Was macht eine LED zu einer Laserdiode?

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Eine hochrangige Umfrage zu dieser Frage ist in Ordnung:

Nach dem Lesen von https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode kann ich immer noch nicht feststellen, ob sich die Elektronik, die das Lasen einer Diode ermöglicht, von der unterscheidet, die das Emittieren von Licht ermöglicht. Ist eine Laserdiode im Allgemeinen eine LED und eine Art optischer Resonator oder Hohlraum?

Oder sind alle Laserdioden selbst elektronisch unterscheiden sich von Nicht-Laser-LEDs, was bedeutet , sie sehen nicht wie eine LED und einige zusätzliche physikalische Struktur, damit sie als Laser handeln?

Füße
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Wissen Sie, was Licht zum Laser macht?
Eugene Sh.
Denk darüber nach. LEDs setzen bereits fast reine Lichtfarben frei. Eine "Laser" -LED erzeugt eine ultrareine Lichtfarbe. Haben Sie sich die Mühe gemacht, nach dem Begriff "LED-Laser" zu suchen?
Sparky256
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@ Sparky256 - Ja, dieser Begriff befindet sich in meinem Suchverlauf. Vielen Dank auch für den Vorschlag, dass ich "darüber nachdenke". Das war so hilfreich, dass ich es auf Fragen anwenden werde, die ich in Zukunft habe!
Feetwet
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@EugeneSh. - Nein, aber ich kenne die Eigenschaften von Laserlicht.
Feetwet

Antworten:

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Ich kann immer noch nicht sagen, ob die Elektronik, die eine Diode aktiviert, sich von der unterscheidet, die Licht emittiert

Es ist nicht die Elektronik, es ist der optische Hohlraum.

Wenn das optische Signal durch das Verstärkungsmedium (den PN-Übergang) zurückgeführt wird, so dass der Umlaufverlust nicht mehr als der Umlaufgewinn beträgt, beginnt eine "LED" zu leuchten.

Der Hohlraum einer Laserdiode kann durch gespaltene Facetten auf der Oberfläche des Chips, in den Chip gemusterte Bragg-Reflektoren oder sogar äußere Linsen und / oder Spiegel gebildet werden.

Im Allgemeinen enthält eine als Laserdiode konzipierte Vorrichtung auch eine Wellenleiterstruktur auf dem Chip (und überlappt den Übergang), um einen geringen Umlaufverlust zu ermöglichen, während eine als LED konzipierte Vorrichtung keine eindeutige Wellenleiterstruktur aufweist, obwohl dies der Fall ist auch so etwas wie eine Resonanzhohlraum-LED (RCLED).

Das Photon
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Interessant. Ich kann anhand einer Schnellsuche nicht erkennen, was RCLEDs auszeichnet: Werden Laserdioden im Wesentlichen unterhalb der Laserschwelle betrieben? Oder erzeugen sie einige, aber nicht alle Eigenschaften von Laserlicht?
Feetwet
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Es gibt eine 'High Efficiency'-Kategorie von LEDs. Es liegt flach und ist rund wie ein winziger Oreo-Keks, der Licht von allen Seiten ausstrahlt. Es befindet sich in einer mit Gold ausgekleideten Schale, die alles Licht auf die Linse reflektiert. Das Objektiv bestimmt den Theta oder Betrachtungswinkel.
Sparky256
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Außerdem: Laserdioden, die bis zu einem Punkt überlastet sind, an dem die optische Hohlraumstruktur aufgebrochen ist, funktionieren weiterhin wie normale LEDs!
Rackandboneman
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@rackandboneman oder natürlich unter der Schwelle. Viele billige altern auch ohne Überladung, bis sie nicht mehr lasen.
Chris H
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Meine eingeschränkte Lektüre zeigt, dass RCLEDs sich im Vergleich zu normalen LEDs durch ein viel engeres Emissionsspektrum auszeichnen - aber dann bin ich ein Spektroskopiker und neige dazu, Dinge von dieser Seite aus zu sehen. Es ist interessant, dass es keinen englischen Wikipedia-Artikel gibt, und der deutsche ist kaum mehr als ein Stummel.
Chris H
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LED: Die Spannung an der Diode hebt die freien Elektronen über die Bandlücke auf ein höheres Niveau. Sie strahlen Licht aus, wenn sie in die untere Ebene zurückfallen. Aufgrund der Regeln der Quantenmechanik ist dies spontan zufällig, wenn keine anderen Maßnahmen ergriffen werden. Die Freiheitsgrade in einer LED ermöglichen variable Wellenlängen (Frequenzen) und Zeitpunkte. Die emittierten Photonen sind also "inkohärent".

LASER: Die Freiheitsgrade für die Photonen werden entfernt. Der optische Hohlraum erlaubt nur eine (oder sehr wenige) Wellenlängen (Faktoren der Resonatorlänge). Und die zuvor emittierten "vorbeiziehenden" Photonen stimulieren die Emission des neuen Photons. Die meisten Photonen haben also die gleiche Phase und Frequenz. Sie sind "kohärent".

