Lasery półprzewodnikowe: rodzaje i zasada działania

Po wytworzeniu lasera wiązano się z poważnymi trudnościami, ponieważ wymagało to obecności małego kryształu i opracowania obwodu do jego działania. Dla prostego człowieka na ulicy takie zadanie było niemożliwe. Wraz z rozwojem technologii, możliwość uzyskania wiązki laserowej, nawet w warunkach domowych. Miniaturowy półprzewodnik lasery (diody laserowe) które dziś są produkowane dość szeroko przez przemysł elektroniczny, mogą generować stabilną wiązkę laserową. Porozmawiamy o nich dzisiaj.

Ogólna charakterystyka

Lasery półprzewodnikowe lub diodowe to lasery, które mają ośrodek wzmacniający oparty na półprzewodnikach. Wytwarzanie w nim zachodzi podczas przejścia elektronów między pasmami, z niskim stężeniem nośnika w paśmie przewodzenia, głównie z powodu stymulowanej emisji fotonów. Formalnie takie lasery można sklasyfikować jako półprzewodnikowe, jednak ze względu na inną zasadę działania, rozróżnia się je w odrębnej grupie.

Ze względu na zwiększoną moc optyczną i doskonałe właściwości funkcjonalne półprzewodników, mogą one być stosowane w urządzeniach pomiarowych o zwiększonej dokładności, nie tylko w produkcji, ale także w życiu codziennym, a nawet w medycynie. Laser półprzewodnikowy jest podstawą do odczytu i zapisu dysków komputerowych. Dzięki niemu laserowe wskaźniki, wskaźniki poziomu, mierniki odległości i inne urządzenia przydatne dla ludzi pracują.

Wygląd takiego podzespołu elektronicznego był rewolucją w projektowaniu urządzeń elektrycznych o różnej złożoności. Belka tworzona przez diody o dużej mocy jest używana w medycynie podczas wykonywania wszelkiego rodzaju zabiegów chirurgicznych, w tym przywracania wzroku. Promień lasera jest zdolny do krótkiego czasu, aby dokonać korekty soczewki oka.

W życiu codziennym i przemyśle, użycie lasera półprzewodnikowego jest głównie związane z urządzenia pomiarowe. Moc takich urządzeń może się zmieniać w bardzo szerokim zakresie. Tak więc moc 8 watów wystarcza do zamontowania przenośnego miernika poziomu w warunkach życia. W takim przypadku urządzenie będzie działać niezawodnie i będzie wytwarzać bardzo długi promień lasera. Nawiasem mówiąc, uzyskanie takiej wiązki w oczy jest niebezpieczne, ponieważ z niewielkiej odległości może uszkodzić tkanki miękkie.

Zasada działania lasera półprzewodnikowego

W diodach LED głównym źródłem energii jest proces promieniowania spontanicznego. Jego istotą jest to, że do anody ładowany jest ładunek dodatni, a dioda jest przemieszczana w kierunku do przodu. W tym przypadku otwory są wstrzykiwane z obszaru p do obszaru n złącza p-n oraz od regionu n do regionu p półprzewodnika. Dlatego takie urządzenia często nazywane są laserem półprzewodnikowym iniekcyjnym. Kiedy dziura i elektron znajdują się obok siebie, rekombinują, emitując energię fotonów o określonej długości fali i fononie.

W niektórych przypadkach elektron i dziura mogą znajdować się w tym samym miejscu przez długi czas (mikrosekundy) przed rekombinacją. Jeśli w tym momencie zbliża się foton z częstotliwością rezonansową, to nastąpi wymuszona rekombinacja z uwolnieniem drugiego fotonu. Będzie miał dokładnie ten sam kierunek, fazę i wektor polaryzacji, co pierwszy foton.

Kryształ półprzewodnikowy to cienka prostokątna płyta. W rzeczywistości służy jako falowód optyczny, w którym ilość promieniowania jest ograniczona. Warstwę powierzchniową kryształu można zmodyfikować, tworząc region n. Dolna warstwa służy do utworzenia obszaru r.

