Mesin Laser Dioda

Jenis Mesin Laser Dioda

Laser dioda pemancar tepi
Laser dioda pemancar tepi memancarkan sinar laser dari tepi chip semikonduktor. Mereka memancarkan cahaya sejajar dengan permukaan chip. Laser dioda pemancar tepi dibentuk dari chip yang terbuat dari gallium arsenide (GaAs), indium fosfida (InP), atau gallium nitride (GaN). Chip ini terdiri dari dua (atau lebih) lapisan, termasuk daerah penipisan muatan (aktif) di persimpangan pn, tempat terjadinya efek laser.

Dioda pemancar tepi dapat memberikan tingkat daya optik yang tinggi, mulai dari miliwatt hingga sepuluh watt atau lebih. Mereka juga menunjukkan efisiensi listrik yang lebih tinggi dibandingkan dengan kebanyakan jenis laser dan dioda laser lainnya. Laser ini digunakan di sebagian besar bidang: telekomunikasi, penyimpanan data optik, pemindaian kode batang, pencetakan laser, penginderaan optik, peralatan medis, dan sistem laser industri.

Laser dioda pemancar permukaan rongga vertikal (VCSED).
Perangkat VCSED lebih sering disebut laser pemancar permukaan rongga vertikal (VCSEL). Ini adalah kelas dioda laser semikonduktor yang memancarkan sinar laser tegak lurus permukaan chip, melalui permukaan atas chip. VCSEL dibentuk dari chip sambungan pn dengan rongga vertikal, terdiri dari dua cermin reflektor Bragg yang terdistribusi. Wilayah aktif, tempat cahaya dipicu oleh pembatalan muatan, berada di tengah-tengah cermin ini. Jenis laser ini umumnya mengisi wilayah aktif dengan sumur kuantum atau struktur penginduksi penguatan serupa. Cahaya dipancarkan tegak lurus terhadap permukaan chip sebagai sinar melingkar atau elips dengan profil yang jelas dan simetris. Profil berkas ini merespons kolimasi dengan baik, dengan divergensi yang relatif rendah.

Perangkat ini memiliki beberapa keunggulan dibandingkan laser dioda pemancar tepi. Arus ambang batasnya rendah, memungkinkan efisiensi listrik yang tinggi pada tingkat daya yang rendah. Perangkat dengan profil sinar melingkar sangat cocok untuk digabungkan dengan serat optik. Keuntungan utama dari VCSEL adalah bahwa mereka dapat diproduksi pada skala wafer, sehingga menghasilkan biaya produksi yang lebih rendah dan keseragaman yang lebih tinggi dibandingkan perangkat yang dibuat secara individual.

Laser VCSED tersedia untuk memancarkan berbagai panjang gelombang, dari inframerah menengah hingga inframerah dekat, dan juga cahaya tampak. Panjang gelombang keluaran dihasilkan dari pemilihan material, desain sambungan, dan bentuk rongga resonansi. Mereka banyak digunakan dalam: jaringan serat optik, interkoneksi optik, dan sistem transmisi data berkecepatan tinggi. Mereka juga digunakan dalam penginderaan 3D untuk pengenalan wajah dan penginderaan kedalaman pada perangkat seluler, dan dalam aplikasi optik dan penginderaan yang lebih umum seperti mouse optik, printer laser, dan pemindai 3D.

Laser umpan balik terdistribusi (DFB).
Laser DFB (umpan balik terdistribusi) memiliki struktur yang mirip dengan laser semikonduktor lainnya. Namun, penyertaan struktur kisi periodik dalam wilayah aktif, atau pandu gelombang eksternal, adalah unik untuk kelas ini. Kisi umpan balik terdistribusi terdiri dari variasi periodik dalam indeks bias wilayah pandu gelombang, menghasilkan modulasi periodik dari profil penguatan. Ini bertindak sebagai mekanisme umpan balik, memaksa umpan balik/amplifikasi optik pada panjang gelombang yang dipilih sambil menekan mode lainnya. Artinya, perangkat ini menghasilkan cahaya pada panjang gelombang tertentu dengan kemurnian spektral tinggi dan lebar garis sempit. Ini ideal untuk komunikasi serat optik berkecepatan tinggi, penginderaan, dan berbagai aplikasi spektroskopi dan metrologi resolusi tinggi.

