Diodo laser: differenze tra le versioni
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[[File:Lasers.JPG|thumb|Moduli e puntatori a diodo laser con lunghezze d'onda, dal basso verso l'alto, di 660, 635, 532, 520, 445, 405nm.]]
Un '''diodo laser''' è un [[laser]] in cui il componente attivo è un [[semiconduttore]] simile quelli impiegati nella produzione di [[LED]] (Light Emitting Diode). La tipologia più pratica e comune di diodo laser è formata da una [[giunzione p-n]] alimentata da [[corrente elettrica]] ''iniettata''. Questi dispositivi vengono spesso chiamati ''diodi laser a iniezione'' per distinguerli da quelli ''pompati'' otticamente, che sono più facili da produrre in laboratorio.▼
Un '''diodo laser''' (o '''LD''', da ''Laser Diode'' in [[Lingua inglese|inglese]]) è un dispositivo [[Optoelettronica|optoelettronico]] in grado di emettere un fascio [[laser]] emesso dalla regione attiva del [[semiconduttore]] con cui viene realizzato il dispositivo stesso. La struttura del semiconduttore è molto simile a quella impiegata nella realizzazione di [[LED]] (''Light Emitting Diode'').
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== Applicazioni ==
I diodi laser sono i laser più comuni in commercio: nel 2004 ne sono stati venduti 733 milioni, contro 131000 di altre tipologie di laser.
Le applicazioni sono le più varie:
* Lettori [[
* Come sorgenti luminose nelle [[Fibra ottica|fibre ottiche]].
* In strumenti di misurazione, come il [[telemetro]].
* Nei lettori di [[codice a barre|codici a barre]].
* [[Puntatori laser]] (vengono utilizzati laser visibili di colore rosso, verde, giallo, viola e blu).
* [[Mouse#Mouse ottici|Mouse ottici laser]] per computer.
[[File:Diode laser.jpg|thumb|Un diodo laser racchiuso nel suo contenitore in confronto con una moneta da un [[penny]] per un raffronto di scala.]]
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== Principio di funzionamento ==
[[File:Laser diode chip.jpg|thumb|Immagine del chip del diodo laser (mostrato affiancato ad una cruna d'ago per mostrare la scala) interno al contenitore mostrato nell'immagine precedente.]]
Un diodo laser, come molti altri dispositivi elettronici, è composto da materiale [[Semiconduttore#I Semiconduttori estrinseci|semiconduttore drogato]] presente su uno strato molto sottile sulla superficie di un wafer di cristallo. Il cristallo viene [[drogaggio|drogato]] per produrre una regione di [[semiconduttore]] di tipo n e una regione di [[semiconduttore]] di tipo p, una sopra l'altra, per ottenere una [[giunzione p-n]], cioè un [[diodo]].
Come in altri tipi di diodi, quando la struttura viene polarizzata direttamente, le [[Lacuna (fisica)|lacune]] provenienti dalla regione p vengono iniettate nella regione n, dove gli [[elettroni]] sono i ''portatori maggioritari'' di carica. Analogamente, gli elettroni dalla regione n sono iniettati nella regione p, dove le lacune sono i portatori maggioritari. Quando un elettrone e una lacuna sono presenti nella stessa regione, possono [[ricombinazione (fisica)|ricombinarsi]] per [[emissione spontanea]], cioè l'elettrone può rioccupare lo stato energetico della lacuna, emettendo un [[fotone]] con un'energia uguale alla differenza tra gli stati dell'elettrone e della lacuna coinvolti. Questi elettroni e lacune iniettati rappresentano la [[corrente elettrica|corrente]] di iniezione del diodo, e l'emissione spontanea dà al diodo laser sotto la [[soglia laser]] proprietà simili a un [[LED]]. L'emissione spontanea è necessaria per iniziare l'oscillazione laser, ma è causa di inefficienza una volta che il laser è in oscillazione.
[[File:simple laser diode.svg|frame|right|Diagramma (non in scala) di un semplice diodo laser.]]
In condizioni appropriate, l'elettrone e la lacuna possono coesistere nella stessa area per un po' di tempo (nell'ordine dei microsecondi) prima che si ricombinino. Poi un fotone vicino con energia uguale all'energia di ricombinazione può provocarla per [[emissione stimolata]].
Ciò genera un altro fotone della stessa frequenza, che viaggia nella stessa direzione, con la stessa [[polarizzazione della radiazione elettromagnetica|polarizzazione]] e [[
Come in altri laser, la regione di guadagno è circondata da una [[cavità ottica]] che forma il laser.
Nella forma più semplice di un diodo laser, si realizza sulla superficie del cristallo una guida ottica,
strutturata in modo tale da confinare la luce in una linea relativamente stretta.