Rezultatem jest złącze pn, które ma płaski kształt i duży obszar. Para bocznych końców kryształu jest poddawana polerowaniu, mającym na celu utworzenie równoległych gładkich powierzchni, które stanowią rezonator optyczny. Losowy foton przechodzi przez cały falowód optyczny prostopadły do ​​płaszczyzny emisji spontanicznej. Przed wyjściem na zewnątrz jest odbijany kilka razy od końców i, przechodząc wzdłuż rezonatorów, tworzy wymuszoną rekombinację, generując nowe fotony o tych samych właściwościach. Więc zwiększono promieniowanie. W momencie, gdy zysk zaczyna przekraczać stratę, pojawia się promień.

Istnieją różne rodzaje laserów półprzewodnikowych. Ich główna liczba jest wykonywana na szczególnie cienkiej warstwie. Ich struktura pozwala na formowanie tylko promieniowania równoległego. Jeśli jednak falowód jest szeroki w stosunku do długości fali, to będzie działać w różnych trybach poprzecznych. Takie diody nazywane są domami wielorodzinnymi. Zastosowanie tych laserów pozwala na uzyskanie zwiększonej mocy promieniowania bez odpowiedniej zbieżności wiązki. Niektóre z jego dyspersji są dopuszczalne. Efekt ten służy do "pompowania" innych laserów w drukarkach laserowych i produkcji chemicznej. Jednakże, jeśli istnieje potrzeba specyficznego ogniskowania wiązki, falowód ma taką szerokość, która mogłaby być porównywalna z długością fali.

W tym ostatnim przypadku szerokość wiązki będzie zależeć od granic narzuconych przez załamanie. Instrumenty działające na tej zasadzie są używane w optycznych urządzeniach do przechowywania, wskaźnikach laserowych i technologii światłowodowej. Warto zauważyć, że nie mogą obsługiwać kilku trybów podłużnych i tworzyć wiązki o różnych długościach fali. Na długość belki ma wpływ strefa zabroniona znajdująca się pomiędzy obszarami energetycznymi p i n.

Ponieważ element promieniujący jest bardzo cienki, promień lasera od razu rozchodzi się na wyjściu. Aby zrekompensować rozbieżność lasera półprzewodnikowego i utworzyć cienką wiązkę są używane zbieranie soczewek. Soczewki cylindryczne są używane w urządzeniach wielorodzinnych. W laserach pojedynczych soczewek wykorzystujących soczewki symetryczne, promień w przekroju będzie miał kształt eliptyczny, ponieważ pionowa dywergencja przewyższa jego rozmiar w płaszczyźnie poziomej. Dowodem na to jest wskaźnik laserowy.

Klasyfikacja

Lasery półprzewodnikowe, których fizyka została rozważona powyżej, mają strukturę n-p. Mają niską sprawność, wymagają dużej mocy na wejściu i działają wyłącznie w trybie impulsowym. Z powodu szybkiego przegrzania nie mogą działać inaczej. Pod tym względem zakres takich laserów jest ograniczony. Na ich podstawie stworzono urządzenia o bardziej imponujących parametrach. Rozważ typy laserów półprzewodnikowych.

Double Hetero Laser

Struktura tego urządzenia zapewnia warstwę substancji o wąskiej strefie zakazu. Znajduje się pomiędzy materiałami, w których ta strefa jest znacznie szersza. Z reguły do ​​produkcji takich laserów używa się arsenku galu i glinu galu. Takie związki nazywane są heterostrukturami.

Zaletą tego lasera półprzewodnikowego jest to, że obszar aktywny (obszar elektronów i otworów) znajduje się w warstwie środkowej. Z tego wynika, że ​​siła jest wytwarzana przez znacznie większą liczbę par elektronów i dziur. W obszarze przy niewielkim wysiłku pary te prawie już nie istnieją. Oprócz tego światło odbija się od heterozłączeń. Tak więc promieniowanie znajduje się całkowicie w obszarze najbardziej efektywnego wysiłku.