Laser DFB juga dapat dirancang untuk penyesuaian panjang gelombang dalam rentang terbatas. Hal ini dihasilkan dari penyetelan suhu, penyetelan arus, atau mekanisme umpan balik eksternal yang memungkinkan penyesuaian indeks bias.

Laser kaskade kuantum (QCL)
Laser kaskade kuantum (QCL) menggunakan transisi kaskade kuantum antara tingkat energi dalam beberapa sambungan semikonduktor sebagai sumber laser. QCL dibangun dari beberapa sumur kuantum, dengan penghalang yang dibentuk oleh lapisan semikonduktor dari berbagai celah pita. Ketika arus bias maju diterapkan, elektron dan lubang bergerak melalui beberapa tingkat energi terkuantisasi, menghasilkan foton secara efisien pada setiap transisi. Mereka memberikan emisi di wilayah spektrum elektromagnetik inframerah-tengah dan terahertz dan dapat memancarkan rentang panjang gelombang yang luas di wilayah ini. Mayoritas teknologi laser inframerah-tengah memerlukan pendinginan kriogenik, sedangkan QCL beroperasi pada suhu ruangan, sehingga ideal untuk aplikasi yang memerlukan rentang frekuensi ini. Menghasilkan tingkat daya optik yang tinggi membuatnya cocok untuk aplikasi energi yang lebih tinggi, menghadirkan mode gelombang kontinu (CW) dengan output yang sangat stabil.

Penyetelan panjang gelombang emisi yang relatif sederhana dicapai dengan menyesuaikan ketebalan lapisan dan tegangan bias, menjadikannya ideal untuk aplikasi analisis spektroskopi yang memerlukan berbagai panjang gelombang. Mereka juga digunakan untuk pemantauan lingkungan, sistem diagnostik medis, penginderaan jauh, dan komunikasi ruang bebas.

Laser dioda rongga eksternal (ECDL)
ECDL adalah format perangkat yang menggunakan rongga eksternal, biasanya reflektor atau kisi eksternal, untuk memperkuat keluaran laser dan mengontrol karakteristiknya. ECDL memungkinkan peningkatan kemampuan merdu, lebar garis yang sempit, dan kontrol panjang gelombang yang presisi dibandingkan dengan format laser dioda lainnya. Mereka memiliki struktur yang mirip dengan laser dioda lainnya, dengan sambungan pn bias maju dan daerah aktif tempat foton dipancarkan. Rongga eksternal ditambahkan ke laser untuk memberikan umpan balik optik yang memungkinkan penyetelan frekuensi emisi secara presisi. Rongga ini menampung reflektor, kisi, atau struktur optik lainnya yang memantulkan sebagian sinar kembali ke dalam rongga.

ECDL dapat memfasilitasi lebar garis yang lebih sempit, dibandingkan dengan jenis laser dioda lainnya. Rongga eksternal menekan mode longitudinal dan noise optik yang tidak diinginkan, menghasilkan koherensi yang lebih baik dan pancaran garis lebar yang lebih sempit. Perangkat kelas ini ideal untuk aplikasi yang memerlukan kemurnian spektral tinggi untuk kuantisasi optik yang sangat presisi.

ECDL menghasilkan kemampuan penyesuaian panjang gelombang yang jauh lebih baik, dibandingkan dengan kebanyakan laser dioda. Panjang gelombang laser dapat disetel secara tepat dengan menyesuaikan secara halus posisi atau sudut datang reflektor atau kisi eksternal. Hal ini memungkinkan spektrum aplikasi yang luas dalam bidang spektroskopi, fisika atom dan molekul, serta metrologi. Keuntungan dari desain yang baik pada rongga resonansi eksternal adalah bahwa penyesuaian frekuensi emisi dapat bebas mode-hop—yaitu, penyesuaian halus dapat dilakukan antara panjang gelombang yang diinginkan, tanpa perubahan langkah yang asimtotik dan mengganggu.

Laser dioda tirus
Laser dioda tirus (atau amplifier tirus; laser tirus) adalah kelas laser dengan rongga amplifikasi meruncing. Laser ini menghasilkan keluaran daya yang tinggi, kualitas sinar yang baik, dan efisiensi listrik yang tinggi. Wilayah meruncing ini lebih luas pada ujung masukan dan secara bertahap menyempit menuju ujung keluaran. Tapering ini berfungsi untuk meningkatkan lebar pancaran dan mengurangi kepadatan optik pada wilayah amplifikasi laser.

