Polovodičové lasery: typy a princip činnosti

Jakmile byla výroba laseru spojena s vážnými obtížemi, protože vyžadovala přítomnost malého krystalu a vývoj obvodu pro jeho provoz. Pro prostého muže na ulici takový úkol nebyl možný. Díky vývoji technologie je možnost získání laserového paprsku iv domácích podmínkách. Miniaturní polovodič lasery (laserové diody) které dnes vyrábí široce elektronický průmysl, mohou vytvářet stabilní laserový paprsek. Dnes o nich budeme mluvit.

Obecné charakteristiky

Polovodičové nebo diodové lasery jsou lasery, které mají zesilovací médium založené na polovodičích. Generace v ní probíhá během interbandového elektronového přechodu, s nízkou koncentrací nosiče ve vodivém pásmu, a to hlavně díky stimulaci emisí fotonů. Formálně mohou být tyto lasery klasifikovány jako polovodiče, avšak vzhledem k odlišnému principu fungování se tyto lasery dělí na samostatnou skupinu.

Díky zvýšenému optickému výkonu a vynikajícím funkčním vlastnostem polovodičů mohou být použity v měřicích přístrojích s vyšší přesností, a to nejen ve výrobě, ale i v každodenním životě, a dokonce iv medicíně. Polovodičový laser je základem pro čtení a zápis počítačových disků. Díky němu laserové ukazovátky, měřidla, dálkoměry a další přístroje užitečné pro lidi pracují.

Vzhled takové elektronické součásti byl revolucí v konstrukci elektrických zařízení s různou složitostí. Lampa tvořená vysoce výkonnými diodami se používá v lékařství při provádění všech druhů chirurgických výkonů včetně obnovení zraku. Laserový paprsek je schopen krátké doby provést korekci oční čočky.

V každodenním životě a v průmyslu je spojeno používání polovodičového laseru měřicí přístroje. Výkon těchto zařízení se může lišit ve velmi širokém rozmezí. Výkon 8 W je tedy dostačující pro montáž přenosného měřidla v životních podmínkách. V takovém případě zařízení spolehlivě pracuje a vytvoří velmi dlouhý laserový paprsek. Mimochodem, dostat takový paprsek do očí je nebezpečný, protože na malou vzdálenost může poškodit měkké tkáně.

Princip fungování polovodičového laseru

U LED diod je hlavním zdrojem energie proces spontánního záření. Její podstatou je, že na anod je aplikován kladný náboj a dioda je posunuta dopředu. V tomto případě jsou otvory vstřikovány z oblasti p do oblasti n p-n křižovatky a od oblasti n do oblasti p polovodiče. Taková zařízení se proto často nazývají injekční polovodičové lasery. Když se díra a elektron nacházejí vedle sebe, rekombinují a vyzařují fotonovou energii se specifickou vlnovou délkou a phononem.

V některých případech může být elektron a otvor umístěny na stejném místě po dlouhou dobu (mikrosekundy) před rekombinací. Pokud v tomto okamžiku projde kolem nich foton s rezonanční frekvencí, pak se při uvolnění druhého fotonu objeví nucená rekombinace. Bude mít přesně stejný směr, fázový a polarizační vektor jako první foton.

Polovodičový krystal je tenká pravoúhlá deska. Ve skutečnosti slouží jako optický vlnovod, v němž je množství záření omezené. Povrchová vrstva krystalu může být modifikována, čímž vznikne oblast n. Spodní vrstva slouží k vytvoření oblasti r.

Výsledkem je pn křižovatka, která má plochý tvar a velkou plochu. Pár bočních konců krystalu je podroben leštění, jehož cílem je vytvořit rovnoběžné hladké povrchy, které tvoří optický rezonátor. Náhodný foton prochází celým optickým vlnovodem kolmo na rovinu spontánní emise. Před odchodem se několikrát odrazí od konců a při procházení rezonátory vytváří nucenou rekombinaci a generuje nové fotony se stejnými vlastnostmi. Takže záření je vylepšeno. V okamžiku, kdy zisk začne překročit ztrátu, objeví se paprsek.

Existují různé typy polovodičových laserů. Jejich hlavní číslo se provádí na zvlášť tenké vrstvě. Jejich struktura umožňuje vytvářet pouze paralelní záření. Pokud je vlnovod široký vzhledem k vlnové délce, bude pracovat v různých příčných režimech. Takové diody se nazývají multi-domov. Použití těchto laserů umožňuje zvýšit výkon záření bez řádné konvergence paprsku. Některá jeho rozptyl je přípustná. Tento efekt se používá k "pumpování" jiných laserů v laserových tiskárnách a chemické výrobě. Pokud je však potřeba specifické zaostření paprsku, vlnovod má takovou šířku, která by mohla být srovnatelná s vlnovou délkou.

