Poluvodički laseri: vrste i princip rada

Jednom je proizvodnja lasera bila povezana s ozbiljnim poteškoćama, budući da je zahtijevala prisutnost malog kristala i razvoj sklopa za njegov rad. Za običnog čovjeka na ulici, takav je zadatak bio nemoguć. Uz razvoj tehnologije, mogućnost dobivanja laserske zrake, čak iu domaćim uvjetima. Minijaturni poluvodič laseri (laserske diode) koja se danas uvelike proizvodi u elektroničkoj industriji, može generirati stabilnu lasersku zraku. Danas ćemo razgovarati o njima.

Opće karakteristike

Poluvodički ili diodni laseri su laseri koji imaju pojačalo na bazi poluvodiča. Generacija u njoj javlja se tijekom međuprostornog prijelaza elektrona, s niskom koncentracijom nositelja u provodnom pojasu, uglavnom zbog stimulirane emisije fotona. Formalno, takvi se laseri mogu klasificirati kao kruto stanje, međutim, zbog različitog načela rada, oni se razlikuju u zasebnu skupinu.

Zbog povećane optičke snage i izvrsnih funkcionalnih svojstava poluvodiča, mogu se koristiti u mjernim uređajima povećane točnosti, ne samo u proizvodnji, nego iu svakodnevnom životu, pa čak iu medicini. Poluvodički laser je osnova za čitanje i pisanje računalnih diskova. Zahvaljujući njemu rade laserski pokazivači, mjerači razine, mjerači udaljenosti i drugi uređaji korisni za ljude.

Pojava takve elektroničke komponente bila je revolucija u dizajnu električnih uređaja različite složenosti. Greda koju stvaraju velike diode koristi se u medicini pri izvođenju svih vrsta kirurških zahvata, uključujući obnovu vida. Laserska zraka može kratko vrijeme izvršiti korekciju leće oka.

U svakodnevnom životu i industriji, upotreba poluvodičkog lasera uglavnom se povezuje mjerni uređaji. Snaga takvih uređaja može varirati u vrlo širokom rasponu. Prema tome, snaga od 8 vata dovoljna je za sastavljanje prijenosnog mjerila razine u životnim uvjetima. U tom slučaju uređaj će raditi pouzdano i stvoriti vrlo dugu lasersku zraku. Usput, takva snopa u oči je opasna, jer na maloj udaljenosti može oštetiti meka tkiva.

Princip rada poluvodičkog lasera

U LED-u glavni izvor energije je proces spontanog zračenja. Njegova je suština da se na anodu primjenjuje pozitivan naboj, a dioda se pomiče u smjeru prema naprijed. U ovom slučaju, rupe se ubrizgavaju iz područja p u regiju n p - n spoja, i od područja n do regije p poluvodiča. Stoga se takvi uređaji često nazivaju poluvodičkim laserskim injekcijama. Kada su jedna rupa i elektron jedno pored drugog, oni rekombiniraju, emitirajući energiju fotona sa specifičnom valnom duljinom i fononom.

U nekim slučajevima, elektron i rupa mogu biti na istom mjestu dugo vremena (mikrosekundi) prije rekombinacije. Ako u ovom trenutku u blizini njih prođe foton s rezonantnom frekvencijom, tada će doći do prisilne rekombinacije s otpuštanjem drugog fotona. Imat će točno isti smjer, fazu i polarizacijski vektor kao i prvi foton.

Poluvodički kristal je tanka pravokutna ploča. Zapravo, on služi kao optički valovod, u kojem je količina zračenja ograničena. Površinski sloj kristala može se modificirati stvarajući regiju n. Donji sloj služi za formiranje područja r.

Rezultat je pn spoj, koji ima ravan oblik i veliko područje. Par bočnih krajeva kristala podvrgnut je poliranju, s ciljem stvaranja paralelnih glatkih površina koje tvore optički rezonator. Slučajni foton prolazi kroz cijeli optički valovod okomito na ravninu spontane emisije. Prije izlaska izvana, ona se nekoliko puta reflektira s krajeva i, prolazeći uz rezonatore, stvara prisilnu rekombinaciju, stvarajući nove fotone s istim karakteristikama. Tako se pojačava zračenje. U trenutku kada dobitak počne prelaziti gubitak, pojavljuje se snop.