Laser odwiertu kwantowego

Kiedy środkowa warstwa diody staje się cieńsza, zaczyna działać jak studnia kwantowa. Dlatego energia elektronu jest następnie skwantyzowana w pionie. Różnica między ilością energii studni kwantowych jest wykorzystywana do tworzenia promieniowania zamiast bariery. Jest to bardzo skuteczne pod względem kontrolowania fali wiązki, która bezpośrednio zależy od grubości środkowej warstwy. Ten typ lasera jest znacznie bardziej wydajny niż analog jednowarstwowy, ponieważ gęstość elektronów i dziur jest rozmieszczona bardziej równomiernie.

Laser heterostrukturalny z oddzielną retencją

Główną cechą cienkowarstwowego lasera jest to, że nie jest w stanie skutecznie utrzymać wiązki światła. Aby rozwiązać ten problem, po obu stronach kryształu nakłada się parę dodatkowych warstw o ​​mniejszym załamaniu niż warstwy środkowe. Taka struktura przypomina przewodnik świetlny. Utrzymuje wiązkę znacznie bardziej wydajnie i nazywa się ją heterostrukturą z oddzielnym uchwytem. Laser z heterostrukturą półprzewodnikową został wyprodukowany masowo w 2000 roku.

Lasery sprzężenia zwrotnego

Ten projekt jest używany głównie do komunikacji światłowodowej. Aby ustabilizować falę, poprzeczne wycięcie jest stosowane do złącza pn, w wyniku czego siatka dyfrakcyjna. Z tego powodu tylko jedna długość fali jest zwracana do rezonatora, który jest w niej wzmacniany. W laserach półprzewodnikowych ze sprzężeniem zwrotnym fala ma stałą długość, która jest określona przez skok samego nacięcia. Pod wpływem temperatury można zmienić wcięcie. Zasada działania laserów półprzewodnikowych tego modelu jest podstawą telekomunikacyjnych systemów optycznych.

VCSEL i VECSEL

VCSEL to emitujący powierzchnię model laserowy z pionowym rezonatorem, który emituje światło w kierunku prostopadłym do płaszczyzny kryształu, podczas gdy emisja konwencjonalnych diod laserowych jest równoległa do tej płaszczyzny.

VECSEL różni się od poprzedniego modelem tylko tym, że posiada zewnętrzny rezonator i może być wykonywany z pompowaniem prądowym lub optycznym.

Wyjście impulsowe

Zasada działania lasera półprzewodnikowego polega na generowaniu ciągłej wiązki. Z uwagi na fakt, że elektrony nie pozostają przez długi czas na poziomie przewodnictwa, takie urządzenia nie są odpowiednie do generowania impulsów z przełączaniem Q. Niemniej jednak, dzięki zastosowaniu quasi-ciągłego trybu pracy, możliwe jest znaczne zwiększenie mocy generatora kwantowego. Ponadto diody laserowe mogą być stosowane w przypadkach, gdy konieczne jest utworzenie ultraportowego impulsu z przełączaniem współczynnika siły lub blokady trybu. Moc krótkich impulsów jest zwykle ograniczona do kilku mW. Wyjątkiem są lasery VECSEL, których moc wyjściowa jest mierzona w wielu impulsach wysokiej częstotliwości.

Obudowy do laserów półprzewodnikowych

W miarę rozprzestrzeniania się diod laserowych powstało wiele przypadków, z których każda została zaprojektowana do konkretnego rodzaju pracy. Nie ma oficjalnych standardów w tym kierunku, ale wielcy producenci często zawierają porozumienia dotyczące unifikacji swoich produktów. Istnieją również usługi w zakresie pakowania laserów zgodnie z indywidualnymi wymaganiami klienta. Tak więc, aby wyświetlić listę wszystkich rodzajów obudów, jeśli to możliwe, jest dość problematyczne.

Pinout kontaktów w każdym przypadku może być unikalny, dlatego przed zakupem należy zawsze określić przypisanie pinów. Ponadto warto zauważyć, że pojawienie się przypadku nie zawsze ma bezpośrednią korelację z długością fali.

Moduł laserowy składa się z następujących elementów:

1. Emiter.
2. Element Peltiera.
3. Termistor
4. Fotodioda.
5. Izolator optyczny.
6. Soczewka zbierająca.

Krótko przeanalizuj modele budynków, które są najbardziej powszechne.