V druhém případě bude šířka paprsku záviset na hranicích, které lom přináší. Přístroje používající tento princip se používají v optických úložných zařízeních, laserových ukazatelích a technologii optických vláken. Stojí za zmínku, že nemohou podporovat několik podélných režimů a vytvářet paprsek v různých souběžných vlnových délkách. Délka paprsku je ovlivněna zakázanou oblastí nacházející se mezi energetickými úrovněmi p a n.

Vzhledem k tomu, že vyzařující součást je velmi tenká, laserový paprsek se na výstupu okamžitě rozchází. Využívá se kompenzace divergence polovodičového laseru a vytvoření tenkého paprsku sběrných čoček. Válcová čočka se používá v zařízeních s více zařízeními. U laserů s jedním objektivem používajících symetrické čočky bude paprsek v řezu mít eliptický tvar, protože svislá divergence překračuje jeho velikost ve vodorovné rovině. Dobrým důkazem je laserový ukazatel.

Klasifikace

Polovodičové lasery, jejichž fyzika byla shora uvedena, mají n-p strukturu. Má nízkou účinnost, vyžaduje vysoký výkon na vstupu a pracuje výhradně v pulsním režimu. Kvůli rychlému přehřátí nemohou fungovat jinak. V tomto ohledu je rozsah takových laserů omezen. Na jejich základě byly vytvořeny přístroje s působivějšími parametry. Zvažte typy polovodičových laserů.

Double Hetero laser

Struktura tohoto zařízení poskytuje vrstvu látky s úzkou zónou zákazu. Nachází se mezi materiály, ve kterých je tato zóna mnohem širší. Pro výrobu těchto laserů se zpravidla používá arsenid gallium a hliník gallium. Takové sloučeniny se nazývají heterostruktury.

Výhodou tohoto polovodičového laseru je, že aktivní oblast (oblast elektronů a otvorů) je ve střední vrstvě. Z toho vyplývá, že síla je vytvořena mnohem větším počtem párů elektronů a děr. V oblasti s malým úsilím jsou tyto páry téměř pryč. Kromě toho se světlo odráží z heterojunkcí. Radiace je tedy zcela v oblasti nejúčinnějšího úsilí.

Kvantově studený laser

Když se střední vrstva diody stane tenčí, začne pracovat jako kvantová studna. Proto je energie elektronu kvantována vertikálně. Rozdíl mezi množstvím energie z kvantových jamek se používá k vytvoření záření, místo bariéry. To je velmi efektivní, pokud jde o ovládání vlny paprsku, která přímo závisí na tloušťce střední vrstvy. Tento typ laseru je mnohem produktivnější než jednovrstvý analog, protože v něm je hustota elektronů a děr rovnoměrně rozložena.

Heterostrukturovaný laser se samostatnou retencí

Hlavním rysem tenkovrstvého laseru je to, že není schopen účinně držet světelný paprsek. Při řešení tohoto problému se na obou stranách krystalu aplikují další vrstvy, které mají nižší lom než střední vrstvy. Taková struktura se podobá světlovodu. Slouží tak mnohem efektivněji a nazývá se heterostruktura s odděleným držením. V roce 2000 byl vyroben polovodičový heterostrukturní laser.

Laserové zpětné vazby

Tento návrh se používá hlavně pro komunikaci s optickými vlákny. Pro stabilizaci vlny je aplikován příčný zářez na pn spojení difrakční mřížka. Z tohoto důvodu se do rezonátoru vrací pouze jedna vlnová délka, která je v něm zesílena. V polovodičových laserech se zpětnou vazbou má vlna konstantní délku, která je určena roztečí zářezu samotného. Při působení teploty je možné změnit zářez. Princip fungování polovodičových laserů tohoto modelu je základem telekomunikačních optických systémů.

VCSEL a VECSEL

VCSEL je povrchový laserový model s vertikálním rezonátorem, který vydává světlo ve směru kolmém k rovině krystalu, zatímco emise konvenčních laserových diod je rovnoběžná s touto rovinou.

VECSEL se od předcházejícího modelu liší pouze tím, že má externí rezonátor a může být proveden současným nebo optickým čerpáním.