Postoje različiti tipovi poluvodičkih lasera. Njihov glavni broj izvodi se na posebno tankom sloju. Njihova struktura omogućuje formiranje samo paralelnog zračenja. Međutim, ako je valovod širok u odnosu na valnu duljinu, tada će raditi u različitim transverzalnim modovima. Takve diode nazivaju se multi-home. Korištenje ovih lasera omogućuje stvaranje povećane snage zračenja bez odgovarajuće konvergencije snopa. Dio njegove disperzije je dopušten. Ovaj učinak koristi se za "pumpanje" drugih lasera u laserske pisače i kemijsku proizvodnju. Međutim, ako postoji potreba za specifičnim fokusiranjem snopa, valovod je takve širine koja se može usporediti s valnom duljinom.

U potonjem slučaju, širina zrake ovisit će o granicama nametnutim lomom. Instrumenti koji rade na ovom principu koriste se u optičkim uređajima za pohranu, laserskim pokazivačima i optičkoj tehnologiji. Važno je napomenuti da oni ne mogu podržavati nekoliko uzdužnih načina rada i stvoriti snop pri različitim istodobnim valnim duljinama. Na duljinu snopa utječe zabranjena zona smještena između energetskih razina p i n regija.

Budući da je komponenta koja zrači vrlo tanka, laserska zraka se odmah divergira na izlazu. Za kompenzaciju divergencije poluvodičkog lasera i stvaranje tankog snopa koriste se prikupljanje leća. Cilindrične leće koriste se u višesmjernim uređajima. Kod lasera s jednostrukim lećama koji koriste simetrične leće, zrake u presjeku imat će eliptičan oblik, budući da vertikalna divergencija premašuje njezinu veličinu u horizontalnoj ravnini. Dobar dokaz za to je laserski pokazivač.

klasifikacija

Poluvodički laseri, čija je fizika razmatrana gore, imaju n-p strukturu. Oni imaju nisku učinkovitost, zahtijevaju veliku snagu na ulazu i rade isključivo u pulsnom modu. Zbog brzog pregrijavanja ne mogu raditi drugačije. U tom smislu, opseg takvih lasera je ograničen. Na njihovoj osnovi kreirani su uređaji s impresivnijim parametrima. Razmotrite vrste poluvodičkih lasera.

Dvostruki Hetero laser

Struktura ovog uređaja osigurava sloj tvari s uskom zonom zabrane. Nalazi se između materijala u kojima je ova zona mnogo šira. U pravilu, za proizvodnju takvih lasera koriste se arsenid galij i aluminij galij. Takvi spojevi nazivaju se heterostrukture.

Prednost ovog poluvodičkog lasera je u tome što je aktivna regija (područje elektrona i rupa) u srednjem sloju. Iz toga slijedi da sila stvara mnogo veći broj parova elektrona i rupa. U području s malo truda, ti su parovi gotovo nestali. Osim toga, svjetlost se reflektira iz hetereunukcija. Dakle, zračenje je u potpunosti u području najučinkovitijeg napora.

Laserski kvantni bunar

Kada je srednji sloj diode tanji, on počinje raditi kao kvantna bušotina. Stoga se energija elektrona kvantizira vertikalno. Razlika između količine energije kvantnih bušotina koristi se za stvaranje zračenja, umjesto barijere. To je vrlo učinkovito u smislu kontrole vala grede, koja izravno ovisi o debljini srednjeg sloja. Ovaj tip lasera je mnogo produktivniji od jedno-slojnog analognog, jer je u njemu gustoća elektrona i rupa ravnomjernije raspodijeljena.

Heterostrukturirani laser s odvojenim zadržavanjem

Glavno obilježje tankoslojnog lasera je da nije sposoban učinkovito držati svjetlosni snop. Da bi se riješio ovaj problem, na obje strane kristala, primjenjuje se par dodatnih slojeva koji imaju manju lom od središnjih slojeva. Takva struktura podsjeća na svjetlosni vodič. Drži snop mnogo učinkovitije i naziva se heterostruktura s odvojenim držanjem. Poluprovodnički laser je bio masovno proizveden 2000. godine.

Laseri za povratne informacije

Ovaj dizajn se uglavnom koristi za optičke komunikacije. Da bi se stabilizirao val, na pn spoju se primjenjuje poprečni usjek, a kao rezultat toga difrakcijska rešetka. Zbog toga se samo jedna valna duljina vraća u rezonator, koji se u njemu pojačava. U poluvodičkim laserima s povratnom vezom val ima konstantnu duljinu, koja je određena visinom samog utora. Pod djelovanjem temperature moguće je promijeniti zarez. Princip rada poluvodičkih lasera ovog modela osnova je telekomunikacijskih optičkih sustava.

VCSEL i VECSEL

VCSEL je površinski laserski model s vertikalnim rezonatorom koji emitira svjetlo u smjeru okomitom na ravninu kristala, dok je emisija konvencionalnih laserskih dioda paralelna toj ravnini.