Bagian amplifikasi yang meruncing memungkinkan peningkatan area mode, memungkinkan ekstraksi daya optik yang lebih tinggi. Ini juga membantu meningkatkan kolimasi kualitas sinar pada keluaran. Taper juga meningkatkan efisiensi pemanfaatan energi pompa yang diterapkan. Manfaat lain dari lancip adalah meningkatkan spektrum penguatan, sehingga memungkinkan rentang panjang gelombang yang lebih luas pada keluarannya. Tunabilitas ini adalah fitur yang sangat berharga di kelasnya. Perangkat ini banyak digunakan dalam pemrosesan material, pengukiran laser, dan pemompaan laser (untuk laser gas dan solid-state berkekuatan tinggi). Daya tinggi dan kualitas pancarannya yang baik menjadikannya cocok untuk aplikasi berat yang mengutamakan presisi, kecepatan, dan daya.

Laser dioda superluminescent (SLD).
Laser SLD (superluminescent diode), juga dikenal sebagai sumber emisi spontan yang diperkuat (ASE), adalah jenis laser yang menggabungkan sifat dioda laser dan LED. Mereka menghasilkan cahaya spektrum luas dengan intensitas tinggi, sehingga cocok untuk aplikasi tertentu dalam pencitraan, penginderaan serat optik, dan telekomunikasi. Laser SLD menghasilkan cahaya yang tidak koheren melalui emisi spontan yang diperkuat. Perangkat ini menghasilkan bandwidth cahaya yang luas, mulai dari puluhan hingga ratusan nanometer, menjadikan SLD cocok untuk aplikasi yang memerlukan rentang spektral lebar atau pencitraan resolusi tinggi. SLD menghasilkan keluaran yang sangat terang, yang merupakan ukuran daya optik per satuan sudut padat dan satuan bandwidth panjang gelombang. Kecerahan tinggi dihasilkan dari penguatan emisi spontan dan amplifikasi optik. Outputnya memiliki panjang koherensi yang pendek dibandingkan dengan laser konvensional. Ini adalah jarak dimana gelombang elektromagnetik mempertahankan hubungan fasanya. Hal ini membuatnya cocok untuk aplikasi yang memerlukan interferensi koherensi rendah atau pencitraan dengan resolusi kedalaman. SLD digunakan dalam tomografi koherensi optik (OCT), penginderaan serat optik, spektroskopi, pencitraan biomedis, metrologi optik, dan pengujian optik. Mereka sangat berharga dalam sistem OCT untuk pencitraan jaringan dan bahan biologis beresolusi tinggi.

Laser heterostruktur ganda
Laser heterostruktur ganda (DH) adalah cabang dari keluarga dioda laser yang mengintegrasikan heterostruktur yang meningkatkan kinerja teknologi. Laser DH memiliki arus ambang batas yang lebih rendah, efisiensi yang lebih tinggi, dan daya keluaran yang meningkat, dibandingkan dengan konstruksi homojunction pada umumnya.

Laser DH dirakit dari dua sambungan pn yang dibentuk dalam tiga lapisan. Zona deplesi (bagian tengah, lapisan tipe-n) digabungkan antara dua lapisan tipe-p dengan celah pita yang lebih lebar. Konfigurasi ini menciptakan pengekangan pembawa yang efisien dan mode optik bebas kebocoran, sehingga meningkatkan efisiensi listrik dan kinerja secara keseluruhan. Peningkatan pengurungan pembawa membantu meningkatkan kepadatan dan rekombinasi pembawa, sehingga menghasilkan perolehan yang lebih tinggi dan peningkatan efisiensi operasional di sebagian besar aspek. Manfaat kedua adalah heterostruktur menginduksi pengekangan optik, sehingga meningkatkan interaksi materi cahaya. Arus ambang batas yang lebih rendah dihasilkan dari kebocoran pembawa muatan yang lebih rendah, sehingga memungkinkan laser mencapai ambang batas permulaan penguat pada tingkat arus yang lebih rendah.

