดโอดเลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่ทำปฏิกิริยากับวัตถุหรือตัวกลางเป้าหมาย แล้วสะท้อนกลับไปยังตัวตรวจจับเพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติ โดยจะใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันไปตามประเภทและช่วงของการวัด ตัวอย่างเช่น ระบบไลดาร์ใช้ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ที่มีความยาวคลื่น 905 นาโนเมตร หรือ 1550 นาโนเมตร
  • การแสดงผลด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ใช้สำหรับฉายภาพหรือข้อมูลลงบนหน้าจอหรือพื้นผิวโดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น โปรเจ็กเตอร์ โทรทัศน์ จอภาพ และโฮโลแกรม ไดโอดเลเซอร์ปล่อยลำแสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ซึ่งรวมกันเพื่อสร้างสีและรูปร่างต่างๆ ตามสัญญาณอินพุต โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ ขึ้นอยู่กับความละเอียดและความสว่างของจอแสดงผล ตัวอย่างเช่น โปรเจ็กเตอร์เลเซอร์ใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 635 นาโนเมตร ไดโอดเลเซอร์สีเขียวที่มีความยาวคลื่น 520 นาโนเมตร และไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่น 445 นาโนเมตร
  • การผ่าตัดด้วยแสง : เลเซอร์ไดโอดถูกนำมาใช้ในการทำหัตถการทางการแพทย์ต่างๆ เช่น การตัด การจี้ การทำลายเนื้อเยื่อ การแข็งตัวของเลือด และการสลายเนื้อเยื่อด้วยแสง โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น เลเซอร์ผ่าตัดและกล้องเอนโดสโคป เลเซอร์ไดโอดปล่อยลำแสงที่ทะลุผ่านเนื้อเยื่อและทำให้เกิดผลกระทบทางความร้อนหรือทางเคมีแสง ขึ้นอยู่กับกำลังและระยะเวลาในการสัมผัส เลเซอร์ไดโอดใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันไปตามประเภทและความลึกของการรักษา ตัวอย่างเช่น เลเซอร์จักษุใช้เลเซอร์ไดโอดสีเขียวที่มีความยาวคลื่น 532 นาโนเมตรในการรักษาโรคจอประสาทตาและจุดรับภาพ

ข้อดีของไดโอดเลเซอร์

ไดโอดเลเซอร์มีข้อดีหลายประการเหนือเลเซอร์ประเภทอื่น ๆ เช่น:

  • ขนาดกะทัดรัด : ไดโอดเลเซอร์มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบามาก ทำให้ง่ายต่อการรวมเข้ากับอุปกรณ์และระบบอื่นๆ
  • การใช้พลังงานต่ำ : ไดโอดเลเซอร์ต้องการแรงดันและกระแสไฟฟ้าต่ำในการทำงาน ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานและการเกิดความร้อน
  • ประสิทธิภาพสูง : ไดโอดเลเซอร์แปลงพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ให้เป็นพลังงานแสง ทำให้ได้ความสว่างและความเข้มสูง
  • อายุการใช้งานยาวนาน : ไดโอดเลเซอร์มีอายุการใช้งานยาวนาน สามารถใช้งานได้หลายพันชั่วโมงโดยไม่เสื่อมสภาพหรือเสียหาย
  • ความอเนกประสงค์ : ไดโอดเลเซอร์สามารถสร้างแสงได้ในความยาวคลื่น โหมด และรูปแบบต่างๆ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้และปรับแต่งได้หลากหลาย

ข้อเสียของไดโอดเลเซอร์

ไดโอดเลเซอร์ก็มีข้อเสียอยู่บ้างเช่นกัน เช่น:

