La differenza tra diodi emettitori di luce e diodi laser

Nella tecnologia moderna, diodi emettitori di luce (LED) eDiodi laser (LD)sono due tecnologie comuni di sorgenti luminose. Sebbene siano simili sotto alcuni aspetti, presentano differenze significative in termini di principio di funzionamento, applicazione e prestazioni.

La differenza nel principio di emissione della luce: il LED utilizza la ricombinazione dell'emissione spontanea di portatori iniettati nell'area attiva per emettere luce, mentre l'LD utilizza la ricombinazione dell'emissione stimolata per emettere luce. La direzione e la fase dei fotoni emessi dal diodo emettitore di luce sono casuali, mentre i fotoni emessi dal diodo laser hanno la stessa direzione e fase.

LED è l'abbreviazione di diodo ad emissione luminosa. È ampiamente presente nella vita quotidiana, come gli indicatori di direzione degli elettrodomestici, le luci posteriori antinebbia delle automobili, ecc. Le caratteristiche più importanti dei LED sono la lunga durata e l'elevata efficienza di conversione fotoelettrica. Fondamentalmente, nella giunzione PN di alcuni materiali semiconduttori, quando i portatori minoritari iniettati si ricombinano con i portatori maggioritari, l'energia in eccesso verrà rilasciata sotto forma di luce, convertendo così direttamente l'energia elettrica in energia luminosa. Quando viene applicata una tensione inversa alla giunzione PN, è difficile che i portatori minoritari vengano iniettati, quindi non emette luce. Questo tipo di diodo realizzato utilizzando il principio dell'elettroluminescenza ad iniezione è chiamato diodo emettitore di luce, comunemente noto come LED.

LD è l'abbreviazione inglese di diodo laser. La struttura fisica del diodo laser consiste nel posizionare uno strato di semiconduttore fotoattivo tra le giunzioni del diodo emettitore di luce. La sua superficie terminale è parzialmente riflettente dopo essere stata lucidata, formando così una cavità di risonanza ottica. Nel caso di polarizzazione diretta, la giunzione LED emette luce e interagisce con la cavità ottica risonante, stimolando così ulteriormente l'emissione di una singola lunghezza d'onda di luce dalla giunzione. Le proprietà fisiche di questa luce dipendono dal materiale. Il principio di funzionamento dei diodi laser a semiconduttore è teoricamente lo stesso dei laser a gas. I diodi laser sono ampiamente utilizzati nei dispositivi optoelettronici a bassa potenza come le unità CD nei computer e le testine di stampa nelle stampanti laser.

Una breve descrizione delle differenze di principi, architettura e prestazioni tra i due.
(1) Differenza nel principio di funzionamento: il LED utilizza la ricombinazione dell'emissione spontanea di portatori iniettati nell'area attiva per emettere luce, mentre l'LD utilizza la ricombinazione dell'emissione stimolata per emettere luce.
(2) Differenza nell'architettura: LD ha una cavità di risonanza ottica, che consente ai fotoni generati di oscillare e amplificarsi nella cavità, mentre il LED non ha una cavità di risonanza.
(3) Differenza di prestazioni: il LED non ha caratteristiche di valore critico e la sua densità spettrale è diversi ordini di grandezza superiore a quella dell'LD. La potenza di emissione luminosa del LED è ridotta e l'angolo di divergenza è ampio.

Principio di funzionamento:
Un diodo emettitore di luce è un dispositivo a semiconduttore che genera luce iniettando elettroni e lacune. Quando gli elettroni e le lacune si ricombinano, l'energia viene rilasciata sotto forma di fotoni, producendo luce visibile o altre lunghezze d'onda della luce. Un diodo laser è invece un tipo speciale di diodo emettitore di luce che produce luce attraverso l'emissione stimolata di radiazioni. In un diodo laser, quando gli elettroni passano da un livello energetico elevato a un livello energetico basso, rilasciano fotoni corrispondenti a una frequenza specifica, ottenendo così un'amplificazione coerente della luce.
Caratteristiche del fascio:
I raggi luminosi generati dai diodi emettitori di luce sono generalmente incoerenti, ovvero la fase e la frequenza delle onde luminose non hanno una relazione fissa. Ciò fa sì che il raggio luminoso del diodo emettitore di luce si diffonda ampiamente e non possa essere altamente focalizzato. I raggi prodotti dai diodi laser, invece, sono coerenti, il che significa che la fase e la frequenza delle onde luminose hanno un rapporto fisso. Ciò consente al raggio del diodo laser di essere altamente focalizzato, consentendo applicazioni più precise.
Caratteristiche spettrali:
Lo spettro prodotto dai diodi emettitori di luce è generalmente ampio e contiene una varietà di lunghezze d'onda della luce. Ciò rende i diodi emettitori di luce ampiamente utilizzati nei campi dell'illuminazione, dei display e della retroilluminazione. Al contrario, i diodi laser producono uno spettro ristretto che contiene solo specifiche lunghezze d’onda della luce. Ciò fa sì che i diodi laser abbiano un valore applicativo più elevato in campi quali le comunicazioni, la misurazione e le cure mediche.
Efficienza e potenza:
I diodi emettitori di luce sono generalmente meno efficienti perché parte dell'energia viene persa sotto forma di calore. Inoltre, la potenza dei diodi emettitori di luce è generalmente ridotta, il che ne limita l'uso in applicazioni ad alta potenza. Al contrario, i diodi laser sono più efficienti perché le onde luminose che producono possono essere altamente focalizzate, riducendo così la perdita di energia. Inoltre, i diodi laser possono avere una potenza maggiore, rendendoli adatti per applicazioni ad alta potenza.
Aree di applicazione:
I diodi emettitori di luce sono ampiamente utilizzati nell'illuminazione, nei display, nella retroilluminazione, nella trasmissione del segnale e in altri campi. A causa del loro costo inferiore e della maggiore affidabilità, la quota di mercato dei diodi emettitori di luce in questi campi sta gradualmente aumentando. Al contrario, i diodi laser vengono utilizzati principalmente nei settori delle comunicazioni, delle misurazioni, della medicina, della produzione e altri. Grazie alle loro caratteristiche di elevata potenza, elevata focalizzazione ed elevata coerenza, i diodi laser presentano vantaggi unici nelle applicazioni in questi campi.