I due capi del cristallo vengono incisi per ottenere le superfici piane e perfettamente parallele di un risuonatore [[Interferometro di Fabry-Pérot|Fabry-Perot]].
I fotoni emessi in un certo modo di propagazione della [[guida d'onda]] viaggeranno lungo la guida d'onda e saranno riflessi molte volte dalla faccia di ciascuna estremità prima di essere emessi.
Quando un'onda luminosa passa attraverso
ma parte della luce è anche persa per assorbimento e riflessione incompleta sulla faccia.
Alla fine, se l'amplificazione supera le perdite, il diodo comincia ad emettere luce laser.
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In generale il guadagno massimo si ottiene per fotoni con energia leggermente superiore a quella del gap, e i modi di propagazione più vicini al picco di guadagno emetteranno in modo predominante.
Se il diodo è pilotato con sufficiente potenza, si avranno anche emissioni addizionali, dette ''modi laterali''.
Alcuni diodi laser, tra cui la maggior parte di quelli operanti a [[Spettro visibile|luce visibile]], operano a lunghezza d'onda fissa, ma la lunghezza d'onda non è stabile e cambia nel tempo in funzione della temperatura e della corrente.
Per via della [[diffrazione]], il raggio diverge (si allarga) rapidamente dopo avere lasciato la cavità, con un angolo tipico di 30 gradi verticalmente e 10 gradi lateralmente.
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=== Laser a doppia eterostruttura ===
<!--[[File:Simple dh laser diode.svg|thumb
Il primo a mostrare l'emissione di luce coerente da un [[diodo a semiconduttore]] (il primo diodo ''laser''), fu [[Robert N. Hall]] ed il suo gruppo di lavoro al centro di ricerca General Electric nel novembre del 1962<ref>{{Cita pubblicazione |cognome=Hall |nome=Robert N. |coautori=G. E. Fenner, J. D. Kingsley, T. J. Soltys, and R. O. Carlson |anno=1962 |mese=novembre |titolo=Coherent Light Emission From GaAs Junctions |rivista=Physical Review Letters |volume=9 |numero=9 |pagine=366–369 |doi=10.1103/PhysRevLett.9.366 }}</ref>
Altri gruppi alla [[IBM]], al MIT Lincoln Laboratory, alla [[Texas Instruments]], e nei laboratori RCA furono coinvolti e ricevettero riconoscimenti per le prime dimostrazioni di emissione di luce efficiente e di luce laser in diodi a semiconduttore nel 1962 e successivamente.
Il primo diodo laser funzionante in modalità ad
''[[onda continua]]'' fu un dispositivo a [[doppia eterostruttura]] dimostrato praticamente simultaneamente da [[
In questi dispositivi, uno strato di materiale a bassa [[bandgap]] viene posto tra due strati ad alta bandgap. Un paio di materiali molto usati sono l'[[arseniuro di gallio]] (GaAs) con l'[[arseniuro di alluminio-gallio]] (Al<sub>x</sub>Ga<sub>(1-x)</sub>As). Ogni giunzione tra differenti materiali bandgap viene chiamata una ''[[eterostruttura]]'', e da questo fatto deriva il nome "laser a doppia eterostruttura" o laser '''DH'''. Il tipo di diodo laser descritto nella prima parte dell'articolo si può anche chiamare un laser ''omogiunzione'', in contrapposizione con questi dispositivi più diffusi.
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=== Laser a pozzo quantico ===
<!--[[File:Simple qw laser diode.svg|thumb
Se lo strato intermedio viene costruito abbastanza sottile, esso agisce come un [[pozzo quantico]]. Questo significa che la variazione verticale della [[funzione d'onda]] dell'elettrone, per cui una componente della sua energia, è quantizzata. L'efficienza di un laser a pozzo quantico è maggiore di quella laser semplice dato che la funzione della [[densità di stati]] degli elettroni nel sistema a [[pozzo quantico]] possiede una brusca variazione che concentra gli elettroni in stati di energia che contribuiscono all'azione laser.
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=== Laser a eterostruttura a confinamento separato ===
<!--
[[File:Simple sch laser diode.svg|thumb
Il problema del diodo a pozzo quantico semplice descritto sopra è che lo strato sottile è semplicemente troppo piccolo per confinare efficacemente la luce. Per compensare, vengono aggiunti altri due strati, esternamente ai primi tre. Questi strati possiedono un [[indice di rifrazione]] inferiore agli strati centrali, e quindi possono confinare la luce in maniera più efficace. Tale progettazione viene chiamata diodo laser a eterostruttura a confinamento separato ('''SCH''').
Quasi tutti i diodi laser commerciali prodotti dal 1990 sono stati di tipo '''diodi tunnel quantici SCH'''.
