Penjelasan cara kerja dioda laser – Salah satu jenis dioda yang mungkin jarang dikenal oleh teknisi elektronika adalah dioda laser. Padahal komponen semikonduktor yang dibangun oleh sebuah persimpanan PN ini sudah banyak digunakan di berbagai bidang. Misalnya pada bidang medis, industri, perangkat elektronika hingga mainan anak anak.
Pada dasarnya. struktur bentuk dioda laser sama seperti dioda sinyal atau dioda power yang biasa kita lihat pada sirkuit elektronika. Akan tetapi, dioda jenis ini mempunyai karakteristik khusus dimana dapat mengeluarkan cahaya yang lebih terang dan terfokus.
Lalu seperti apa karakteristik dan cara kerja dioda laser ? Di artikel ini kita akan membahasnya secara tuntas.
Pengertian
Dioda laser adalah komponen elektronika semikonduktor yang memancarkan cahaya pada gelombang dan fase tertentu. Cara kerja dioda laser ini mirip dengan led, dimana cahaya yang dipancarkan berasal dari persimpangan PN yang menyusun dioda tersebut.
Kemunculan cahaya pada dioda laser melalui sebuah prose yang disebut sebagai Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, atau biasa disingkat dengan nama LASER. Jadi, cahaya yang dihasilkan oleh jenis dioda ini berasal dari proses penguatan radiasi emisi yang dikelarkan oleh persimpangan PN atau PN junction.
Sifat dari pancaran cahaya laser yang dihasilkan oleh jenis dioda semikonduktor ini berbeda dengan jenis sumber cahaya lain, seperti led, lampu pijar atau matahari. Cahaya dari pancaran dioda ini bersifat single frequency koheren. Perhatikan gambaran perbandingan pancaran cahaya dari beberapa sumbmer cahaya berikut ini :
Dari gambar diatas, kita dapat melihat bahwa jenis pancaran gelombang cahaya yang berasal dari dioda laser memiliki panjang gelombang yang sama dengan kerapatan yang sangat sempit. Selain itu, cahaya pada laser juga mempunyai fasa yang sama. Karena itu, cahaya laser terlihat lebih terang dan mudah untuk difokuskan pada satu titik yang kecil.
Ada banyak perangkat yang dapat menghasilkan cahaya laser dengan bermacam proses. Dioda laser hanya merupakan salah satu jenis sumber cahaya yang bisa memproduksi sinar laser. Di artikel ini kita akan fokus untuk membahas sumber cahaya laser yang dihasilkan oleh dioda.
Gambar dan Simbol
Cahaya atau sinar laser banyak dipakai untuk berbagai bidang kebutuhan, seperti pada perangkat printer, sistem proteksi, pembaca kode dan sistem komunikasi optik.
Simbol dan gambar dioda laser dapat dilihat pada gambar di bawah ini.
Konstruksi dan karakteristik
Dioda laser tersusun dari beberapa bagian, seperti yang tersebut di bawah ini :
- Kontak logam
- Semikonduktor tipe P
- Area aktif atau Instrinsik layer
- Semikonduktor tipe N
- Kontak logam
Struktur bentuk dioda laser seperti pada gambar diatas merupakan jenis dioda laser tipr Homojunction. Dimana pelat logam diapit ke semikonduktor tipr P dan N diantara area instrinsik dioda.
Area instrinsik dioda merupakan area aktif dioda yang ditingkatkan volumenya, sehingga lebih banyak elektron dan hole yang terkumpul pada area ini. Karena itu cahaya yang dikeluarkan saat terjadi proses penggabungan elektron dan hole menjadi lebih terang dibandingkan dengan jenis dioda led.
Cahaya yang diprosuksi oleh dioda laser berasal dari area instrinsik untuk selanjutnya dapat difokuskan menggunakan lensa optik. Semua bagian penyusun dioda ini dibungkus dalam kemasan logam untuk melindungi dari pengaruh luar dan menjaga konstruksi semikonduktor di dalamnya.
Jenis dioda laser
Terdapat 3 jenis dioda laser dengan konstruksi bagian yang berbeda :
1. Jenis Double Heterostructure
Pada jenis ini, lapisan selunung ditambahkan dari jenis bahan yang berbeda yang diapit diantara dua jenis semikonduktor P dan N. Setiap persimpanan antar bahan yang berbeda disebut heterostruktur.
Karena adanya dua struktur selubung ini, maka jenis dioda ini disebut sebagai tipe heterostruktur ganda. Kelebihan dari dioda laser jenis ini adalah memberikan penguatan optik yang lebih besar.