  • ความไวต่ออุณหภูมิ : ไดโอดเลเซอร์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ จึงอาจจำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนหรือตัวควบคุมอุณหภูมิเพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม
  • การสะท้อนกลับทางแสง : ไดโอดเลเซอร์มีแนวโน้มที่จะเกิดการสะท้อนกลับทางแสง ซึ่งอาจทำให้ระบบไม่เสถียร เกิดสัญญาณรบกวน หรือทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ มักต้องใช้อุปกรณ์แยกหรือตัวกรองเพื่อป้องกันการสะท้อนที่ไม่ต้องการ
  • การเปลี่ยนโหมดอย่างฉับพลัน : ไดโอดเลเซอร์อาจแสดงการเปลี่ยนโหมดอย่างฉับพลัน ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของความยาวคลื่นหรือโหมดเอาต์พุตเนื่องจากความผันผวนของอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า หรือการป้อนกลับทางแสง ซึ่งอาจส่งผลต่อความสอดคล้องและความเสถียรของลำแสงเอาต์พุต
  • ต้นทุน : ไดโอดเลเซอร์อาจมีราคาแพง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์กำลังสูงหรืออุปกรณ์ที่ปรับความถี่ได้ นอกจากนี้ยังอาจต้องใช้ส่วนประกอบหรือวงจรเพิ่มเติมเพื่อขับเคลื่อนและควบคุมอีกด้วย

สรุป

เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างแสงที่สอดคล้องกันผ่านกระบวนการปล่อยแสงแบบกระตุ้น มีลักษณะคล้ายกับไดโอดเปล่งแสง (LED) แต่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าและเวลาตอบสนองที่เร็วกว่า

ไดโอดเลเซอร์ประกอบด้วยรอยต่อ pn โดยมีชั้นอินทรินซิกเพิ่มเติมอยู่ตรงกลาง ทำให้เกิดโครงสร้างแบบพิน ชั้นอินทรินซิกเป็นบริเวณที่เกิดแสง โดยเกิดจากการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮล

ไดโอดเลเซอร์ทำงานโดยการจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้าคร่อมรอยต่อ pn ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสไฟฟ้าจะนำอิเล็กตรอนจากบริเวณชนิด n และโฮลจากบริเวณชนิด p เข้าสู่ชั้นอินทริสิก ซึ่งพวกมันจะรวมตัวกันและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน

โฟตอนบางส่วนถูกปล่อยออกมาเองในทิศทางสุ่ม ในขณะที่โฟตอนอื่นๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่แล้วในโพรงให้ปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นจะสะท้อนไปมาระหว่างปลายสะท้อน ทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่ถูกกระตุ้นมากขึ้น และสร้างภาวะผกผันของประชากรอิเล็กตรอน โดยจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อการผกผันของประชากรถึงระดับเกณฑ์ที่กำหนด จะได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบสภาวะคงที่ ซึ่งอัตราการปล่อยแสงกระตุ้นจะเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนเนื่องจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังเอาต์พุตของไดโอดเลเซอร์ขึ้นอยู่กับกระแสอินพุตและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ขึ้นอยู่กับช่องว่างพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และความยาวของโพรงแสง ไดโอดเลเซอร์สามารถสร้างแสงได้ในย่านความถี่ต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่รังสีอินฟราเรดไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลต

ไดโอดเลเซอร์ถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ โดยพิจารณาจากโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังเอาต์พุต และการใช้งาน ประเภทที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ไดโอดเลเซอร์แบบโหมดเดี่ยว ไดโอดเลเซอร์แบบหลายโหมด ไดโอดเลเซอร์แบบ MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) ​​ไดโอดเลเซอร์แบบ VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ไดโอดเลเซอร์แบบ DFB (Distributed Feedback) และไดโอดเลเซอร์แบบ ECDL (External Cavity Diode Laser) เป็นต้น

ไดโอดเลเซอร์มีการใช้งานที่หลากหลายในหลายสาขา เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ขนาดกะทัดรัด การใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความอเนกประสงค์ ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง การสื่อสารด้วยแสง การสแกนด้วยแสง การตรวจจับด้วยแสง การแสดงผลด้วยแสง และการผ่าตัดด้วยแสง

แม้ว่าเลเซอร์ไดโอดจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน ได้แก่ ความไวต่ออุณหภูมิ การป้อนกลับทางแสง การกระโดดของโหมด และต้นทุนที่สูง

Lorem ipsum dolor sit amet, consectetur adipiscing elit. Suspendisse varius enim in eros elementum tristique. Duis cursus, mi quis viverra ornare, eros dolor interdum nulla, ut commodo diam libero vitae erat. Aenean faucibus nibh et justo cursus id rutrum lorem imperdiet. Nunc ut sem vitae risus tristique posuere.

