اقرأ في هذا المقال
- ما هو الصمام الثنائي الليزري؟
- كيف يعمل الصمام الثنائي الليزري؟
- بناء الصمام الثنائي الليزري
- أنواع الصمام الثنائي الليزري
- تطبيقات الصمام الثنائي الليزري
ما هو الصمام الثنائي الليزري؟
الصمام الثنائي الباعث للضوء “الليزري” هو جهاز من نوع أشباه الموصلات يشبه الصمام الثنائي الباعث للضوء (LED). ويستخدم تقاطع (p-n) لإصدار ضوء متماسك تكون فيه جميع الموجات في نفس التردد والطور. ويتم إنتاج هذا الضوء المتماسك بواسطة الصمام الثنائي لليزر باستخدام عملية تسمّى “تضخيم الضوء عن طريق الانبعاث المحفز للإشعاع” (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation)، والتي يتم اختصارها باسم (LASER). ونظرًا لاستخدام تقاطع (p-n) لإنتاج ضوء الليزر، ويُطلق على هذا الجهاز اسم “الصمام الثنائي الليزري” “الدايود الليزري”.
شرح الصمام الثنائي الليزري:
يحتوي الضوء من ضوء الشمس أو من معظم مصادر الضوء الاصطناعي على موجات ذات أطوال موجية متعددة وهي خارجة عن الطور مع بعضها البعض. كما أنّ موجات الضوء من مصادر الضوء أحادية اللون مثل المصباح المتوهج ليست في طور مع بعضها البعض. على عكس مصادر الضوء السابقة، تنتج ثنائيات الليزر شعاعًا ضيقًا من ضوء الليزر يكون فيه كل موجات الضوء لها أطوال موجية متشابهة وتنتقل مع قممها. وهذا هو السبب في أنّ أشعة الليزر شديدة السطوع، ويمكن تركيزها على بقعة صغيرة جدًا.
من بين جميع الأجهزة التي تنتج ضوء الليزر، وتعد ثنائيات الليزر أو ليزر أشباه الموصلات هي الأكثر كفاءة وتأتي في عبوات أصغر. لذلك فهي تستخدم على نطاق واسع في العديد من الأجهزة مثل طابعات الليزر وقارئات الباركود وأنظمة الأمان والمركبات المستقلة (LIDAR) واتصالات الألياف البصرية وما إلى ذلك.
كيف يعمل الصمام الثنائي الليزري؟
يتم عمل الصمام الثنائي الليزري في ثلاث خطوات رئيسية وهي:
امتصاص الطاقة Energy Absorption:
يتكون الصمام الثنائي الليزري من تقاطع (pn) حيث توجد الثقوب والإلكترونات. “هنا، الثقب يعني عدم وجود إلكترون“. عندما يتم تطبيق جهد معين عند تقاطع (pn)، تمتص الإلكترونات الطاقة وتنتقل إلى مستوى طاقة أعلى. تتشكل الثقوب في الموضع الأصلي للإلكترون المُثار. تبقى الإلكترونات في حالة الإثارة هذه دون إعادة الاتحاد مع الثقوب لفترة زمنية قصيرة جدًا، يُطلق عليها “وقت إعادة التركيب” (recombination time) أو “عمر الحالة العليا” (upper-state lifetime). وقت إعادة التركيب حوالي نانوثانية لمعظم ثنائيات الليزر.
الانبعاث التلقائي Spontaneous Emission:
بعد عمر الحالة العليا للإلكترونات المثارة، تتحد مع الثقوب. عندما تنخفض الإلكترونات من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل، يتم تحويل الفرق في الطاقة إلى فوتونات أو إشعاع كهرومغناطيسي. تُستخدم هذه العملية نفسها لإنتاج الضوء في مصابيح (LED). يتم الحصول على طاقة الفوتون المنبعث من خلال الفرق بين مستويي الطاقة.
الانبعاث المستحث Stimulated Emission:
نحتاج إلى فوتونات متماسكة من الصمام الثنائي الليزري أكثر من تلك المنبعثة من خلال عملية الانبعاث التلقائي. حيث تُستخدم مرآة عاكسة جزئيًا على جانبي الصمام الثنائي بحيث يتم احتجاز الفوتونات المنبعثة من الانبعاث التلقائي في تقاطع (p-n) حتى يصل تركيزها إلى قيمة عتبة.
تحفز هذه الفوتونات المحاصرة الإلكترونات المُثارة على إعادة الاتحاد مع الثقوب حتى قبل وقت إعادة التركيب. وينتج عن هذا إطلاق المزيد من الفوتونات الموجودة في الطور الدقيق مع الفوتونات الأوليّة وبالتالي يتم تضخيم الخرج. بمجرد أن يتجاوز تركيز الفوتون العتبة، فإنّها تهرب من المرايا العاكسة جزئيًا، ممّا ينتج عنه ضوء ساطع أحادي اللون متماسك.
بناء الصمام الثنائي الليزري:
يتكون الصمام الثنائي الليزري البسيط من أشباه الموصلات من الأجزاء التالية بالترتيب:
- اتصال المعادن (Metal Contact).
- المواد من النوع (P-type Material).
- المنطقة النشطة / الداخلية (مادة من النوع N) (Active/Intrinsic Region (N-type Material)).
- المواد من النوع (N-type Material).
- ثمّ إعادة اتصال المعادن (Metal Contact).