Perangkat ini banyak digunakan dalam telekomunikasi, perangkat data optik, pencetakan laser, dan sistem pengukuran berkemampuan laser. Mereka sangat berharga dalam komunikasi serat optik jarak jauh di mana efisiensi tinggi, arus ambang batas rendah, dan keluaran tinggi bermanfaat.

Laser dioda sumur kuantum
Laser dioda sumur kuantum adalah rangkaian perangkat yang mengandung struktur kuantum baik yang meningkatkan sifat optik/listrik. Mereka mencapai arus ambang batas yang lebih rendah, efisiensi daya yang lebih tinggi, dan kontrol panjang gelombang yang lebih baik, dibandingkan dengan perangkat yang lebih mendasar. Perangkat ini dibuat dari struktur berlapis wafer semikonduktor tipis dengan celah pita yang lebih sempit, terbungkus dalam lapisan celah pita yang lebih tinggi. Lapisan sumur kuantum menciptakan wilayah pengurungan bagi pembawa dan foton yang dihasilkan, sehingga meningkatkan amplifikasi optik. Pembawa terbatas mencapai kepadatan yang lebih tinggi di wilayah sumur kuantum, yang memfasilitasi peningkatan penggunaan pembawa untuk emisi terstimulasi, sehingga menghasilkan peningkatan efisiensi konversi daya. Mereka memungkinkan kontrol yang tepat atas panjang gelombang yang dihasilkan, dengan menyesuaikan lebar dan komposisi sumur. Hal ini memungkinkan panjang gelombang emisi disetel secara tepat ke spesifikasi yang menuntut.

Laser dioda sumur kuantum terkenal dengan keluaran lebar garis yang sempit. Penekanan kompetisi mode longitudinal dan pengurangan noise optik menghasilkan koherensi yang lebih baik dan perilaku spektral yang lebih sempit. Format perangkat ini sangat bermanfaat dalam bidang telekomunikasi, penyimpanan data optik, pencetakan laser, dan diagnostik medis. Sumber radiasi yang ringkas dan efisien untuk komunikasi serat optik sangat penting dalam bandwidth tinggi dan serat optik jarak jauh.

Laser mode longitudinal tunggal (SLM).
Laser mode longitudinal tunggal (SLM) memancarkan cahaya untuk menghasilkan keluaran frekuensi atau panjang gelombang tunggal dengan koherensi tinggi dan lebar garis sempit. Laser SLM menerapkan berbagai teknik seperti elemen pemilihan mode, metode stabilisasi frekuensi, dan optimalisasi desain rongga untuk mencapai keluaran mode tunggal ini. Penekanan mode longitudinal yang mengganggu menghasilkan keluaran yang sangat koheren dengan spektrum frekuensi yang sempit.

Laser SLM digunakan di berbagai bidang seperti telekomunikasi, penginderaan serat optik, metrologi, spektroskopi, dan interferometri serta sebagai alat penelitian, karena koherensinya yang tinggi, kontrol panjang gelombang yang tepat, dan lebar garis yang sempit.

Laser kaskade antar pita
Laser kaskade antarband (ICL) beroperasi pada transisi antarband antara pita elektronik berbeda dalam wilayah aktif. Mereka memberikan operasi yang efisien dan berkinerja tinggi dalam spektrum panjang gelombang inframerah menengah. ICL mendapat manfaat dari transisi interband antara pita energi dalam setiap wafer, memanfaatkan transisi berjenjang antara beberapa tahap/sumur kuantum untuk mencapai peningkatan penguatan optik dan emisi laser. Laser dioda konvensional mengandalkan transisi intraband yang lebih terbatas. Mereka umumnya dirancang untuk menghasilkan radiasi dalam panjang gelombang inframerah menengah, antara 3 hingga 12 mikrometer. Beberapa tahapan sumur kuantum dihubungkan secara elektrik dalam konfigurasi bertingkat. Setiap tahap berpartisipasi dalam proses penguatan, menghasilkan amplifikasi optik yang lebih tinggi daripada perangkat sambungan tunggal.

ICL memberikan arus ambang batas yang sangat rendah untuk permulaan penguatan. Transportasi dan pemanfaatan operator dengan efisiensi yang lebih tinggi menghasilkan konsumsi daya yang lebih rendah. ICL diterapkan pada penginderaan gas, analisis kimia, pemantauan lingkungan, pengendalian proses industri, dan komunikasi optik ruang bebas. Radiasi inframerah-tengah berguna untuk mendeteksi dan mengukur polutan tertentu.