VECSEL se od prethodnog modela razlikuje samo po tome što ima vanjski rezonator i može se izvoditi s trenutnim ili optičkim pumpanjem.

Impulsni izlaz

Princip rada poluvodičkoga lasera uključuje generiranje kontinuirane zrake. Zbog činjenice da elektroni duže vrijeme ne ostaju na razini provodljivosti, takvi uređaji nisu prikladni za generiranje Q-pulsa. Ipak, zahvaljujući upotrebi kvazi-kontinuiranog načina rada, moguće je značajno povećati snagu kvantnog generatora. Osim toga, laserske diode se mogu koristiti u slučajevima kada je potrebno formirati ultrakratki puls s promjenom koeficijenta sile ili zaključavanja načina. Snaga kratkih impulsa obično je ograničena na nekoliko mW. Jedina iznimka su VECSEL laseri, čiji se izlaz mjeri u više visokofrekventnih impulsa.

Kućišta za poluvodičke lasere

Kako su se laserske diode širile, rastao je niz slučajeva, od kojih je svaki dizajniran za određenu vrstu posla. Nema službenih standarda u tom smjeru, ali veliki proizvođači često sklapaju sporazume o ujedinjenju svojih proizvoda. Postoje i usluge pakiranja lasera prema individualnim zahtjevima kupaca. Dakle, popis svih vrsta ograđenih prostora, ako je moguće, prilično je problematičan.

Pinout kontakata u svakom slučaju može biti jedinstven, tako da uvijek biste trebali odrediti pin zadatak prije kupnje. Osim toga, valja napomenuti da izgled kućišta ne uvijek ima izravnu korelaciju s valnom duljinom.

Laserski modul sastoji se od sljedećih elemenata:

1. Odašiljač.
2. Peltier element.
3. Thermistor.
4. Fotodioda.
5. Optički izolator.
6. Objektiv za uspoređivanje.

Ukratko analizirajte modele zgrada koji su najčešći.

Sa izlaznim zračenjem

TO - CAN . Ovaj tip kućišta je dizajniran tako da emitira male i srednje snage snage (do 250 mW), budući da nema posebne površine koje odvode toplinu. Njegova veličina varira od 4 do 10 mm, a broj nogu od 3 do 4. Mogu se mijenjati na različite načine, formirajući 8 tipova pinouta.

Manje su popularne ljuske s izlaznim zračenjem, C-MOUNT i D-MOUNT modeli.

S izlazom vlakana

To su sljedeće vrste:

• DIL . Ovo kućište je dizajnirano za lasere snage više od 10 mW, čija površina nije dovoljna za rasipanje topline. Učinkovitije hlađenje provodi se pomoću integriranog Peltier hladnjaka. Ona prenosi toplinu na rub aluminijskog kućišta nasuprot izlazu vlakana. Postavljanjem nogu u dva reda s nagibom od 2,5 mm, uz lemljenje, možete koristiti i odvojivi električni priključak.
• DBUT - Dual-Butterfly. To je najpopularniji slučaj za poluvodičke lasere do 10-800 mW. Glavna prednost ovog modela je učinkovitije odvođenje topline zbog povećane kontaktne površine Peltier elementa s laserskim modulom. Donja površina uređaja je glavna u smislu prijenosa topline. Električni priključci nalaze se na bočnim stranama, što komplicira utični spoj modula s upravljačkom pločom.
• SBUT - jednostruki leptir. To je jednostrana verzija prethodnog slučaja. Budući da je broj pinova prepolovljen, ne postoji mogućnost korištenja unutarnjeg fotodiode.

vozač

Poluvodički laser koristi se u mnogim uređajima koji zahtijevaju usmjereni snop svjetlosti. Pravilno spajanje je najvažnija točka u montaži uređaja.

Laser se razlikuje od Led-modela zbog prisutnosti minijaturnog kristala. Ima mnogo snage i visokog napona, što može onemogućiti uređaj. Kako bi se olakšao rad poluvodičkoga lasera, koristiti posebne sklopove uređaja, koji se nazivaju vozači.

Laseri trebaju stabilan izvor napajanja. Međutim, neki modeli s crvenim snopom mogu normalno raditi s nestabilnom mrežom. U svakom slučaju, ne možete izravno povezati laser, čak i ako imate vozača. Iz tih se razloga koristi strujni senzor koji je pogodan kao jednostavan otpornik. Nalazi se između lasera i vozača.

Nedostatak ove veze je činjenica da negativni pol napajanja nije povezan s minusom kruga. Osim toga, popraćeno je padom snage na otporniku. Stoga, prije nego što spojite laser, morate pažljivo odabrati upravljački program.