يتم توصيل أطراف الإدخال بألواح معدنية محصورة في طبقات النوع (n) والنوع (p). يسمّى هذا النوع من الصمام الثنائي بالليزر أيضًا باسم “الصمام الثنائي الليزري المتماثل” (Homojunction Laser Diode). وكما تُستخدم المنطقة الداخلية بين المادة من النوع (p) والنوع (n) لزيادة حجم المنطقة النشطة، بحيث يمكن أن يتراكم عدد أكبر من الثقوب والإلكترونات عند التقاطع.
يتيح ذلك لعدد أكبر من الإلكترونات إعادة الاتحاد مع الثقوب في أي لحظة زمنية، ممّا يؤدي إلى إنتاج طاقة أفضل. ينبعث ضوء الليزر من المنطقة الإهليلجية. ويمكن زيادة تركيز هذا الشعاع من الصمام الثنائي بالليزر باستخدام عدسة بصرية. ويتم وضع ترتيب (PIN) بالكامل هنا “نوع (P)، المنطقة الداخلية، نوع (N)” بشكل طبيعي في غلاف معدني.
أنواع الصمام الثنائي الليزري:
ثنائي الليزر ذو البنية غير المتجانسة المزدوجة Double Heterostructure Laser Diode:
في هذا النوع من ثنائيات الليزر، يتم وضع طبقة حبس إضافية من مادة مختلفة بين مادتين من النوع (p) و(n). يسمّى كل من الوصلات بين المواد المختلفة بنية غير متجانسة. نظرًا لوجود هيكلين غير متجانسين، يُطلق على هذا النوع من الصمام الثنائي الليزري اسم الصمام الثنائي الليزري ذو البنية المزدوجة (DH). تتمثل ميزة هذا الصمام الثنائي الليزري (DH) في أنّ المنطقة النشطة محصورة في طبقة رقيقة توفر تضخيمًا بصريًا أفضل.
الصمام الثنائي الليزري البئر الكمي Quantum Well Laser Diode:
يحتوي الصمام الثنائي لليزر البئر الكمّي على طبقة وسطى رفيعة جدًا، والتي تعمل “كبئر كمّي”. ستكون الإلكترونات قادرة على استخدام مستويات الطاقة الكمومية عند الانتقال من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقل. هذا يعطي كفاءة أفضل لهذا النوع من الصمام الثنائي لليزر.
الصمام الثنائي الليزري ذو بنية غير المتجانسة المنفصل Separate Confinement Heterostructure Laser Diode:
الطبقة الوسطى الرقيقة في الصمام الثنائي الليزري البئر الكمي صغيرة جدًا لحصر الضوء المنبعث بشكل فعّال. للتعويض عن ذلك، في الصمام الثنائي الليزري ذو البنية غير المتجانسة المنفصل، حيث تتم إضافة طبقتين أخريين على الطبقات الثلاث الأوليّة. وهذه الطبقات لها معامل انكسار منخفض وتساعد في حصر الضوء المنبعث بشكل فعّال.
الصمام الثنائي الليزري الباعث للسطح ذو التجويف العمودي (VCSEL):
جميع ثنائيات الليزر التي تمت مناقشتها سابقًا، يتم وضع التجويف البصري بشكل عمودي على تدفق التيار. ومع ذلك، في ثنائيات الليزر الباعثة لسطح التجويف العمودي، ويكون التجويف البصري على طول محور تدفق التيار. وتوضع المرايا العاكسة جزئيًا بالقرب من نهايات التجويف البصري.
أنواع أخرى:
- الصمام الثنائي الليزري متتالي الكم (Quantum Cascade Laser Diode).
- الصمام الثنائي الليزري المتتالي (Interband Cascade Laser Diode).
- الصمام الثنائي الموزع (Bragg Reflector Laser Diode).
- الصمام الثنائي الموزع (Distributed Feedback Laser Diode).
- الليزر دايود ذو التجويف الخارجي (External Cavity Diode Laser).
- الصمام الثنائي الليزري بانبعاث سطح التجويف الخارجي العمودي (VCSEL).
تطبيقات الصمام الثنائي الليزري:
تستخدم وحدات الليزر دايود في جميع المجالات الرئيسية للإلكترونيات التي تشمل كل من:
- الإلكترونيات الاستهلاكية (Consumer Electronics): مشغلات الأقراص المضغوطة (CD) / أقراص (DVD)، وطابعات الليزر، واتصالات الألياف البصرية، وقارئات الباركود.
- الأجهزة الطبية (Medical Machines): تستخدم ثنائيات الليزر في الآلات المستخدمة لإزالة الأنسجة غير المرغوب فيها، والقضاء على الخلايا السرطانية، والعمليات الجراحية لتصحيح البصر وإعتام عدسة العين.
- المركبات المستقلة (Autonomous Vehicles): تُستخدم تقنية الصمام الثنائي الليزري في صنع أنظمة (LIDAR) للقيادة الذاتية.
- الأجهزة العلمية (Scientific Instrumentation): يتم استخدام الليزر في الأجهزة المستخدمة للقياسات غير التلامسية وقياس الطيف وأجهزة تحديد المدى وما إلى ذلك.
- التطبيقات الصناعية (Industrial Applications): تستخدم ثنائيات الليزر كمصدر لشعاع الليزر عالي الكثافة لقطع المواد بدقة. كما أنّها تستخدم في الطباعة ثلاثية الأبعاد لتنعيم الركيزة.
