Qu'est-ce qui fait d'une LED une diode laser?

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Une enquête de haut niveau sur cette question est très bien:

Après avoir lu https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_diode, je ne sais toujours pas si l'électronique qui permet à une diode de se laser est différente de celles qui lui permettent d'émettre de la lumière. Donc, en général, une diode laser est-elle une LED plus une sorte de résonateur optique ou de cavité?

Ou existe-t-il des diodes laser elles-mêmes électroniquement distinctes des LED non laser, ce qui signifie qu'elles ne ressemblent pas à une LED et à une structure physique supplémentaire pour leur permettre d'agir comme un laser?

led components laser-diode feetwet
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Savez-vous ce qui fait de la lumière un laser?
Eugene Sh.
Pensez-y. Les LED diffusent déjà des couleurs de lumière presque pures. Une LED «laser» émet une couleur de lumière ultra pure. Avez-vous pris la peine de rechercher le terme "LED Laser"?
Sparky256
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@ Sparky256 - Oui, ce terme est dans mon historique de recherche. Merci également pour la suggestion que je «pense à elle». C'était tellement utile que je vais l'appliquer aux questions que j'ai à l'avenir!
feetwet
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@EugeneSh. - Non, mais je connais les caractéristiques de la lumière laser.
feetwet

Réponses:

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Je ne peux toujours pas dire si l'électronique permettant à une diode de laser est différente de celles qui lui permettent d'émettre de la lumière

Ce n'est pas l'électronique, c'est la cavité optique.

Si le signal optique est renvoyé à travers le support de gain (la jonction PN) de telle sorte que la perte aller-retour ne soit pas supérieure au gain aller-retour, une "LED" commencera à se dissiper.

La cavité d'une diode laser peut être formée par des facettes clivées sur la surface de la puce, des réflecteurs Bragg à motifs dans la puce, ou même des lentilles externes et / ou des miroirs d'une certaine sorte.

Généralement, un appareil conçu comme une diode laser comprendra également une structure de guide d'ondes sur la puce (et chevauchant la jonction) pour faciliter une faible perte aller-retour, tandis qu'un appareil conçu pour être une LED n'aura pas de structure de guide d'ondes distincte, bien qu'il y ait également une telle chose comme une cavité résonante LED (RCLED).

Le photon
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Intéressant. Je ne peux pas dire à partir d'une recherche rapide ce qui distingue les RCLED: S'agit-il essentiellement de diodes laser fonctionnant en dessous du seuil laser? Ou produisent-ils certaines mais pas toutes les caractéristiques de la lumière laser?
feetwet
1
Il existe une catégorie de LED à haute efficacité. Il est plat et rond comme un minuscule biscuit Oreo, émettant de la lumière de tous les côtés. Il se trouve dans un bol doublé d'or qui réfléchit toute la lumière sur la lentille. La lentille détermine le thêta, ou l'angle de vision.
Sparky256
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Aussi: les diodes laser, lorsqu'elles sont surchargées à un point où cette structure de cavité optique est éclatée, continuent de fonctionner comme des LED normales!
rackandboneman
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@rackandboneman ou bien sûr en dessous du seuil. Beaucoup de bon marché vieillissent également sans surcharge jusqu'à ce qu'ils ne perdent plus de temps.
Chris H
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Ma lecture limitée indique que les RCLED se distinguent en grande partie par leur spectre d'émission beaucoup plus étroit que les LED normales - mais alors je suis spectroscopiste alors j'ai tendance à voir les choses de ce côté. Il est intéressant de noter qu'il n'y a pas d'article Wikipédia en anglais, et celui en allemand n'est guère plus qu'un talon.
Chris H
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LED: La tension sur la diode élève les électrons libres à travers la bande interdite à un niveau supérieur. Ils émettent de la lumière lorsqu'ils retombent au niveau inférieur. En raison des règles de la mécanique quantique, lorsque cela se produit spontanément, il est aléatoire si aucune autre mesure n'est prise. Les degrés de liberté dans une LED permettent des longueurs d'onde (fréquences) et des points dans le temps variables. Ainsi les photons émis sont "incohérents".

LASER: Les degrés de liberté des photons sont supprimés. La cavité optique n'autorise qu'une (ou très peu) longueurs d'onde (facteurs de la longueur du résonateur). Et les photons précédemment émis "passant" stimulent l'émission du nouveau photon. La plupart des photons ont donc la même phase et la même fréquence. Ils sont "cohérents".