2. Quantum Well
Dioda lasr dengan tipe sumur quantum (Quantum Well) memililki lapisan tengah yang tipis dan berfungsi sebagai sumur quantum. Elektron akan dapat mencapai tingkat energi kuantun ketika bertransisi dari energi yang lebih tinggi ke yang lebih rendah.
Hal ini memberikan keuntungan yang lebih baik dari segi efisiensi.
3. Separate Confinement Heterostructure
Lapisan tengah yang ada pada jenis dioda laser sumur kuantum sangat kecil dan tipis untuk membatasi pancaran cahaya secara efektif. Untuk mengatasi kekurangan ini, diciptakan satu jenis dioda laser baru dengan sistem selubung ganda terpisah.
Dua lapisan tambahan dimasukkan diatas tiga lapisan awal. Lapisan ini mempunyai indeks biasa yang kecil sehingga nmembantu dalam membatasi cahaya yang dipancarkan secara efektif.
4. Vertical Cavity Surface Emitting
Tipe dioda laser yang satu ini berbeda dengan dengan ketiga jenis dioda laser yang disebutkan sebelumnya. Pada ketiga tipe dioda laser tadi penempatan rongga optik berada tegak lurus dengan aliran arus listrik. Sementara pada jenis dioda ini, rongga optik ditempatkan di sepanjang sumbu aliran arus.
Selain keempat tipe yang diatas, masih terdapat beberapa jenis dioda laser yang diproduksi :
- Jenis Quantum cascade
- Interband cascade
- Distributed bragg reflector
- Distributed feedback
- External cavity
- Vertical external cavity
Cara kerja dioda laser
Cara kerja dioda laser dibagi ke dalam 3 tahapan.
1. Penyerapan energi
Dioda laser terbentuk dari PN junction atau persimpangan PN yang berisi elektron dan hole. Ketika sumber tegangan listrik diterapkan pada dioda, maka elektron di dalam persimpanan PN akan menyerap energi yang berasal dari sumber tegangan tersebut lalu bertransisi ke tingkat enerhgi yang lebih tinggi.
Hole terbentuk pada tahap awal elektron tereksitasi. Sementaran itu elektron tetap pada keadaan tereksitasi tanpa bergabung dengan hole dalam waktu yang sangat singkat, yang disebut sebagai recombination time. Lamanya durasi waktu ini berkisar pada satuan nano detik.
2. Emisi spontan
Setelah melewati fase recombination time elektron akan bergerak bergabung dengan hole yang ada di persimpangan PN. Saat elektron bergerak bergabung degan hole, terjadi transisi energi pada elektron ke tingkat yang lebih rendah.
Perubahan energi dari tingkat tinggi ke tingkat yang lebih rendah ini menghasilkan foton atau radiasi eklektromagnetik. Pancaran foton inilah yang kita lihat sebagai cahaya yang dikeluarkanoleh dioda laser.
3. Emisi terstimulasi
Diperlukan lebih banyak foton koheren dari dioda laser daripada yang dipancarkan melalui proses emisi spontan. Cermin pantul sering digunakan pada kedua sisi dioda, sehingga foton yang dikeluarkan dari emisi spontan terperangkap di persimpangan PN hingga jumlahnya mencapai ambang batas.
Foton yang terperangkap ini mentriger elektron yang terkeksitasi untuk bergabungkembali dengan hole. Kondisi ini menghasilkan lebih banyak pelepasan fotondalam fase yang tepat dengan foton awal. Sehingga output foton yang dihasilkan mennjadi diperkuat.
Ketika jumlah foton melebihi ambang batas, foton akan akan melepas diri dari cermin dan memanttul sebagian, sehingga menghasilkan cahaya koheren monokromatik yang sangat cerah.
Fungsi
Berikut ini beberapa contoh penggunaan dioda laser dalam berbagai bidang :
- Teknologi pemutar dvd / vcd
- Printer laser
- Komunikasi serat optik
- Pembaca bar kode
- Menghilangkan sel kanker
- Menghilangkan katarak
- Untuk teknologi sustem LIDAR
- Perangkat spektrometri
- Alat pemotong material yang presisi
Kelebihan dioda laser semikonduktor
Beberapa kelebihan dioda laser dibandingkan dengan dioda konvensional adalah sebagai berikut :
- Lebih kecil dan ringan
- Kebutuhan arus dan daya listrik yang rendah
- Intensitas rendah
- Sudut beam yang lebih lebar