=== Laser a retroazione distribuita ===
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=== VCSEL ===
<!-- [[File:Simple vcsel.svg|thumb
I laser a emissione superficiale a cavità verticale (o Vertical cavity surface emitting lasers [[VCSEL]]) possiedono l'asse della cavità ottica lungo la direzione del flusso corrente invece che perpendicolarmente al flusso corrente come nei diodi laser convenzionali. La lunghezza della regione attiva è molto breve se comparata con le dimensioni laterali, di modo che la radiazione emerge dalla ‘‘superficie’’ della cavità piuttosto che dai bordi, come mostrato in Fig. 2. I riflettori ai lati della cavità sono [[specchi dielettrici]] costruiti alternando strati con indici di rifrazione alto e basso di film spesso multistrato in quarto d'onda.
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=== VECSEL ===
I laser a cavità esterna verticale a emissione superficiale (''Vertical external-cavity surface-emitting lasers'', o [[VECSEL]]), sono simili ai VCSEL. Nei VCSEL, gli specchi vengono creati tipicamente tramite [[epitassia]] come parte della struttura del diodo, o cresciuta separatamente e connesso direttamente al semiconduttore contenente la regione attiva. I VECSEL si distinguono per una tecnica costruttiva nella quale uno dei due specchi è esterno alla struttura del diodo. Come risultato la cavità include una regione di spazio libero. Una distanza tipica dal diodo allo specchio esterno è di 1
Electrically pumped VECSELs have also been demonstrated. Applications for electrically pumped VECSELs include projection displays, served by [[frequency doubling]] of near-IR VECSEL emitters to produce blue and green light.
-->
=== Diodi laser a cavità esterna ===
== Applicazioni dei diodi laser ==▼
I diodi laser a cavità esterna sono laser sintonizzabili che usano principalmente diodi con eterostruttura doppia del tipo Al<sub>x</sub>Ga<sub>(1-x)</sub>. I primi diodi laser a cavità esterna usavano etalon intracavità e semplici reticoli di sintonizzazione in configurazione Littrow. In alternativa si possono usare reticoli in configurazione di incidenza tangenziale e configurazioni di reticoli con prismi multipli.
<!--
[[File:Laser diode array.jpg|thumb
-->
Una delle applicazioni del Diodo laser è in [[vulcanismo]], dove si misura la presenza di gas emessi dal vulcano e la tipologia.<ref>Chiarugi, A., Viciani, S., D'Amato, F., and Burton, M.: Diode laser-based gas analyser for the simultaneous measurement of CO2 and HF in volcanic plumes, Atmos. Meas. Tech., 11, 329-339, https://doi.org/10.5194/amt-11-329-2018, 2018.</ref>
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Laser diodes find wide use in [[telecommunication]] as easily modulated and easily coupled light sources for [[optical fiber|fiber optics]] communication. They are used in various measuring instruments, eg. [[rangefinder]]s. Another common use is in [[barcode reader]]s. [[Visible]] lasers, typically [[red]] but recently also [[green]], are common as [[laser pointer]]s. Both low and high-power diodes are used extensively in the printing industry both as light sources for scanning (input) of images and for very high-speed and high-resolution printing plate (output) manufacturing. [[Infrared]] and red laser diodes are common in [[Compact disc player|CD players]], [[CD-ROM]]s and [[DVD]] technology. [[Blue]]-[[Violet (color)|violet]] lasers will find their use in upcoming [[HD DVD]] and [[Blu-ray]] technology. High-power laser diodes are used in industrial applications such as heat treating, cladding, seam welding and for pumping other lasers, such as [[diode pumped solid state laser]]s. The use of diode lasers for high-speed, low-cost, combustion spectroscopy is being explored.
In general, applications of laser diodes can be categorized in various ways. Most applications of diode lasers can be served by larger solid state lasers or optical parametric oscillators but it is the ability to mass-produce diode lasers at low cost that makes them essential for mass-market applications. Diode lasers have application to virtually every field of endeavor that attracts wide attention today. Since light has many different properties (power, wavelength & spectral quality, beam quality, polarization, etc.) it is interesting to classify applications by these basic properties.
Many applications of diode lasers primarily make use of the "directed energy" property of an optical beam. In this category one might include the [[laser printer]]s, [[Barcode reader|bar-code readers]], [[image scanning]], illuminators, designators, optical data recording, combustion ignition, [[laser surgery]], industrial sorting, industrial machining, and directed energy weaponry. Some of these applications are emerging whereas many are familiar to the wider society.
Applications which may today or in the future make use of the "coherent" properties of diode-laser-generated light include interferometric distance measurement, holography, coherent communications, and coherent control of chemical reactions.
Applications which may make use of "narrow spectral" properties of diode lasers include
telecommunications, infra-red countermeasures, spectroscopic sensing, generation of radio-frequency or terahertz waves, atomic clock state preparation, quantum key cryptography, frequency doubling and conversion, water purification (in the UV), and photodynamic therapy (where a particular wavelength of light would cause a substance such as [[porphyrin]] to become chemically active as an anti-cancer agent only where the tissue is illuminated by light).
