Laser Diode là gì? Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo và ứng dụng của laser diode

Laser diode hay còn gọi là laser bán dẫn, laser chùm điểm là một loại laser nhỏ gọn và hiệu quả được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Vậy laser diode là gì? Chúng có nguyên lý hoạt động và cấu tạo ra sao? Hãy cùng odkdesert.com tìm hiểu về loại laser quan trọng này nhé!

Laser diode là gì?

Laser diode là một dạng laser chuyên biệt, được làm từ các vật liệu bán dẫn như nhôm galiniumacsen (AlGaAs), indium galiniumacsen (InGaAs) hoặc indium phocphit (InP). Đây là loại laser rắn, có kích thước nhỏ, trọng lượng nhẹ và tiêu thụ ít năng lượng.

Laser diode có cấu tạo đơn giản hơn so với các loại laser khác, chỉ gồm một lõi chất bán dẫn đặc biệt có khả năng tạo ra ánh sáng laser. Khi mẫu bán dẫn nhận được năng lượng từ nguồn điện, các electron chuyển sang trạng thái cao hơn và khi trở về trạng thái cũ, sẽ phát ra bức xạ laser có năng lượng tập trung, đơn sắc, song song và đồng bộ pha.

Laser Diode là gì

Đặc điểm của laser diode:

  • Kích thước nhỏ gọn, chỉ tính bằng milimeter (mm) hoặc thậm chí micromet (µm).
  • Trọng lượng nhẹ, thường dưới 100g.
  • Tuổi thọ dài trên 10.000 giờ.
  • Chi phí sản xuất, vận hành thấp.
  • Công suất đầu ra từ vài mW đến vài W tùy loại laser diode.
  • Chùm tia laser hội tụ trong khoảng cách ngắn.
  • Dễ dàng điều khiển và ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.

Nguyên lý hoạt động của laser diode

Nguyên lý làm việc của laser diode thực chất dựa trên hiện tượng phát xạ cưỡng bức và kích thích hỗn loạn trong các vật liệu bán dẫn. Cụ thể như sau:

  • Lõi bán dẫn laser diode được tạo từ các vật liệu thường là hợp kim AlGaAs, InGaAs, InP được thiết kế đặc biệt.
  • Khi được cấp nguồn điện, các electron trong lõi bán dẫn nhận năng lượng và chuyển từ dải năng lượng thấp (dải hàm) sang dải năng lượng cao hơn (dải dẫn).
  • Khi các electron ở dải dẫn chuyển về dải hàm, chúng giải phóng năng lượng dư ra dưới dạng ánh sáng hồng ngoại hoặc ánh sáng nhìn thấy được.
  • Nhưng chỉ trong điều kiện kích thích và phát xạ cưỡng bức, các phôtôn giải phóng mới tạo thành chùm tia laser có năng lượng tập trung, song song và đồng bộ pha.
  • Cấu trúc nhiều lớp trong laser diode chính là để tạo điều kiện phát xạ cưỡng bức và giam giữ ánh sáng bên trong, tăng cường quá trình kích thích hỗn loạn.
  • Kết quả là tạo ra chùm tia laser đồng nhất, đơn sắc với bước sóng riêng tùy theo vật liệu bán dẫn được sử dụng.

Cấu tạo của laser diode

Laser diode hiện đại có cấu tạo tương đối đơn giản nhưng chính xác với các lớp chất bán dẫn khác nhau. Một laser diode gồm:

Cấu trúc nội tại:

  • Lõi hoạt động (active layer): Lớp bán dẫn nơi xảy ra các quá trình phát xạ để tạo laser. Thường làm từ hợp kim như InGaAsP, AlGaAs.
  • Đệm trên và đệm dưới: Các lớp bán dẫn xung quanh lõi hoạt động để hỗ trợ dẫn truyền và phóng electron.
  • Lớp phân cực: Lớp bán dẫn tiếp xúc với đệm để truyền điện áp và làm phân cực các điện tử.

Các lớp thành phần bổ trợ:

  • Lớp phản xạ: Lớp phủ ở hai đầu mẫu, giúp hình thành chùm laser bằng phản xạ quay trở lại lõi.
  • Oxit nhôm: Lớp cách điện để định hình chùm laser được phát ra theo một phương thẳng đứng.
  • Lớp tiếp xúc điện: Lớp kim loại để truyền dòng điện vào mẫu.

Bên ngoài laser diode cũng có thân vỏ bảo vệ, kim loại hoặc nhựa. Nhiều laser diode còn được chế tạo thêm ống dẫn sóng, lõi sóng dẫn hướng laser và bộ phận làm mát.