ไดโอดเลเซอร์: คำจำกัดความ ประเภท และการใช้งาน

ไดโอดเลเซอร์: คำจำกัดความ ประเภท และการใช้งาน

เรียนรู้เกี่ยวกับวิธีการทำงานของไดโอดเลเซอร์ ประเภทต่างๆ ที่มีให้เลือก และสถานที่ใช้งานอุปกรณ์อเนกประสงค์เหล่านี้

Lorem ipsum dolor amet consectetur adipiscing elit tortor massa arcu non.

บทเรียนสำคัญ:

  • คำจำกัดความของเลเซอร์ไดโอด : เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างแสงที่สอดคล้องกันโดยการกระตุ้นอิเล็กตรอนให้ปล่อยโฟตอนออกมา
  • กลไกการทำงาน : ไดโอดเลเซอร์สร้างแสงผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้นภายในโพรงแสง โดยคุณสมบัติของแสงจะได้รับอิทธิพลจากวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
  • ประเภทหลัก : ประกอบด้วยโหมดเดี่ยวสำหรับงานที่ต้องการความแม่นยำสูง และโหมดหลายโหมดสำหรับความต้องการความเข้มแสงสูง รวมถึงประเภทเฉพาะทาง เช่น VCSEL และ DFB สำหรับการใช้งานเฉพาะด้าน
  • การใช้งานหลัก : ไดโอดเลเซอร์มีความสำคัญอย่างยิ่งในเทคโนโลยีต่างๆ ตั้งแต่การสื่อสารด้วยแสงและการจัดเก็บข้อมูล ไปจนถึงเครื่องมือทางการแพทย์และเครื่องมืออุตสาหกรรม
  • ปัจจัยด้านประสิทธิภาพ : การทำงานที่มีประสิทธิภาพขึ้นอยู่กับการจัดการความไวต่ออุณหภูมิและการป้อนกลับทางแสง โดยนวัตกรรมต่างๆ มุ่งเน้นไปที่การเพิ่มเสถียรภาพและประสิทธิภาพการส่งออก

เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่ปล่อยแสงแบบโคherent ผ่านการปล่อยแสงแบบกระตุ้น ซึ่งมีความซับซ้อนและตอบสนองได้ดีกว่าไดโอดเปล่งแสง (LED) คำว่า 'เลเซอร์' ย่อมาจาก Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation (การขยายแสงโดยการปล่อยรังสีแบบกระตุ้น)

เลเซอร์ไดโอดคืออะไร?

ไดโอดเลเซอร์ถูกนิยามว่าเป็นไดโอดที่สามารถสร้างแสงเลเซอร์ได้เมื่อได้รับกระแส ไฟฟ้ากระตุ้น มันประกอบด้วยรอยต่อ pnโดยมีชั้นอินทรินซิกเพิ่มเติมอยู่ตรงกลาง ทำให้เกิดโครงสร้างแบบพิน ชั้นอินทรินซิกเป็นบริเวณที่เกิดแสงขึ้นจากการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮล

บริเวณชนิด p และชนิด n ถูกเจือปนด้วยสารเจือปนในปริมาณมากเพื่อสร้างตัวนำไฟฟ้าส่วนเกิน ในขณะที่ชั้นเนื้อในไม่มีการเจือปนหรือเจือปนเพียงเล็กน้อยเพื่อให้สามารถขยายสัญญาณแสงได้ ปลายของชั้นเนื้อในถูกเคลือบด้วยวัสดุสะท้อนแสง โดยด้านหนึ่งสะท้อนแสงเต็มที่และอีกด้านหนึ่งสะท้อนแสงบางส่วน เพื่อสร้างโพรงแสงที่ดักจับแสงและเพิ่มประสิทธิภาพการปล่อยแสงแบบกระตุ้น