Z promieniowaniem wyjściowym

TO - CAN . Ten typ obudowy jest przeznaczony do emitowania małych i średnich zakresów mocy (do 250 mW), ponieważ nie ma specjalnych powierzchni rozpraszających ciepło. Jego rozmiar waha się od 4 do 10 mm, a liczba nóg od 3 do 4. Można je zmieniać na różne sposoby, tworząc 8 typów pinoutów.

Mniej popularne są muszle z napromieniowaniem wyjściowym, modelami C-MOUNT i D-MOUNT.

Z wyjściem włókien

Są to następujące typy:

• DIL . Ta obudowa jest przeznaczona do laserów o mocy większej niż 10 mW, których powierzchnia nie jest wystarczająca do rozpraszania ciepła. Bardziej wydajne chłodzenie odbywa się za pomocą zintegrowanej chłodnicy Peltiera. Przenosi ciepło na krawędź aluminiowej obudowy przeciwnej do włókna. Poprzez umieszczenie nóg w dwóch rzędach o rozstawie 2,5 mm, wraz z lutowaniem, można użyć odłączanego połączenia elektrycznego.
• DBUT - Dual-Butterfly. Jest to najbardziej popularny przypadek laserów półprzewodnikowych do 10-800 mW. Główną zaletą tego modelu jest bardziej efektywne odprowadzanie ciepła dzięki zwiększonemu stykowi elementu Peltiera z modułem laserowym. Dolna powierzchnia urządzenia jest głównym pod względem wymiany ciepła. Zaciski elektryczne znajdują się na powierzchniach bocznych, co komplikuje połączenie wtykowe modułu z płytką sterującą.
• SBUT - Single-Butterfly. Jest to jednostronna wersja poprzedniej sprawy. Ponieważ liczba bolców jest zmniejszona o połowę, nie ma możliwości użycia fotodiody wewnętrznej.

Kierowcy

Laser półprzewodnikowy jest stosowany w wielu urządzeniach wymagających kierunkowej wiązki światła. Prawidłowe połączenie jest najważniejszym punktem w zespole urządzenia.

Laser różni się od modeli Led dzięki obecności miniaturowego kryształu. Ma dużą moc i wysokie napięcie, które może wyłączyć urządzenie. Aby ułatwić pracę lasera półprzewodnikowego, użyj specjalnych obwodów urządzenia, zwanych sterownikami.

Lasery wymagają stabilnego źródła zasilania. Jednak niektóre modele z czerwoną wiązką mogą pracować normalnie w niestabilnej sieci. Tak czy inaczej, nie możesz podłączyć lasera bezpośrednio, nawet jeśli masz kierowcę. Z tych powodów jest używany czujnik prądu który jest odpowiedni jako prosty rezystor. Umieszczony jest między laserem a kierowcą.

Wadą takiego połączenia jest to, że ujemny biegun zasilacza nie jest podłączony do ujemnego obwodu. Dodatkowo towarzyszy temu spadek mocy na rezystorze. Dlatego przed podłączeniem lasera należy dokładnie wybrać sterownik.

Rodzaje sterowników

W celu zapewnienia normalnej pracy lasera zwykle stosuje się dwa typy urządzeń:

• Pulsujący . Dokonuje się tego przez analogię z przetwornikiem napięcia impulsowego zdolnym do zmiany tego parametru. Moc wyjściowa i wejście tego sterownika są w przybliżeniu równe. Niewielka ilość energii zużywana jest na ciepło.
• Liniowy . Działa zgodnie ze schematem, który wiąże się z częstym (częściej niż to konieczne) doprowadzeniem napięcia do diody. Aby zmniejszyć to napięcie, musisz dodatkowo użyć tranzystora, który zamienia nadwyżkę energii na ciepło. Ze względu na niską sprawność, sterowniki liniowe nie są powszechnie stosowane.