Các loại laser diode phổ biến

Hiện nay có nhiều loại laser diode khác nhau, với kích thước, công suất đầu ra và ứng dụng khác nhau. Dựa vào màu sắc/bước sóng của chùm laser, ta có thể chia laser diode thành:

1. Laser diode hồng ngoại

Loại phổ biến nhất, bước sóng từ 650nm đến 1650nm có màu đỏ, dùng nhiều trong viễn thông.

2. Laser diode đỏ hồng ngoại

Bước sóng 635nm-650nm, ứng dụng nhiều nhất để đọc đĩa quang học và máy quét mã vạch. Công suất đầu ra từ 5mW đến vài trăm mW.

3. Laser diode đỏ

Bước sóng từ 610nm-635nm, công suất từ 5mW đến dưới 100mW, dùng nhiều trong máy chiếu sạc, hiển thị thị giác và ghi dữ liệu.

4. Laser diode vàng lục

Bước sóng từ 567nm-610nm có công suất lên đến 100mW, dùng trong máy hiển thị ảnh và thiết bị y học.

5. Laser diode tím

Bước sóng từ 395nm-475nm, công suất cao từ 60mW đến 1W, được dùng để quay hình chất lượng cao.

6. Laser diode lục lam

Bước sóng 395nm-477nm, công suất đầu ra khá cao đến 5W, dùng để chiếu sáng ngoài trời.

Ngoài ra, laser diode còn được phân loại dựa trên công suất đầu ra là loại thấp (<5mW), công suất trung bình (5mW-500mW) hoặc công suất cao (trên 500mW)

Ưu nhược điểm của laser diode

Laser Diode là gì

So với các loại laser khác, laser diode có những ưu nhược điểm đáng chú ý sau:

Ưu điểm:

  • Kích thước nhỏ gọn nhẹ, làm việc hiệu quả.
  • Chi phí sản xuất và sử dụng thấp.
  • Tuổi thọ vận hành cao từ 10.000 – 40.000 giờ.
  • Dễ dàng chế tạo và sử dụng nhiều dải sóng ánh sáng laser khác nhau.
  • Dễ dàng ứng dụng nhiều lĩnh vực nhờ chùm laser sắc cạnh cao, bước sóng ổn định.
  • Hầu hết laser diode hoạt động ở điện áp thấp, dòng điện vừa phải nên an toàn.
  • Điều khiển đơn giản, có laser diode hoạt động bằng pin rẻ tiền.

Nhược điểm:

  • Công suất đầu ra còn hạn chế từ vài mW đến vài W (trừ mẫu công suất cao).
  • Chùm tia không được tập trung tốt tại khoảng cách xa.
  • Hiệu suất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ, có thể bị giảm đáng kể khi nhiệt độ quá cao.
  • Một số loại laser diode phát ra bước sóng gây hại cho mắt nếu không được cảnh báo.

Các ứng dụng của laser diode

Nhờ quá trình phát triển không ngừng, laser diode ngày càng có nhiều ứng dụng quan trọng trong nhiều lĩnh vực như:

Viễn thông, mạng truyền dữ liệu
Laser diode hồng ngoại và đỏ được sử dụng phổ biến trong các mạng truyền tín hiệu chính trên cáp quang (80% thị phần) nhờ khả năng phát xạ ánh sáng không bị tắt nghẽn và ít nhiễu tín hiệu.

Đọc ghi dữ liệu đĩa quang (CD, DVD)
Laser diode đỏ là linh kiện quan trọng dùng để đọc/ghi dữ liệu quang học trên đĩa nhựa với các bước sóng cụ thể. Ví dụ bước sóng 785nm cho cdroms, 650nm cho DVD…

Quét mã vạch
Các thiết bị đọc mã vạch sử dụng laser diode công suất thấp, khoảng dưới 5mW để chiếu thẳng vào mã vạch và cảm biến đọc mã dựa trên cường độ sóng phản xạ.

Chiếu sáng sân khấu
Laser diode lục lam sắc nét với công suất cao có thể sản xuất ra nguồn sáng laser chiếu rọi sân khấu, liveshow mạnh mẽ và đẹp mắt.

Máy chiếu sạc
Nhiều loại máy chiếu thông dụng hiện nay sử dụng laser diode đỏ, lục lam, lục vàng làm chùm tia chiếu nhờ chùm sáng ổn định, ít phải điều chỉnh.