การปล่อยแสงแบบกระตุ้นเกิดขึ้นเมื่อโฟตอนที่เข้ามาทำให้อิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นลดระดับพลังงานลงและปล่อยโฟตอนอีกตัวหนึ่งซึ่งเหมือนกับโฟตอนที่เข้ามาทุกประการ ทั้งความถี่ เฟส โพลาไรเซชันและทิศทาง ด้วยวิธีนี้ จำนวนโฟตอนในโพรงจะเพิ่มขึ้นแบบทวีคูณ ทำให้เกิดลำแสงที่สอดคล้องกันซึ่งออกจากโพรงผ่านทางปลายที่มีการสะท้อนแสงบางส่วน

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์จะแปรผันตามช่องว่างพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และความยาวของโพรงแสง ทำให้สามารถปล่อยแสงได้ครอบคลุมสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่รังสีอินฟราเรดไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลต

เลเซอร์ไดโอดทำงานอย่างไร?

ไดโอดเลเซอร์ทำงานโดยการจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้าคร่อม รอยต่อ pn ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสไฟฟ้าจะนำอิเล็กตรอนจากบริเวณชนิด n และโฮลจากบริเวณชนิด p เข้าสู่ชั้นอินทริสิก ซึ่งพวกมันจะรวมตัวกันและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน

โฟตอนบางส่วนถูกปล่อยออกมาเองในทิศทางสุ่ม ในขณะที่โฟตอนอื่นๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่แล้วในโพรงให้ปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นจะสะท้อนไปมาระหว่างปลายสะท้อน ทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่ถูกกระตุ้นมากขึ้น และสร้างภาวะผกผันของประชากรอิเล็กตรอน โดยจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อการผกผันของประชากรถึงระดับเกณฑ์ที่กำหนด จะได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบสภาวะคงที่ ซึ่งอัตราการปล่อยแสงกระตุ้นจะเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนเนื่องจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังเอาต์พุตของไดโอดเลเซอร์ขึ้นอยู่กับกระแสอินพุตและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

กำลังไฟฟ้าขาออกขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของอุปกรณ์ อุณหภูมิที่สูงขึ้นจะลดประสิทธิภาพและเพิ่มกระแสไฟฟ้าที่จำเป็น ทำให้จำเป็นต้องมีระบบระบายความร้อนเพื่อให้ได้ประสิทธิภาพสูงสุด

เลเซอร์ไดโอดมีกี่ประเภท?

ไดโอดเลเซอร์ถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ โดยพิจารณาจากโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังเอาต์พุต และการใช้งาน ประเภทที่พบได้ทั่วไปบางส่วน ได้แก่:

  • เลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเดี่ยว : เลเซอร์ชนิดนี้มีบริเวณใช้งานแคบที่รองรับโหมดแสงเพียงโหมดเดียว ส่งผลให้ได้ลำแสงที่มีความเข้มข้นสูง มีการกระจายตัวต่ำ และมีความสอดคล้องสูง มีกำลังเอาต์พุตต่ำและช่วงสเปกตรัมแคบ จึงใช้ในงานที่ต้องการความแม่นยำสูง เช่น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง การวิเคราะห์สเปกตรัม และการตรวจวัด
  • ไดโอดเลเซอร์แบบมัลติโหมด : ไดโอดเหล่านี้มีช่วงการทำงานที่กว้าง รองรับโหมดแสงได้หลายโหมด ส่งผลให้ลำแสงกว้างขึ้น มีการกระจายตัวสูง และความสอดคล้องต่ำ มีกำลังเอาต์พุตสูงและช่วงสเปกตรัมกว้าง ใช้ในงานที่ต้องการความเข้มและความสว่างสูง เช่น การตัดด้วยเลเซอร์ การเชื่อม การพิมพ์ และการให้แสงสว่าง
  • เลเซอร์ไดโอดแบบ MOPA ( Master Oscillator Power Amplifier) : เลเซอร์ไดโอดชนิดนี้รวมเลเซอร์ไดโอดแบบโหมดเดี่ยวเป็นตัวกำเนิดสัญญาณ (oscillator) เข้ากับเลเซอร์ไดโอดแบบหลายโหมดเป็นตัวขยายสัญญาณ (amplifier) ​​เพื่อเพิ่มกำลังเอาต์พุตโดยไม่ลดทอนความกว้างของสเปกตรัมหรือความสอดคล้องของแสง จึงเหมาะสำหรับงานที่ต้องการกำลังสูงและสเปกตรัมแคบ เช่น ระบบไลดาร์ การวัดระยะ และการถ่ายภาพทางการแพทย์
  • ไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงจากพื้นผิวแบบโพรงแนวตั้ง (VCSEL) : ไดโอดเหล่านี้เปล่งแสงตั้งฉากกับพื้นผิวของอุปกรณ์ แทนที่จะขนานกับพื้นผิวเหมือนไดโอดเลเซอร์เปล่งแสงจากขอบแบบดั้งเดิม มีโพรงแสงสั้นๆ พร้อมตัวสะท้อนแสงแบบกระจายแบร็ก (DBR) ที่ปลายทั้งสองข้างเพื่อช่วยในการป้อนกลับ มีกระแสเกณฑ์ต่ำ ประสิทธิภาพสูง รูปทรงลำแสงเป็นวงกลม และง่ายต่อการรวมเข้ากับอุปกรณ์อื่นๆ ใช้ในงานต่างๆ เช่น การเชื่อมต่อทางแสง การสื่อสารข้อมูล การตรวจจับ และเมาส์แบบออปติคอล
  • เลเซอร์ไดโอดแบบกระจายฟีดแบ็ก (DFB) : เลเซอร์ไดโอดเหล่านี้มีโครงสร้างเป็นระยะฝังอยู่ในบริเวณแอคทีฟ ซึ่งทำหน้าที่เป็นตะแกรงเพื่อสร้างฟีดแบ็กและเลือกความยาวคลื่น มีความกว้างสเปกตรัมแคบ มีเสถียรภาพสูง เสียงรบกวนต่ำ และปรับความยาวคลื่นได้ จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น การสื่อสารด้วยใยแก้วนำแสง สเปกโทรสโกปี และมาตรวิทยา
  • เลเซอร์ไดโอดแบบโพรงภายนอก(ECDLs) : เลเซอร์ชนิดนี้ใช้ส่วนประกอบทางแสงภายนอก เช่น ตะแกรงหรือปริซึม เพื่อให้เกิดการป้อนกลับและการเลือกความยาวคลื่น แทนที่จะใช้โพรงภายใน มีคุณสมบัติเด่นคือ ปรับความยาวคลื่นได้สูง ความกว้างสเปกตรัมแคบ เสียงรบกวนต่ำ และมีความสอดคล้องสูง จึงถูกนำไปใช้ในงานต่างๆ เช่น สเปกโทรสโกปี มาตรวิทยา ฟิสิกส์ อะตอมและควอนตัมออปติกส์

เลเซอร์ไดโอดมีแอปพลิเคชันอะไรบ้าง?

ไดโอดเลเซอร์มีการใช้งานที่หลากหลายในหลายสาขา เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ขนาดกะทัดรัด การใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความอเนกประสงค์ ตัวอย่างการใช้งานบางส่วน ได้แก่:

  • การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการอ่านและเขียนข้อมูลบนแผ่นดิสก์แบบออปติคอล เช่น ซีดี ดีวีดี และบลูเรย์ โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันเพื่อจัดเก็บข้อมูลในปริมาณที่แตกต่างกันบนชั้นต่างๆ ของแผ่นดิสก์ ตัวอย่างเช่น ซีดีใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 780 นาโนเมตร ดีวีดีใช้ไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินม่วงที่มีความยาวคลื่น 405 นาโนเมตร และบลูเรย์ใช้ไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่น 450 นาโนเมตร
  • การสื่อสารด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการส่งข้อมูลในระยะทางไกลโดยใช้สายเคเบิลใยแก้วนำแสง โดยจะปรับความเข้มหรือความถี่ตามสัญญาณข้อมูลและส่งพัลส์แสงผ่านเส้นใยแก้วบางๆ ที่ส่งข้อมูลโดยมีการสูญเสียหรือการรบกวนน้อยที่สุด ไดโอดเลเซอร์ใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันเพื่อรวมช่องสัญญาณข้อมูลหลายช่องไว้ในเส้นใยเดียว ทำให้เพิ่มความจุ ตัวอย่างเช่น ระบบสื่อสารใยแก้วนำแสงใช้ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรดที่มีความยาวคลื่นตั้งแต่ 800 นาโนเมตรถึง 1600 นาโนเมตร
  • การสแกนด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการสแกนบาร์โค้ด รหัส UPC และรูปแบบอื่นๆ โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น เครื่องอ่านบาร์โค้ด เครื่องสแกน และเครื่องพิมพ์ ไดโอดเลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่สะท้อนจากรูปแบบไปยังตัวตรวจจับแสง ซึ่งจะแปลงแสงนั้นให้เป็นสัญญาณไฟฟ้า โดยจะใช้ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้หรือใกล้กับอินฟราเรด ขึ้นอยู่กับชนิดและสีของรูปแบบ ตัวอย่างเช่น เครื่องสแกนบาร์โค้ดใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 650 นาโนเมตร
  • การตรวจวัดด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ถูกใช้ในการวัดพารามิเตอร์ทางกายภาพต่างๆ เช่น ระยะทาง ความเร็ว อุณหภูมิ ความดัน และความเข้มข้น โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น ไลดาร์ เรดาร์ เทอร์โมมิเตอร์ เซ็นเซอร์ความดัน และเครื่องวิเคราะห์ก๊าซ ไดโอดเลเซอร์จะปล่อยลำแสงที่ทำปฏิกิริยากับวัตถุหรือตัวกลางเป้าหมาย แล้วสะท้อนกลับไปยังตัวตรวจจับเพื่อวิเคราะห์คุณสมบัติ โดยจะใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันไปตามประเภทและช่วงของการวัด ตัวอย่างเช่น ระบบไลดาร์ใช้ไดโอดเลเซอร์อินฟราเรดใกล้ที่มีความยาวคลื่น 905 นาโนเมตร หรือ 1550 นาโนเมตร
  • การแสดงผลด้วยแสง : ไดโอดเลเซอร์ใช้สำหรับฉายภาพหรือข้อมูลลงบนหน้าจอหรือพื้นผิวโดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น โปรเจ็กเตอร์ โทรทัศน์ จอภาพ และโฮโลแกรม ไดโอดเลเซอร์ปล่อยลำแสงสีแดง สีเขียว และสีน้ำเงิน ซึ่งรวมกันเพื่อสร้างสีและรูปร่างต่างๆ ตามสัญญาณอินพุต โดยใช้ความยาวคลื่นแสงที่มองเห็นได้ ขึ้นอยู่กับความละเอียดและความสว่างของจอแสดงผล ตัวอย่างเช่น โปรเจ็กเตอร์เลเซอร์ใช้ไดโอดเลเซอร์สีแดงที่มีความยาวคลื่น 635 นาโนเมตร ไดโอดเลเซอร์สีเขียวที่มีความยาวคลื่น 520 นาโนเมตร และไดโอดเลเซอร์สีน้ำเงินที่มีความยาวคลื่น 445 นาโนเมตร
  • การผ่าตัดด้วยแสง : เลเซอร์ไดโอดถูกนำมาใช้ในการทำหัตถการทางการแพทย์ต่างๆ เช่น การตัด การจี้ การทำลายเนื้อเยื่อ การแข็งตัวของเลือด และการสลายเนื้อเยื่อด้วยแสง โดยใช้อุปกรณ์ต่างๆ เช่น เลเซอร์ผ่าตัดและกล้องเอนโดสโคป เลเซอร์ไดโอดปล่อยลำแสงที่ทะลุผ่านเนื้อเยื่อและทำให้เกิดผลกระทบทางความร้อนหรือทางเคมีแสง ขึ้นอยู่กับกำลังและระยะเวลาในการสัมผัส เลเซอร์ไดโอดใช้ความยาวคลื่นแสงที่แตกต่างกันไปตามประเภทและความลึกของการรักษา ตัวอย่างเช่น เลเซอร์จักษุใช้เลเซอร์ไดโอดสีเขียวที่มีความยาวคลื่น 532 นาโนเมตรในการรักษาโรคจอประสาทตาและจุดรับภาพ