Pisahkan laser heterostruktur kurungan
Laser kurungan terpisah heterostruktur (SCH) menggunakan desain heterostruktur untuk meningkatkan sifat optik dan listrik. Hal ini menghasilkan pengurangan kehilangan optik, peningkatan pengekangan pembawa, dan peningkatan kinerja keseluruhan dibandingkan dengan laser homojunction pada umumnya. Laser SCH menggabungkan beberapa wafer dengan celah pita yang bervariasi untuk membentuk heterostruktur yang lebih kompleks. Lapisan penipisan diapit oleh lapisan celah pita yang lebih lebar. Kompleksitas ini memungkinkan peningkatan pengurungan pada operator dan mode optik.

Peningkatan pengekangan dan pengurangan kebocoran optik dihasilkan dari lapisan kelongsong yang memerangkap aktivitas optik dan pembawa muatan dalam wilayah aktif. Mengurangi kebocoran pembawa khususnya berkontribusi terhadap peningkatan arus ambang batas dan efisiensi listrik. Pada gilirannya, hal ini meningkatkan kinerja, dibandingkan dengan laser homojunction, dengan meningkatkan stabilitas suhu, bandwidth modulasi yang lebih tinggi, dan penyimpangan panjang gelombang yang bergantung pada suhu. Laser SCH sangat berguna dalam aplikasi yang memerlukan efisiensi dan stabilitas suhu. Teknologi ini cocok untuk aplikasi umum seperti telekomunikasi, penyimpanan data optik, pencetakan laser, penginderaan optik, dan penelitian berbasis laser, namun teknologi ini khususnya cocok untuk lingkungan yang lebih keras dan sistem komunikasi serat optik.

Laser reflektor bragg terdistribusi (DBR).
Perangkat reflektor Bragg terdistribusi (DBR) adalah perangkat yang menggabungkan reflektor Bragg terdistribusi yang terintegrasi ke dalam rongga amplifikasi. Aspek ini memungkinkan kontrol frekuensi pancaran yang tepat dan filtrasi sempit untuk kemurnian dan seleksi spektral yang baik. Kisi Bragg terdiri dari lapisan bahan indeks bias tinggi dan rendah yang berselang-seling yang berfungsi sebagai cermin selektif panjang gelombang. Struktur ini memantulkan cahaya dari semua panjang gelombang yang tidak dipilih sekaligus memungkinkan radiasi yang diinginkan merambat melalui rongga amplifikasi. Struktur ini memberikan selektivitas panjang gelombang yang tepat, dan dengan menyesuaikan periode kisi atau pasangan indeks bias, panjang gelombang yang dipancarkan dapat disesuaikan pada suatu rentang. Hal ini memfasilitasi penyesuaian dan kompatibilitas dengan berbagai aplikasi, termasuk sistem penggandaan pembagian panjang gelombang (WDM) dan tomografi koherensi optik (OCT).

Laser DBR memberikan keluaran lebar garis yang sempit sebagai hasil dari umpan balik terdistribusi dari kisi Bragg. Kisi tersebut menekan mode longitudinal yang tidak diinginkan dan menghasilkan emisi mode tunggal dengan lebar spektral sempit. Perangkat ini memberikan rasio penekanan mode sisi tinggi (HSMSR) yang bermanfaat, yang mewakili perbedaan daya antara mode laser yang diinginkan dan mode tetangga, memberikan ukuran selektivitas, kemurnian spektral, dan lebar garis yang sempit.

Laser DBR digunakan dalam telekomunikasi, penginderaan serat optik, spektroskopi, metrologi, dan tomografi koherensi optik. Mereka digunakan sebagai sumber cahaya yang presisi dan stabil dalam berbagai sistem yang memerlukan panjang gelombang tertentu, lebar garis sempit, dan kemurnian spektral tinggi.