Impulsní výstup

Princip činnosti polovodičového laseru zahrnuje generování kontinuálního paprsku. Vzhledem k tomu, že elektrony nezůstávají na úrovni vodivosti delší dobu, nejsou tato zařízení vhodná pro generování impulzu Q-switched. Nicméně díky použití kvazikontinuálního provozního režimu je možné výrazně zvýšit výkon kvantového generátoru. Kromě toho mohou být laserové diody použity v případech, kdy je nutné vytvořit ultra krátký impuls s přepínáním součinitele síly nebo zamykání režimu. Výkon krátkých impulzů je obvykle omezen na několik mW. Jedinou výjimkou jsou lasery VECSEL, jejichž výstup je měřen ve více vysokofrekvenčních pulsech.

Pouzdra pro polovodičové lasery

Při rozšíření laserových diod se rozrůstala řada případů, z nichž každá byla určena pro určitý typ práce. V tomto směru neexistují oficiální standardy, ale velcí výrobci často uzavírají dohody o sjednocení svých výrobků. K dispozici jsou také služby pro balení lasery podle individuálních požadavků zákazníka. Seznam všech typů uzávěrů je tedy pokud možno poměrně problematický.

Spojení kontaktů v každém případě může být jedinečné, proto byste měli vždy před zadáním zadat přiřazení pinů. Navíc stojí za zmínku, že vzhled případu nemá vždy přímou korelaci s vlnovou délkou.

Laserový modul se skládá z následujících prvků:

1. Emitor.
2. Peltierův prvek.
3. Termistor
4. Fotodióda.
5. Optický izolátor.
6. Srovnávací objektiv.

Stručně zanalyzujte modely nejobvyklejších budov.

S výstupním zářením

TO - CAN . Tento typ skříně je navržen tak, aby vyzařoval malé a střední rozsahy výkonu (až do 250 mW), protože nemá speciální povrchy s rozptylem tepla. Jeho velikost se pohybuje od 4 do 10 mm a počet nohou od 3 do 4. Mohou být přepínány různými způsoby, tvořit 8 typů pinout.

Méně populární jsou mušle s výstupním zářením, modely C-MOUNT a D-MOUNT.

S výstupem vlákna

Jedná se o následující typy:

• DIL . Toto pouzdro je určeno pro lasery o výkonu více než 10 mW, jejichž povrch není dostatečný pro odvod tepla. Účinnější chlazení se provádí pomocí integrovaného chladiče Peltier. Přenáší teplo na okraj hliníkové skříně opačné k výstupu vlákna. Umístěním nohou ve dvou řadách s roztečí 2,5 mm můžete spolu s pájením použít odpojitelné elektrické připojení.
• DBUT - Dvojitý motýl. Toto je nejpopulárnější případ pro polovodičové lasery do 10-800 mW. Hlavní výhodou tohoto modelu je efektivnější odvod tepla v důsledku zvýšené kontaktní plochy Peltierova prvku s laserovým modulem. Spodní plocha zařízení je hlavní, pokud jde o přenos tepla. Elektrické svorky jsou umístěny na bočních plochách, což komplikuje zásuvné spojení modulu s řídící deskou.
• SBUT - Single-Butterfly. Jedná se o jednostrannou verzi předchozího případu. Vzhledem k tomu, že počet kolíků se sníží na polovinu, není možnost použití interní fotodiody.

Ovladače

Polovodičový laser se používá v mnoha zařízeních, které vyžadují směrový paprsek světla. Správné připojení je nejdůležitějším bodem při montáži zařízení.

Laser se liší od ledních modelů přítomností miniaturního krystalu. Má spoustu napájení a vysokého napětí, které zařízení mohou deaktivovat. Pro usnadnění práce polovodičového laseru používejte speciální obvody zařízení, nazývané ovladače.

Lasery potřebují stabilní zdroj energie. Některé modely s červeným paprskem však mohou normálně pracovat s nestabilní sítí. Tak či onak, nemůžete laser přímo připojit, i když máte ovladač. Z těchto důvodů se používá proudový snímač který je vhodný jako jednoduchý odpor. Je umístěn mezi laserem a řidičem.

Nevýhodou takového spojení je skutečnost, že negativní pól napájecího zdroje není spojen s mínusem obvodu. Navíc je doprovázena poklesem výkonu na rezistoru. Proto před připojením laseru musíte pečlivě vybrat ovladač.