ข้อดีของไดโอดเลเซอร์

ไดโอดเลเซอร์มีข้อดีหลายประการเหนือเลเซอร์ประเภทอื่น ๆ เช่น:

  • ขนาดกะทัดรัด : ไดโอดเลเซอร์มีขนาดเล็กและน้ำหนักเบามาก ทำให้ง่ายต่อการรวมเข้ากับอุปกรณ์และระบบอื่นๆ
  • การใช้พลังงานต่ำ : ไดโอดเลเซอร์ต้องการแรงดันและกระแสไฟฟ้าต่ำในการทำงาน ซึ่งช่วยลดค่าใช้จ่ายด้านพลังงานและการเกิดความร้อน
  • ประสิทธิภาพสูง : ไดโอดเลเซอร์แปลงพลังงานไฟฟ้าส่วนใหญ่ให้เป็นพลังงานแสง ทำให้ได้ความสว่างและความเข้มสูง
  • อายุการใช้งานยาวนาน : ไดโอดเลเซอร์มีอายุการใช้งานยาวนาน สามารถใช้งานได้หลายพันชั่วโมงโดยไม่เสื่อมสภาพหรือเสียหาย
  • ความอเนกประสงค์ : ไดโอดเลเซอร์สามารถสร้างแสงได้ในความยาวคลื่น โหมด และรูปแบบต่างๆ ทำให้สามารถนำไปประยุกต์ใช้และปรับแต่งได้หลากหลาย

ข้อเสียของไดโอดเลเซอร์

ไดโอดเลเซอร์ก็มีข้อเสียอยู่บ้างเช่นกัน เช่น:

  • ความไวต่ออุณหภูมิ : ไดโอดเลเซอร์มีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของอุณหภูมิ ซึ่งอาจส่งผลต่อประสิทธิภาพและความน่าเชื่อถือ จึงอาจจำเป็นต้องใช้ระบบระบายความร้อนหรือตัวควบคุมอุณหภูมิเพื่อรักษาอุณหภูมิให้อยู่ในระดับที่เหมาะสม
  • การสะท้อนกลับทางแสง : ไดโอดเลเซอร์มีแนวโน้มที่จะเกิดการสะท้อนกลับทางแสง ซึ่งอาจทำให้ระบบไม่เสถียร เกิดสัญญาณรบกวน หรือทำให้อุปกรณ์เสียหายได้ มักต้องใช้อุปกรณ์แยกหรือตัวกรองเพื่อป้องกันการสะท้อนที่ไม่ต้องการ
  • การเปลี่ยนโหมดอย่างฉับพลัน : ไดโอดเลเซอร์อาจแสดงการเปลี่ยนโหมดอย่างฉับพลัน ซึ่งเป็นการเปลี่ยนแปลงอย่างกะทันหันของความยาวคลื่นหรือโหมดเอาต์พุตเนื่องจากความผันผวนของอุณหภูมิ กระแสไฟฟ้า หรือการป้อนกลับทางแสง ซึ่งอาจส่งผลต่อความสอดคล้องและความเสถียรของลำแสงเอาต์พุต
  • ต้นทุน : ไดโอดเลเซอร์อาจมีราคาแพง โดยเฉพาะอย่างยิ่งสำหรับอุปกรณ์กำลังสูงหรืออุปกรณ์ที่ปรับความถี่ได้ นอกจากนี้ยังอาจต้องใช้ส่วนประกอบหรือวงจรเพิ่มเติมเพื่อขับเคลื่อนและควบคุมอีกด้วย

สรุป

เลเซอร์ไดโอดเป็นอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ที่สร้างแสงที่สอดคล้องกันผ่านกระบวนการปล่อยแสงแบบกระตุ้น มีลักษณะคล้ายกับไดโอดเปล่งแสง (LED) แต่มีโครงสร้างที่ซับซ้อนกว่าและเวลาตอบสนองที่เร็วกว่า