Laser pemancar permukaan rongga eksternal vertikal
Laser pemancar permukaan rongga eksternal vertikal (VECSEL) adalah jenis perangkat laser khusus yang menggabungkan fitur menguntungkan dari laser pemancar permukaan rongga vertikal (VCSEL) dan laser dioda rongga eksternal (ECDL). Hal ini menghasilkan fitur unik seperti daya keluaran tinggi, kemampuan penyesuaian panjang gelombang, dan kualitas sinar yang sangat baik.

VECSEL memiliki rongga laser yang berorientasi vertikal, sehingga cahaya dipancarkan tegak lurus terhadap permukaan chip. Desain vertikal ini memungkinkan pembuangan panas yang efisien dan kontrol yang tepat atas pancaran sinar. Konfigurasi rongga eksternalnya dibuat dari permukaan reflektif tambahan yang ditempatkan di luar struktur chip. Hal ini memungkinkan kontrol panjang gelombang, pembentukan sinar, dan penskalaan daya. VECSEL mampu menghasilkan daya keluaran yang lebih tinggi daripada VCSEL karena konfigurasi rongga eksternal meningkatkan pembuangan panas. Tunabilitas panjang gelombang yang tepat pada rentang spektral yang luas dicapai dengan mengubah posisi cermin rongga eksternal atau menyesuaikan suhu pengoperasian perangkat. Melalui penggunaan rongga eksternal yang dirancang secara presisi, VECSEL menghasilkan keluaran berkualitas tinggi dengan sudut divergensi rendah dan profil sinar seragam.

VECSEL digunakan dalam penelitian ilmiah, pemrosesan material, diagnostik medis, penginderaan optik, dan telekomunikasi. Mereka melayani aplikasi presisi seperti spektroskopi laser, pendinginan laser dan perangkap/manipulasi atom, ablasi laser, dan komunikasi optik berkecepatan data tinggi.

Laser mode multi-longitudinal (MLM).
Laser mode multi-longitudinal (MLM) menawarkan fasilitas pancaran yang tidak biasa pada beberapa pita frekuensi yang berjarak dekat namun sempit, pada spektrum yang relatif luas. Mode longitudinal dalam laser MLM memiliki jarak yang sempit. Jaraknya bergantung pada desain fungsional rongga resonansi seperti panjangnya dan indeks bias media laser. Spektrum emisinya yang luas disebabkan oleh adanya berbagai mode ini. Lebar spektral dan distribusi mode timbul karena desain rongga dan sambungan serta kondisi pengoperasian.

Laser MLM digunakan dalam spektroskopi, metrologi, interferometri, dan telekomunikasi. Mereka terutama berlaku untuk tomografi koherensi optik (OCT), yang memungkinkan pencitraan resolusi tinggi, yang dihasilkan dari interferensi beberapa mode longitudinal.

Penerapan Mesin Laser Dioda

Cara Merawat Mesin Laser Dioda

Bagaimana Cara Kerja Laser Dioda

Laser dioda bekerja dengan menstimulasi emisi foton pada sambungan semikonduktor. Bahan semikonduktor memiliki celah pita energi spesifik yang memicu pembangkitan dan penguatan cahaya koheren. Dioda terdiri dari sambungan pn. Daerah tipe-n menghasilkan kelebihan pembawa bermuatan negatif (elektron) sedangkan daerah tipe-p menghasilkan kelebihan pembawa bermuatan positif (lubang). Persimpangan tersebut membentuk daerah penipisan antara kedua material. Ketika tegangan bias maju (+ve ke material p dan -ve ke material n) diterapkan melintasi persimpangan, arus mengalir. Hal ini menyebabkan pembawa muatan bergerak melintasi persimpangan. Elektron dari daerah n dan lubang dari daerah p disuntikkan ke daerah penipisan. Ini bertemu dan menetralisir, melepaskan foton untuk setiap muatan yang dibatalkan.

Laser dioda dirancang dengan permukaan reflektif di ujungnya, membentuk "rongga optik". Foton memantul secara internal, dan umpan balik optik meningkatkan emisi terstimulasi dan menghasilkan cahaya koheren pita sempit. Stimulasi emisi juga terjadi ketika foton berinteraksi dengan elektron yang tereksitasi, menyebabkannya memancarkan foton lain. Foton tambahan ini identik dengan foton pemicu, yang menyebabkan amplifikasi. Ketika emisi terstimulasi berlanjut dan foton dipantulkan di dalam rongga, intensitas energi laser meningkat.