Typy ovladačů

Pro zajištění normálního provozu laseru se obvykle používají dva typy zařízení:

• Pulsní . Provádí se analogicky s měničem impulzního napětí, který je schopen měnit tento parametr. Výkon a vstup tohoto ovladače jsou přibližně stejné. Na teplo se vynakládá malé množství energie.
• Lineární . Pracuje podle schématu, což zahrnuje časté (častěji než nezbytné) napájecí napětí diody. Chcete-li snížit toto napětí, musíte navíc použít tranzistor, který přeměňuje přebytečnou energii na teplo. Díky nízké účinnosti nejsou lineární ovladače široce používány.

Připojení

Návrh polovodičového laseru předpokládá přítomnost tří závěrů. Průměrně se připojí k mínusu (plus). Plus se připojí k levé nebo pravé noze, v závislosti na modelu. Chcete-li zjistit, která noha je vhodná pro připojení, musíte použít napájení. Pro tento účel je vhodná baterie o síle 1,5 V s odporem 5 ohmů. Zdroj mínus musí být připojen ke střední noze diody a plus k pravé noze a potom k levé noze. Prostřednictvím této volby zjistíte, která z postranních nohou "pracuje". Stejným způsobem je laser připojen k mikrokontroléru.

Diody mohou pracovat s bateriemi mobilních telefonů a bateriemi s prsty. Hlavní věc - nezapomeňte, že musíte dodatečně použít omezovací odpor 20 ohmů.

Připojení k síti domácností

Chcete-li se připojit k síti domácností, musíte pomocně zabezpečit systém před vysokofrekvenčními hroty napětí. Rezistor a stabilizátor vytvářejí blok, který zabraňuje proudovým poklesům. Pro vyrovnání napětí použijte zenerovou diodu. S řádnou montáží bude laser pracovat stabilně a bude trvat dlouho.

Nejpohodlnější způsob práce s červenou diodou je asi 200 mW. Tyto polovodičové lasery vybavují počítačové disky.

Postup připojení k domácí síti:

1. Zkontrolujte funkci diody baterií.
2. Vyberte nejjasnější polovodič. Dioda převzatá z počítače se rozsvítí infračerveným světlem. V žádném případě ji nemůže nasměrovat do očí.
3. Namontujte diodu na hliníkovou desku, která slouží jako chladič pro chlazení. Chcete-li to provést, je to předvrtaný otvor.
4. Rozšiřte tepelnou pastu mezi laser a diodu.
5. Připojte k laseru a baterii odpor 5 W a 20 ohmů.
6. Vyměňte diodu s keramickým kondenzátorem. Kapacita posledně jmenované je neprincipována.
7. Vypněte laser, připojte napájení a zkontrolujte práci. Objeví se trvalý červený paprsek.

Během připojení stojí za zmínku o bezpečnosti a že pouze s vysoce kvalitními spojeními bude vše fungovat, jak by mělo.

Polovodičová laserová aplikace

Je čas zjistit, kde jsou tato jednoduchá, ale velmi užitečná zařízení používána. Výkonné polovodičové lasery s vysoce efektivním elektrickým čerpáním se používají při středním napětí jako prostředek dodávání energie laserům na tuhá paliva. Mohou pracovat v širokém rozsahu frekvencí, včetně viditelných a blízkých a středních infračervených zón spektra. Některá zařízení mohou měnit frekvenci záření. Polovodičový laser, zařízení, o kterém jsme se dnes naučili, dokáže rychle modulovat a přepínat optickou energii. Tato funkce se používá při výrobě vysílačů s optickými vlákny.

Díky svým vlastnostem jsou polovodičové lasery zdaleka nejdůležitější třídou kvantových generátorů.

Používají se v těchto oblastech:

1. Výroba senzorů telemetrie, optických výškoměrů, mířidel, hledačů rozsahu, pyrometrů.
2. Výroba optických systémů, koherentní komunikační systémy, jakož i systémy pro přenos a ukládání dat.
3. Bezpečnostní systémy, kvantová kryptografie, automatizace.
4. Výroba videoprojektorů, laserových tiskáren, laserových ukazatelů, skenerů, CD přehrávačů.
5. Optická metrologie a spektroskopie, chirurgie, stomatologie, kosmetologie, terapie.
6. Zpracování materiálů, čištění vody, kontrola chemických reakcí.
7. Průmyslové strojírenství a průmyslové třídění.
8. Výroba zapalovacích systémů a systémů protivzdušné obrany.