ไดโอดเลเซอร์ประกอบด้วยรอยต่อ pn โดยมีชั้นอินทรินซิกเพิ่มเติมอยู่ตรงกลาง ทำให้เกิดโครงสร้างแบบพิน ชั้นอินทรินซิกเป็นบริเวณที่เกิดแสง โดยเกิดจากการรวมตัวกันใหม่ของอิเล็กตรอนและโฮล

ไดโอดเลเซอร์ทำงานโดยการจ่ายแรงดันไบแอสไปข้างหน้าคร่อมรอยต่อ pn ซึ่งทำให้กระแสไฟฟ้าไหลผ่านอุปกรณ์ กระแสไฟฟ้าจะนำอิเล็กตรอนจากบริเวณชนิด n และโฮลจากบริเวณชนิด p เข้าสู่ชั้นอินทริสิก ซึ่งพวกมันจะรวมตัวกันและปล่อยพลังงานออกมาในรูปของโฟตอน

โฟตอนบางส่วนถูกปล่อยออกมาเองในทิศทางสุ่ม ในขณะที่โฟตอนอื่นๆ ถูกกระตุ้นโดยโฟตอนที่มีอยู่แล้วในโพรงให้ปล่อยออกมาในเฟสเดียวกัน โฟตอนที่ถูกกระตุ้นจะสะท้อนไปมาระหว่างปลายสะท้อน ทำให้เกิดการปล่อยโฟตอนที่ถูกกระตุ้นมากขึ้น และสร้างภาวะผกผันของประชากรอิเล็กตรอน โดยจะมีอิเล็กตรอนที่ถูกกระตุ้นมากกว่าอิเล็กตรอนที่ไม่ถูกกระตุ้น

เมื่อการผกผันของประชากรถึงระดับเกณฑ์ที่กำหนด จะได้เอาต์พุตเลเซอร์แบบสภาวะคงที่ ซึ่งอัตราการปล่อยแสงกระตุ้นจะเท่ากับอัตราการสูญเสียโฟตอนเนื่องจากการส่งผ่านหรือการดูดซับ กำลังเอาต์พุตของไดโอดเลเซอร์ขึ้นอยู่กับกระแสอินพุตและประสิทธิภาพของอุปกรณ์

ความยาวคลื่นของแสงเลเซอร์ขึ้นอยู่กับช่องว่างพลังงานของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์และความยาวของโพรงแสง ไดโอดเลเซอร์สามารถสร้างแสงได้ในย่านความถี่ต่างๆ ของสเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ตั้งแต่รังสีอินฟราเรดไปจนถึงรังสีอัลตราไวโอเลต

ไดโอดเลเซอร์ถูกจำแนกออกเป็นประเภทต่างๆ โดยพิจารณาจากโครงสร้าง โหมดการทำงาน ความยาวคลื่น กำลังเอาต์พุต และการใช้งาน ประเภทที่พบได้ทั่วไป ได้แก่ ไดโอดเลเซอร์แบบโหมดเดี่ยว ไดโอดเลเซอร์แบบหลายโหมด ไดโอดเลเซอร์แบบ MOPA (Master Oscillator Power Amplifier) ​​ไดโอดเลเซอร์แบบ VCSEL (Vertical Cavity Surface Emitting Laser) ไดโอดเลเซอร์แบบ DFB (Distributed Feedback) และไดโอดเลเซอร์แบบ ECDL (External Cavity Diode Laser) เป็นต้น

ไดโอดเลเซอร์มีการใช้งานที่หลากหลายในหลายสาขา เนื่องจากมีข้อดีหลายประการ เช่น ขนาดกะทัดรัด การใช้พลังงานต่ำ ประสิทธิภาพสูง อายุการใช้งานยาวนาน และความอเนกประสงค์ ตัวอย่างการใช้งาน ได้แก่ การจัดเก็บข้อมูลด้วยแสง การสื่อสารด้วยแสง การสแกนด้วยแสง การตรวจจับด้วยแสง การแสดงผลด้วยแสง และการผ่าตัดด้วยแสง

แม้ว่าเลเซอร์ไดโอดจะมีข้อดีหลายประการ แต่ก็มีข้อเสียเช่นกัน ได้แก่ ความไวต่ออุณหภูมิ การป้อนกลับทางแสง การกระโดดของโหมด และต้นทุนที่สูง

Related articles