La diferencia entre diodos emisores de luz y diodos láser

En la tecnología moderna, los diodos emisores de luz (LED) yDiodos láser (LD)son dos tecnologías de fuentes de luz comunes. Aunque son similares en algunos aspectos, tienen diferencias significativas en términos de principio de funcionamiento, aplicación y rendimiento.

La diferencia en el principio de emisión de luz: LED utiliza recombinación de emisión espontánea de portadores inyectados en el área activa para emitir luz, mientras que LD utiliza recombinación de emisión estimulada para emitir luz. La dirección y fase de los fotones emitidos por el diodo emisor de luz son aleatorias, mientras que los fotones emitidos por el diodo láser están en la misma dirección y fase.

LED es la abreviatura de Light Emitting Diode. Se ve ampliamente en la vida diaria, como en las luces indicadoras de electrodomésticos, luces antiniebla traseras de automóviles, etc. Las características más notables de los LED son su larga vida útil y su alta eficiencia de conversión fotoeléctrica. Básicamente, en la unión PN de algunos materiales semiconductores, cuando los portadores minoritarios inyectados se recombinan con los portadores mayoritarios, el exceso de energía se liberará en forma de luz, convirtiendo así directamente la energía eléctrica en energía luminosa. Cuando se aplica un voltaje inverso a la unión PN, es difícil inyectar portadores minoritarios, por lo que no emite luz. Este tipo de diodo fabricado según el principio de electroluminiscencia por inyección se denomina diodo emisor de luz, comúnmente conocido como LED.

LD es la abreviatura en inglés de diodo láser. La estructura física del diodo láser consiste en colocar una capa de semiconductor fotoactivo entre las uniones del diodo emisor de luz. Su superficie extrema es parcialmente reflectante después de ser pulida, formando así una cavidad óptica resonante. En el caso de polarización directa, la unión LED emite luz e interactúa con la cavidad óptica resonante, estimulando así aún más la emisión de una única longitud de onda de luz desde la unión. Las propiedades físicas de esta lámpara dependen del material. El principio de funcionamiento de los diodos láser semiconductores es teóricamente el mismo que el de los láseres de gas. Los diodos láser se utilizan ampliamente en dispositivos optoelectrónicos de baja potencia, como unidades de CD en computadoras y cabezales de impresión en impresoras láser.

Una breve descripción de las diferencias en principios, arquitectura y rendimiento entre los dos.
(1) Diferencia en el principio de funcionamiento: LED utiliza recombinación de emisión espontánea de portadores inyectados en el área activa para emitir luz, mientras que LD utiliza recombinación de emisión estimulada para emitir luz.
(2) Diferencia en arquitectura: LD tiene una cavidad resonante óptica, que permite que los fotones generados oscilen y se amplifiquen en la cavidad, mientras que el LED no tiene una cavidad resonante.
(3) Diferencia en rendimiento: el LED no tiene características de valor crítico y su densidad espectral es varios órdenes de magnitud mayor que la del LD. La potencia de salida de luz del LED es pequeña y el ángulo de divergencia es grande.

Principio de funcionamiento:
Un diodo emisor de luz es un dispositivo semiconductor que genera luz inyectando electrones y huecos. Cuando los electrones y los huecos se recombinan, se libera energía en forma de fotones, produciendo luz visible u otras longitudes de onda de luz. Por el contrario, un diodo láser es un tipo especial de diodo emisor de luz que produce luz mediante la emisión estimulada de radiación. En un diodo láser, cuando los electrones pasan de un nivel de energía alto a un nivel de energía bajo, liberan fotones correspondientes a una frecuencia específica, logrando así una amplificación coherente de la luz.
Características del haz:
Los rayos de luz generados por diodos emisores de luz suelen ser incoherentes, es decir, la fase y la frecuencia de las ondas luminosas no tienen una relación fija. Esto hace que el haz de luz del diodo emisor de luz se difunda ampliamente y no pueda enfocarse muy bien. Por el contrario, los rayos producidos por los diodos láser son coherentes, lo que significa que la fase y la frecuencia de las ondas luminosas tienen una relación fija. Esto permite que el haz del diodo láser esté altamente enfocado, lo que permite aplicaciones más precisas.
Características espectrales:
El espectro producido por los diodos emisores de luz es generalmente amplio y contiene una variedad de longitudes de onda de luz. Esto hace que los diodos emisores de luz se utilicen ampliamente en los campos de iluminación, visualización y retroiluminación. Por el contrario, los diodos láser producen un espectro estrecho que contiene sólo longitudes de onda de luz específicas. Esto hace que los diodos láser tengan un mayor valor de aplicación en campos como las comunicaciones, la medición y el tratamiento médico.
Eficiencia y potencia:
Los diodos emisores de luz son generalmente menos eficientes porque parte de la energía se pierde en forma de calor. Además, la potencia de los diodos emisores de luz suele ser pequeña, lo que limita su uso en aplicaciones de alta potencia. Por el contrario, los diodos láser son más eficientes porque las ondas de luz que producen pueden estar altamente enfocadas, reduciendo así la pérdida de energía. Además, los diodos láser pueden tener mayor potencia, lo que los hace adecuados para aplicaciones de alta potencia.
Áreas de aplicación:
Los diodos emisores de luz se utilizan ampliamente en iluminación, visualización, retroiluminación, transmisión de señales y otros campos. Debido a su menor coste y mayor fiabilidad, la cuota de mercado de los diodos emisores de luz en estos campos está aumentando gradualmente. Por el contrario, los diodos láser se utilizan principalmente en los campos de las comunicaciones, la medición, la medicina, la fabricación y otros. Debido a sus características de alta potencia, alto enfoque y alta coherencia, los diodos láser tienen ventajas únicas en aplicaciones en estos campos.