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== Guasti ==
I diodi laser hanno [[affidabilità]] e guasti simili a quelli dei [[LED]]. Inoltre essi sono soggetti a [[danneggiamenti ottici catastrofici]] (COD) quando funzionano ad alta potenza. Molti dei miglioramenti nell'affidabilità dei diodi laser negli ultimi 20 anni rimangono di proprietà dei rispettivi sviluppatori. L'affidabilità di un diodo laser può creare o distruggere una linea di produzione. Inoltre la tecnica del [[reverse engineering]] non è sempre in grado di permettere di scoprire le differenze esistenti tra i diodi laser più affidabili e
Sul bordo del diodo laser, quando la luce viene emessa, spesso si crea uno specchio per [[fessurazione]] del wafer del semiconduttore per formare un piano riflettente speculare. Questo approccio è semplificato dalla debolezza del [110] piano [[cristallografia|cristallografico]] nei cristalli semiconduttori tipo III-V (come l'[[arseniuro di gallio]], il [[fosfuro di indio]], l'[[antimoniuro di gallio]], ecc.) in confronto ad altri piani.
Succede però che gli stati atomici sul piano di fenditura siano alterati (in rapporto alle proprietà grezza del cristallo) dalla terminazione della perfetta periodicità della grata al piano.
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Il risultato in pratica è che quando la luce si propaga attraverso il piano di fenditura e transita
verso lo spazio libero da dentro il cristallo semiconduttore, una frazione dell'energia della luce viene assorbita dagli stati di superficie da dove viene convertita in calore dalle interazioni [[fonone]]-[[elettrone]]. Tutto ciò scalda lo specchio a fenditura. Inoltre, lo specchio può scaldarsi semplicemente a causa del fatto che il bordo del diodo laser, pompato elettricamente, è in contatto non proprio perfetto con il supporto che fornisce un percorso per la dissipazione del calore. Lo scaldarsi dello specchio provoca una riduzione della [[banda proibita]] del semiconduttore nelle aree più calde. Il restringimento della banda proibita porta più elettroni nelle transizioni elettroniche banda-a-banda ad allinearsi con l'energia fotonica provocando un assorbimento ancora maggiore. Questo [[effetto termico a valanga]], una forma di [[retroazione positiva]], può provocare la fusione delle sfaccettature, ed è conosciuto come ''danneggiamento ottico catastrofico'', o COD (dall'inglese Catastrophic Optical Damage).
Questo problema, particolarmente insidioso per i laser all'GaAs di lunghezza d'onda tra gli 1
Da allora, sono state sviluppate e affinate molte altre tecniche. Un altro approccio è di creare un cosiddetto specchio a non assorbimento (NAM) tale che nei finali 10
Nei primi anni del 1990, l'azienda SDL Inc., cominciò a fornire diodi laser ad alta potenza con buone caratteristiche di affidabilità. Il Donald Scifres e David Welch, rispettivamente [[Chief Executive Officer|CEO]] e [[Chief technical officer|CTO]] dell'azienda, presentarono questi nuovi dati caratteristici di affidabilità alla conferenza di Fotonica [[The International Society for Optical Engineering|SPIE]] Photonics West. I metodi usati da SDL per abbattere il COD furono considerati segreto industriale e non sono stati ancora rivelati pubblicamente (giugno 2006).
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Verso la metà del 1990, IBM Research ([[Rüschlikon]], [[Svizzera]]) annunciò di aver sviluppato il cosiddetto "processo E2" che conferiva straordinarie doti di resistenza alla COD nei diodi laser basati su GaAs. Anche i dettagli di questo processo non sono stati divulgati a tutt'oggi (giugno 2006).
L'affidabilità delle barre pompa a diodi laser ad alta potenza (utilizzate per pompare i [[laser a stato solido]]) rimane un problema in molte applicazioni, malgrado tutti questi miglioramenti proprietari. In effetti la fisica dei guasti dei diodi laser non è ancora del tutto chiara e la ricerca in questo campo è molto attiva, anche se spesso non pubblica.
L'allungamento della vita di un diodo laser è critica per l'applicazione di questi in una grande varietà di campi.
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==See also==
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* [[Superluminescent diode]]
* [[Millstone River Photonickers]]
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== Bibliografia ==
*
*
== Voci correlate ==
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* [[LED]]
* [[Meccanica quantistica]]
*[[Lavorazione con fascio laser]]
== Altri progetti ==
{{interprogetto
== Collegamenti esterni ==
* {{Collegamenti esterni}}
* {{
{{Controllo di autorità}}
{{Portale|elettrotecnica|ingegneria}}
[[Categoria:Optoelettronica]]▼
[[Categoria:Diodi]]
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