Même si la LED a déjà une très petite variation de longueur d'onde, l'optique LASER réduit cette variation. L'aspect contre-intuitif d'un LASER vient de la mécanique quantique. Vous pourriez penser qu'un photon est émis spontanément, puis résonnerait s'il avait la bonne longueur d'onde qui correspond à la géométrie du résonateur. Mais en raison de la mécanique quantique, la géométrie du LASER- (diode) fait qu'il est très peu probable qu'un photon soit émis spontanément ou à une autre longueur d'onde.

Joachim
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Ma confusion vient de votre dernier paragraphe: la jonction pn elle-même dans un laser à diode est-elle différente? C'est-à-dire, le stimulus sous-jacent pour les deux diodes est-il une émission spontanée de photons, et dans le laser, la géométrie construite autour de cette jonction amplifie ces émissions spontanées à un degré tel que l'écrasante majorité des photons sont émis par stimulation? Ou la jonction elle-même dans une diode laser est-elle différente d'une manière qui limite le nombre et / ou la longueur d'onde des photons émis spontanément, même en dessous du seuil laser ?
feetwet
Lors de la mise sous tension initiale de la diode laser, aucun photon ne peut stimuler l'émission. Donc, au début, des émissions spontanées se produisent. Ensuite, ceux-ci vont et viennent dans la cavité optique et stimulent l'émission de plus de photons et l'émission stimulée devient rapidement dominante.
Joachim
Après coup: les émissions stimulées pourraient ne pas devenir "dominantes". Des émissions spontanées continueront de se produire, mais l'objectif est d'avoir un pourcentage élevé d'émissions stimulées car cela définit l'efficacité de la diode laser.
Joachim
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Je ne suis toujours pas clair sur la clarification demandée dans mon premier commentaire: il semble que vous pourriez dire: "Oui, le cœur d'une diode laser est (ou peut être) une jonction pn comme toute autre diode électroluminescente, qui fonctionne par émission spontanée. Ce qui fait de la diode un laser, ce sont des caractéristiques matérielles supplémentaires (que nous appelons une cavité optique ) qui permettent à ces photons spontanés de stimuler plus de photons. " Est-ce correct? Ou est-ce qu'une diode laser est juste une cavité optique à pompage électrique qui produit des photons spontanément, et est donc fondamentalement différente de la LED "commune"?
feetwet
Le laser fonctionne par émission stimulée et non par émission spontanée. Vous voudrez peut-être regarder: learnabout-electronics.org/Semiconductors/diodes_26.php
Joachim
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Un laser à diode est une LED dans une cavité optique.

Les lasers à diode sont plutôt cool en ce qu'ils "violent" quelques règles laser:

  1. Le gain des semi-conducteurs est si grand que même si le rayon des facettes créant la cavité est vraiment élevé (c'est-à-dire essentiellement plat), il se déforme. (L'équation laser prédit qu'un gain infini est nécessaire pour qu'une paire de surfaces planes se lase)!

  2. Il y a une preuve qu'au moins trois niveaux d'énergie sont nécessaires pour qu'un milieu pompé se lase, mais les lasers à semi-conducteurs n'en ont que deux (car ils ne sont pas pompés optiquement, mais pompés électriquement).

user1512321
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Concernant # 2: Serait-il exact de dire que les lasers à diode sont " auto- pompés optiquement "? Si je comprends bien: les émissions stimulées sont "stimulées" par les photons de la LED elle-même, non?
feetwet
Avez-vous des sources?
Peter Mortensen
Au lieu d'être pompés optiquement, ils sont pompés électriquement. Le «pompage» est le processus consistant à soulever les électrons au-dessus de la bande interdite à partir de laquelle ils peuvent ensuite descendre et émettre des photons.
Joachim
@Joachim Corrigé pour dire qu'ils sont pompés électriquement.
user1512321
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@feetwet Dans tous les lasers, il doit y avoir une émission "stimulée"; c'est-à-dire des photons détruisant les photons excités. Ce à quoi je fais référence ici est le "pompage" du processus de mise des électrons dans un état excité. Pour qu'un laser perde, il y a plusieurs conditions dont l'une est que le milieu de gain est pompé à tel point qu'il y a plus d'électrons excités que d'électrons d'état inférieur - inversion de population - sinon vous auriez plus de photons absorbés mettant les électrons dans des états plus élevés que stimuler plus de photons.
user1512321
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Pour qu'une LED soit considérée comme une LED "laser", sa conception doit être telle qu'une certaine quantité de lumière qu'elle produit doit être réfléchie sur elle-même, par des moyens optiques (ou électriques), de sorte que la nouvelle création (via la stimulation ) les photons sont "en phase" avec les précédents, créant ainsi un faisceau cohérent de photons.
Satisfaire à l' exigence de la mission S timulated E de l' adiation R , c'est ce qui en fait un laser !

Guill
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