Parámetros comunes de los diodos láser.
(1) Longitud de onda: es decir, la longitud de onda de trabajo del tubo láser. Actualmente, las longitudes de onda de los tubos láser que se pueden utilizar como interruptores fotoeléctricos incluyen 635 nm, 650 nm, 670 nm, 690 nm, 780 nm, 810 nm, 860 nm, 980 nm, etc.
(2) Corriente umbral Ith: es decir, la corriente a la que el tubo láser comienza a generar oscilación láser. Para los tubos láser generales de baja potencia, su valor es de aproximadamente decenas de miliamperios. La corriente umbral de los tubos láser con una estructura de pozo cuántico múltiple deformada puede ser tan baja como 10 mA. la siguiente.
(3) Corriente de funcionamiento Iop: es decir, la corriente de conducción cuando el tubo láser alcanza la potencia de salida nominal. Este valor es importante para diseñar y depurar el circuito de conducción láser.
(4) Ángulo de divergencia vertical θ⊥: el ángulo en el que la franja luminosa del diodo láser se abre en la dirección perpendicular a la unión PN, generalmente alrededor de 15˚~40˚.
(5) Ángulo de divergencia horizontal θ∥: el ángulo en el que la banda emisora ​​de luz del diodo láser se abre en dirección paralela a la unión PN, generalmente alrededor de 6˚~10˚.
(6) Monitoreo de corriente Im: es decir, la corriente que fluye a través del tubo PIN cuando el tubo láser tiene la potencia de salida nominal.

Inspección de diodos láser
(1) Método de medición de resistencia: retire el diodo láser y mida sus valores de resistencia directa e inversa con un multímetro en el rango R×1k o R×10k. Normalmente, el valor de la resistencia directa está entre 20 y 40 kΩ y el valor de la resistencia inversa es ∞ (infinito). Si el valor de resistencia directa medido excede los 50 kΩ, significa que el rendimiento del diodo láser ha disminuido. Si el valor de resistencia directa medido es superior a 90 kΩ, significa que el diodo ha envejecido mucho y ya no se puede utilizar.
(2) Método de medición de corriente: use un multímetro para medir la caída de voltaje a través de la resistencia de carga en el circuito de accionamiento del diodo láser y luego calcule el valor de corriente que fluye a través del tubo de acuerdo con la ley de Ohm. Cuando la corriente excede los 100 mA, si se ajusta el potenciómetro de potencia del láser (ver Figura 5) y no hay cambios obvios en la corriente, se puede juzgar que el diodo láser está envejeciendo seriamente. Si la corriente aumenta bruscamente y se sale de control, significa que la cavidad de resonancia óptica del diodo láser está dañada.

Existen diferencias significativas entre los diodos emisores de luz y los diodos láser en términos de principios de funcionamiento, características del haz, características espectrales, eficiencia y potencia, y campos de aplicación. Los diodos emisores de luz son adecuados para aplicaciones con fuentes de luz incoherentes y de baja potencia, como iluminación y pantallas, mientras que los diodos láser son adecuados para aplicaciones con fuentes de luz de alta potencia, altamente enfocadas y altamente coherentes, como comunicaciones y medicina. Comprender estas diferencias nos ayuda a seleccionar y aplicar mejor estas dos tecnologías de fuentes de luz para satisfacer las necesidades de diferentes campos.

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