Obwohl die LED bereits eine sehr geringe Variation der Wellenlänge aufweist, reduziert die LASER-Optik diese Variation. Der kontraintuitive Aspekt eines LASERS stammt aus der Quantenmechanik. Man könnte denken, dass ein Photon spontan emittiert wird und dann in Resonanz gerät, wenn es die richtige Wellenlänge hat, die zur Geometrie des Resonators passt. Aufgrund der quantenmechanischen Geometrie der LASER- (Diode) ist es jedoch sehr unwahrscheinlich, dass ein Photon spontan oder bei einer anderen Wellenlänge emittiert wird.

Joachim
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Meine Verwirrung kommt in Ihrem letzten Absatz: Ist etwas am pn-Übergang selbst in einem Diodenlaser anders? Ist der zugrunde liegende Reiz für beide Dioden eine spontane Photonenemission, und verstärkt im Laser die um diesen Übergang herum aufgebaute Geometrie diese spontanen Emissionen so stark, dass die überwiegende Mehrheit der Photonen durch Stimulation emittiert wird? Oder ist der Übergang selbst in einer Laserdiode so unterschiedlich, dass die Anzahl und / oder Wellenlänge spontan emittierter Photonen auch unterhalb der Laserschwelle begrenzt wird ?
Feetwet
Beim ersten Einschalten der Laserdiode gibt es keine Photonen, die die Emission stimulieren könnten. So entstehen zunächst spontane Emissionen. Dann gehen diese in der optischen Kavität hin und her und stimulieren die Emission von mehr Photonen und die stimulierte Emission wird schnell dominierend.
Joachim
Im Nachhinein: Die stimulierte Emission wird möglicherweise nicht "dominierend". Spontane Emissionen werden weiterhin auftreten, das Ziel ist jedoch ein hoher Prozentsatz an stimulierter Emission, da dies den Wirkungsgrad der Laserdiode definiert.
Joachim
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Die in meinem ersten Kommentar geforderte Klarstellung ist mir immer noch unklar: Es hört sich so an, als ob Sie sagen: "Ja, der Kern einer Laserdiode ist (oder kann) ein pn-Übergang wie jede andere Leuchtdiode, die von funktioniert spontane Emission: Was die Diode zu einem Laser macht, sind zusätzliche Hardware-Merkmale (die wir als optische Kavität bezeichnen ), mit denen diese spontanen Photonen mehr Photonen stimulieren können. " Ist das richtig? Oder ist eine Laserdiode nur eine elektrisch gepumpte optische Kavität, die zufällig einige Photonen spontan erzeugt und sich damit grundlegend von der "üblichen" LED unterscheidet?
Feetwet
Der Laser arbeitet durch stimulierte Emission, nicht durch spontane Emission. Vielleicht möchten Sie schauen: learnabout-electronics.org/Semiconductors/diodes_26.php
Joachim
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Ein Diodenlaser ist eine LED in einem optischen Hohlraum.

Diodenlaser sind insofern cool, als sie ein paar Laserregeln "verletzen":

  1. Der Gewinn von Halbleitern ist so groß, dass sie, obwohl der Radius der Facetten, die den Hohlraum bilden, sehr groß ist (dh im Wesentlichen flach ist), immer noch verliert. (Die Lasergleichung sagt voraus, dass eine unendliche Verstärkung erforderlich ist, damit ein Paar ebener Flächen lasert.)

  2. Es gibt einen Beweis, dass mindestens drei Energieniveaus erforderlich sind, damit ein gepumptes Medium geladen werden kann, aber Halbleiterlaser haben nur zwei (weil sie nicht optisch gepumpt, sondern elektrisch gepumpt sind).

user1512321
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Zu # 2: Wäre es richtig zu sagen, dass Diodenlaser "optisch selbstgepumpt " sind? Wenn ich es verstehe: Die stimulierten Emissionen werden durch Photonen von der LED selbst "stimuliert", oder?
Feetwet
Hast du ein paar Quellen?
Peter Mortensen
Anstatt optisch zu pumpen, werden sie elektrisch gepumpt. "Pumpen" ist der Vorgang des Anhebens der Elektronen über die Bandlücke, aus der sie abfallen und Photonen emittieren können.
Joachim
@ Joachim Korrigiert, um zu sagen, dass sie elektrisch gepumpt sind.
user1512321
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@feetwet Bei allen Lasern muss die Emission "stimuliert" werden. das sind Photonen, die angeregte Photonen abschlagen. Ich beziehe mich hier auf das "Pumpen" des Prozesses, Elektronen in einen angeregten Zustand zu versetzen. Um einen Laser zu lasern, gibt es mehrere Bedingungen. Eine davon ist, dass das Verstärkungsmedium so stark gepumpt wird, dass es mehr angeregte Elektronen gibt als Elektronen mit niedrigerem Zustand - Besetzungsumkehr - sonst müssten mehr Photonen absorbiert werden, um Elektronen in höhere Zustände zu versetzen als stimulieren mehr Photonen aus.
user1512321
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Damit ein zu einem „Laser“ LED in Betracht gezogen wird, muss das Design so sein , dass eine bestimmte Menge des Lichts erzeugt sie reflektiert werden muß zurück auf mich selbst, durch optische (oder elektrisch) Mittel, so dass neu erzeugt (via Stimulation ) Photonen sind "im Gleichschritt" mit den vorhergehenden, wodurch ein kohärenter Photonenstrahl erzeugt wird.
Die Erfüllung der S timulierten E Mission of R Radiation-Anforderung macht es zu einem Laser !

Guill
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