Połączenie

Konstrukcja lasera półprzewodnikowego zakłada obecność trzech wniosków. Średnia z nich łączy się z minusem (plus). Plus łączy się z lewą lub prawą nogą, w zależności od modelu. Aby dowiedzieć się, która noga nadaje się do połączenia, musisz zastosować moc. Odpowiedni do tego jest akumulator 1,5 V o rezystancji 5 omów. Źródło minus musi być podłączone do środkowej nogi diody, plus do prawej nogi, a następnie do lewej nogi. Dzięki tej selekcji możesz dowiedzieć się, która z bocznych nóg "działa". W ten sam sposób laser jest podłączony do mikrokontrolera.

Diody mogą działać na bateriach telefonu komórkowego i bateriach palców. Najważniejsze - nie zapominaj, że musisz dodatkowo użyć rezystora ograniczającego o wartości 20 omów.

Połączenie z siecią domową

Aby połączyć się z siecią domową, musisz dodatkowo zabezpieczyć system przed skokami napięcia o wysokiej częstotliwości. Rezystor i stabilizator tworzą blok, który zapobiega spadkom prądu. Aby wyrównać napięcie, użyj diody Zenera. Przy prawidłowym montażu laser będzie działał stabilnie i będzie działał przez długi czas.

Najwygodniejszym sposobem pracy z czerwoną diodą jest około 200 mW. Te lasery półprzewodnikowe wyposażają dyski komputerowe.

Procedura podłączenia do sieci domowej:

1. Sprawdź działanie diody za pomocą baterii.
2. Wybierz najjaśniejszy półprzewodnik. Dioda z dysku komputera świeci światłem podczerwonym. W żadnym wypadku nie można skierować go do oczu.
3. Zamontuj diodę na płycie aluminiowej, która posłuży jako chłodnica do chłodzenia. Aby to zrobić, jest to wstępnie wywiercony otwór.
4. Rozłóż przestrzeń pasty termicznej między laserem i diodą.
5. Podłącz rezystor 5 W i 20 omów do lasera i akumulatora.
6. Przeciągnij diodę za pomocą ceramicznego kondensatora. Zdolność tego ostatniego jest pozbawiona zasad.
7. Wyłączenie lasera, podłącz zasilanie i sprawdź pracę. Powinien pojawić się ciągły czerwony promień.

Podczas połączenia warto pamiętać o bezpieczeństwie i tylko przy wysokiej jakości połączeniach wszystko będzie działać tak, jak powinno.

Laser półprzewodnikowy

Czas dowiedzieć się, gdzie są używane te proste, ale bardzo użyteczne urządzenia. Wydajne lasery półprzewodnikowe z wysoce wydajnym pompowaniem elektrycznym są używane przy umiarkowanym napięciu jako sposób dostarczania energii laserom na paliwo stałe. Mogą działać w szerokim zakresie częstotliwości, w tym w zakresie widzialnym i bliskim oraz środkowym zakresie podczerwieni widma. Niektóre urządzenia mogą zmieniać częstotliwość promieniowania. Laser półprzewodnikowy, którego urządzenie nauczyliśmy się dzisiaj, może szybko modulować i przełączać moc optyczną. Ta funkcja jest używana do produkcji nadajników światłowodowych.

Ze względu na swoją charakterystykę lasery półprzewodnikowe są zdecydowanie najważniejszą klasą generatorów kwantowych.

Są one stosowane w takich obszarach:

1. Produkcja czujników telemetrycznych, wysokościomierzy optycznych, celowników, dalmierzy, pirometrów.
2. Produkcja systemów światłowodowych, spójnych systemów komunikacyjnych, a także systemów transmisji i przechowywania danych.
3. Systemy bezpieczeństwa, kryptografia kwantowa, automatyzacja.
4. Produkcja projektorów wideo, drukarek laserowych, wskaźników laserowych, skanerów, odtwarzaczy CD.
5. Metrologia optyczna i spektroskopia, chirurgia, stomatologia, kosmetologia, terapia.
6. Przetwarzanie materiałów, oczyszczanie wody, kontrola reakcji chemicznych.
7. Inżynieria przemysłowa i sortowanie przemysłowe.
8. Produkcja systemów zapłonowych i systemów obrony powietrznej.