Parametri comuni dei diodi laser
(1) Lunghezza d'onda: ovvero la lunghezza d'onda di lavoro del tubo laser. Attualmente, le lunghezze d'onda dei tubi laser che possono essere utilizzati come interruttori fotoelettrici includono 635 nm, 650 nm, 670 nm, 690 nm, 780 nm, 810 nm, 860 nm, 980 nm, ecc.
(2) Corrente di soglia Ith: cioè la corrente alla quale il tubo laser inizia a generare l'oscillazione del laser. Per i tubi laser generali a bassa potenza, il suo valore è di circa decine di milliampere. La corrente di soglia dei tubi laser con una struttura a pozzi quantici multipli può essere pari a 10 mA. il seguente.
(3) Corrente operativa Iop: ovvero la corrente di pilotaggio quando il tubo laser raggiunge la potenza di uscita nominale. Questo valore è importante per la progettazione e il debug del circuito di pilotaggio del laser.
(4) Angolo di divergenza verticale θ⊥: l'angolo al quale la striscia luminosa del diodo laser si apre nella direzione perpendicolare alla giunzione PN, generalmente intorno a 15˚~40˚.
(5) Angolo di divergenza orizzontale θ∥: l'angolo al quale la banda di emissione della luce del diodo laser si apre nella direzione parallela alla giunzione PN, generalmente intorno a 6˚~10˚.
(6) Corrente di monitoraggio Im: ovvero la corrente che scorre attraverso il tubo PIN quando il tubo laser è alla potenza di uscita nominale.

Ispezione del diodo laser
(1) Metodo di misurazione della resistenza: rimuovere il diodo laser e misurare i suoi valori di resistenza diretta e inversa con un multimetro nell'intervallo R×1k o R×10k. Normalmente, il valore della resistenza diretta è compreso tra 20 e 40 kΩ e il valore della resistenza inversa è ∞ (infinito). Se il valore di resistenza diretta misurato supera 50kΩ, significa che le prestazioni del diodo laser sono diminuite. Se il valore di resistenza diretta misurato è maggiore di 90kΩ, significa che il diodo è gravemente invecchiato e non può più essere utilizzato.
(2) Metodo di misurazione della corrente: utilizzare un multimetro per misurare la caduta di tensione attraverso il resistore di carico nel circuito di azionamento del diodo laser, quindi stimare il valore della corrente che scorre attraverso il tubo secondo la legge di Ohm. Quando la corrente supera i 100 mA, se il potenziometro della potenza del laser viene regolato (vedere Figura 5) e non vi è alcun cambiamento evidente nella corrente, si può giudicare che il diodo laser sta seriamente invecchiando. Se la corrente aumenta bruscamente e va fuori controllo, significa che la cavità di risonanza ottica del diodo laser è danneggiata.

Esistono differenze significative tra i diodi emettitori di luce e i diodi laser in termini di principi di funzionamento, caratteristiche del raggio, caratteristiche spettrali, efficienza e potenza e campi di applicazione. I diodi emettitori di luce sono adatti per applicazioni con sorgenti luminose incoerenti a bassa potenza, come illuminazione e display, mentre i diodi laser sono adatti per applicazioni con sorgenti luminose ad alta potenza, altamente focalizzate e altamente coerenti, come le comunicazioni e la medicina. Comprendere queste differenze ci aiuta a selezionare e applicare meglio queste due tecnologie di sorgenti luminose per soddisfare le esigenze di campi diversi.

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