Máy quay video
Laser diode tím có công suất mạnh nhất trong dãy laser, rất thích hợp để đưa vào hệ thống quang học trong máy quay video chất lượng cao nhờ khả năng phát xạ nhiễu thấp rất nhỏ.

Máy in laser
Nhiều mô-đun laser diode nhỏ giá rẻ được tích hợp trong máy in laser màu để quét mực qua cửa sổ vô tuyến điện tử trên thân máy.

Điều trị y tế
Laser diode công suất cao như laser lục lam, tím đang được ứng dụng trong phẫu thuật lấy cận để trị bệnh về mắt nhờ tính chính xác cao.

Sản xuất laser diode như thế nào?

Quá trình sản xuất laser diode là một quy trình công nghệ kỹ thuật cao, cần nhiều trang thiết bị, máy móc và kỹ thuật công nghệ lớp mỏng tiên tiến. Quy trình cụ thể như sau:

Chọn vật liệu bán dẫn
Thường sử dụng đa tinh thể bán dẫn các hợp kim như: AlGaAs, InGaAsP, InP với độ tinh khiết cao và hợp thành lớp dày từ 0,1- 1μm.

Chế tạo cấu trúc tinh thể
Quá trình chế tạo các lớp mỏng bán dẫn lên trên nền dẫn là công đoạn quan trọng nhất. Thông qua phương pháp nuôi tinh thể bằng phương pháp hơi phân tử (MBE) hoặc lắng đọng hơi hóa lý (MOVPE), ta có được các cấu trúc tinh thể cần thiết.

Xác định hình dạng và tạo lạc
Sau đó cấu trúc tinh thể được xác định hình dạng cụ thể của laser diode như dạng dải, sợi hay dạng sao sau đó được tạo lạc ở hai đầu để tạo ra ống dẫn sóng laser.

Chế tạo điện cực
Một bước quan trọng nữa là chế tạo các điện cực đặc biệt để truyền dòng điện vào cấu trúc bán dẫn. Hiệu suất phát xạ của laser diode phụ thuộc nhiều vào quá trình này.

Đóng gói và thử nghiệm

Laser Diode là gì
Hoàn thiện bằng cách đóng gói laser diode vào vỏ bảo vệ bằng nhôm hoặc nhựa sau đó đi vào quá trình thử nghiệm tuân theo các tiêu chuẩn về bước sóng, công suất, hiệu suất phát xạ…

Từ đó sẽ có các laser diode sản phẩm được thương mại hóa. Quá trình trên còn có nhiều phụ trợ khác như kiểm soát chất lượng và nhiệt độ quá trình, xử lý bề mặt.

Laser diode là thành tựu kỹ thuật cao, hội tụ nhiều thành quả khoa học tiên tiến về vật lý bán dẫn, quang học, khoa học vật liệu… Do đó, để sản xuất được laser diode, cần có một quy trình công nghệ chuyên biệt với nhiều trang thiết bị hiện đại, chi phí và nguồn nhân lực cao.

Laser diode là loại laser nhỏ gọn, hiệu quả được chế tạo từ các vật liệu bán dẫn đặc biệt. Chúng có cơ chế phát xạ hoàn toàn khác với các loại laser khác thông qua việc kích hoạt điện tử trong bán dẫn, giải phóng ánh sáng đơn sắc với năng lượng tập trung.

Với quá trình phát triển không ngừng, laser diode ngày càng có nhiều ứng dụng đa dạng từ mạng truyền dữ liệu, viễn thông đến máy quét, đọc ghi dữ liệu và điện tử tiêu dùng. Một số loại laser diode công suất cao thậm chí còn được ứng dụng trong y học, quang học hiện đại. Đây chính là minh chứng cho thấy tầm quan trọng của laser diode với ngày càng nhiều lĩnh vực khác nhau.

Để được tư vấn chi tiết, hãy liên hệ với các chuyên gia của Cơ Khí Việt Hàn ngay hôm nay:
CÔNG TY TNHH ĐT TM  SẢN XUẤT VÀ XUẤT NHẬP KHẨU VIỆT HÀN
  • Địa chỉ: Số 100/B3 Nguyễn Cảnh Dị, KĐT Đại Kim, Hoàng Mai, HN
  • Điện thoại: 02466 870 468 – Hotline: 0917 014 816 / 0979 293 644
  • Email: cokhiviethan.hanoi@gmail.com | bulongviethan@gmail.com

Trả lời

Email của bạn sẽ không được hiển thị công khai. Các trường bắt buộc được đánh dấu *

Ngôn ngữ khác / Language Change »
Contact Me on Zalo
0979 293 644