Vrste vozača

Obično se koriste dvije vrste uređaja kako bi se osigurao normalan rad lasera:

• Pulsirajuće . Provodi se analogno s pretvaračem impulsnog napona koji može varirati ovaj parametar. Izlazna snaga i ulaz ovog upravljačkog programa približno su jednaki. Mala količina energije troši se na toplinu.
• Linearno . Radi prema shemi, koja uključuje česte (češće nego potrebno) napajanje diodom. Da biste smanjili ovaj napon, morate dodatno koristiti tranzistor koji pretvara višak energije u toplinu. Zbog niske učinkovitosti, linearni pogoni nisu široko korišteni.

veza

Dizajn poluvodičkoga lasera pretpostavlja postojanje triju zaključaka. Prosjek njih povezuje se s minusom (plus). Plus se spaja na lijevu ili desnu nogu, ovisno o modelu. Da biste saznali koja je noga prikladna za povezivanje, morate primijeniti snagu. Za to je prikladna 1,5-voltna baterija otpora od 5 ohma. Izvor minus mora biti spojen na srednji dio diode, plus na desnu nogu, a zatim na lijevu nogu. Kroz tu selekciju možete saznati koja je od nogu “radna”. Na isti način, laser je spojen na mikrokontroler.

Diode mogu raditi na bateriji mobilnog telefona i baterijama prstiju. Glavna stvar - ne zaboravite da morate dodatno koristiti ograničavajući otpornik od 20 ohma.

Povezivanje s kućnom mrežom

Da biste se povezali s kućnom mrežom, morate dodatno osigurati sustav od visokofrekventnih naponskih šiljaka. Otpornik i stabilizator stvaraju blok koji sprječava pad struje. Za izjednačavanje napona koristite zener diodu. Uz pravilnu montažu, laser će raditi stabilno i dugo će trajati.

Najpogodniji način rada s crvenom diodom je oko 200 mW. Ovi poluvodički laseri opremljeni su pogonom računala.

Postupak povezivanja s kućnom mrežom:

1. Provjerite rad diode s baterijom.
2. Odaberite najsvjetliji poluvodič. Dioda uzeta iz pogona računala sjaji infracrvenim svjetlom. Ni u kojem slučaju ne može ga usmjeriti prema očima.
3. Montirajte diodu na aluminijsku ploču koja će poslužiti kao radijator za hlađenje. Da biste to učinili, ona je prethodno izbušena rupa.
4. Proširite prostor termalne paste između lasera i diode.
5. Spojite otpornik 5 W i 20 Ohm na laser i bateriju.
6. Sklopite diodu s keramičkim kondenzatorom. Sposobnost potonjeg je neprincipijelna.
7. Isključivanjem lasera spojite napajanje i provjerite rad. Trebala bi se pojaviti postojana crvena zraka.

Prilikom povezivanja valja se sjetiti sigurnosti i da će samo uz kvalitetne veze sve raditi kako treba.

Primjena poluvodičkih lasera

Vrijeme je da saznate gdje se koriste ti jednostavni, ali vrlo korisni uređaji. Snažni poluvodički laseri s visokoučinkovitim električnim pumpanjem koriste se pri umjerenom naponu kao sredstvo za dobavu energije krutim gorivima. Mogu raditi u širokom rasponu frekvencija, uključujući vidljive i bliske i srednje infracrvene zone spektra. Neki uređaji mogu promijeniti frekvenciju zračenja. Poluvodički laser, za koji smo danas naučili, može brzo modulirati i prebaciti optičku snagu. Ova značajka se koristi u proizvodnji odašiljača s optičkim vlaknima.

Zbog svojih karakteristika poluvodički laseri su daleko najvažnija klasa kvantnih generatora.

Koriste se u takvim područjima:

1. Izrada telemetrijskih senzora, optičkih visinomjera, nišana, daljinomjera, pirometara.
2. Proizvodnja optičkih sustava, koherentnih komunikacijskih sustava, kao i sustava za prijenos i pohranu podataka.
3. Sigurnosni sustavi, kvantna kriptografija, automatizacija.
4. Izrada video projektora, laserskih pisača, laserskih pokazivača, skenera, CD playera.
5. Optička metrologija i spektroskopija, kirurgija, stomatologija, kozmetologija, terapija.
6. Obrada materijala, pročišćavanje vode, kontrola kemijskih reakcija.
7. Industrijski inženjering i industrijsko sortiranje.
8. Izrada sustava paljenja i sustava protuzračne obrane.