Learnabout Electronics

laserové diody

laserové světlo

bílé světlo je tvořeno všemi barvami spektra viditelného světla, což je velmi široké pásmo mnoha různých frekvencí. Běžné LED diody poskytují světelný výkon často sestávající z jedné barvy, ale i toto světlo obsahuje elektromagnetické vlny pokrývající poměrně široké pásmo frekvencí.

jakékoli světlo, jako je bílé světlo, které obsahuje více frekvencí nebo vlnových délek, je obtížné zaostřit na velmi jemný bod. Je to proto, že systém objektivu zaostřující světlo má pevnou ohniskovou vzdálenost, ale ohnisková vzdálenost potřebná k zaostření různých vlnových délek (barev) světla je odlišná. Proto se každá barva zaměří na různé body, což způsobí takzvanou „chromatickou aberaci“. To lze vidět i v kvalitních objektivových systémech jako barevné lemování kolem obrazů viděných objektivem.

světlo z laseru obsahuje pouze jednu frekvenci, a proto může být Zaostřeno i jednoduchým systémem čoček na extrémně malý bod. Neexistuje žádná chromatická aberace, protože existuje pouze jedna vlnová délka, také veškerá energie ze světelného zdroje je koncentrována do velmi malého bodu světla. Typicky průměr zaostřeného světelného paprsku z laseru, jako je ten, který se nachází v CD přehrávači, by byl asi 1,6 µm (méně než dvě tisíciny milimetru). To znamená, že pokud by výkon laserové diody byl pouze 0,5 mW, zaostřený (infračervený) výkon paprsku (umožňující ztráty v zaostřovací čočce)by byl asi 12kW / cm2.

nízkoenergetické lasery se používají ve stále větším počtu známých aplikací, včetně CD a DVD přehrávačů a rekordérů, čteček čárových kódů, bezpečnostních systémů, optických komunikací a chirurgických nástrojů. LASER je zkratka (svazek iniciál vytvořených do slova) pro:

Obr. 2.6.1. Atom Gallia

zesílení světla stimulovanou emisí záření

název dává popis toho, jak zařízení funguje, pokud je pochopeno několik základních principů.

základy atomu

vše ve vesmíru je tvořeno pouze asi 100 různými atomy, buď v čisté formě (prvek), nebo v neomezeném počtu kombinací (sloučeniny a směsi). Atomy jsou neustále v pohybu. Neustále vibrují, pohybují se a otáčejí. Dokonce i pevné materiály jsou skutečně v pohybu. Tento pohyb se nazývá excitace. Atomy mohou být v různých stavech excitace. Jinými slovy, mohou mít různé úrovně energie. Pokud se na atom aplikuje velké množství energie teplem, světlem nebo elektřinou, může opustit to, co se nazývá úroveň energie v zemi a přejít na vzrušenou úroveň. Úroveň excitace závisí na množství energie aplikované na atom.

obr. 2.6.1 je zjednodušený diagram atomu. Skládá se z jádra (obsahujícího protony a neutrony) obklopeného elektronovým mrakem, i když v tomto zjednodušeném elektronickém modelu jsou neutrony ignorovány, protože nemají žádný elektrický náboj,a je také užitečné myslet na elektrony obíhající kolem jádra v několika pevných drahách. Ačkoli jiné modely atomu nezobrazují diskrétní oběžné dráhy pro elektrony, může být užitečné uvažovat o těchto oběžných drahách jako o různých energetických hladinách atomu. Jinými slovy, pokud je na atom aplikováno nějaké teplo, některé elektrony v nižších energetických drahách by skočily na vyšší energetické dráhy dále od jádra. Jedná se o velmi zjednodušený pohled na věci, ale obsahuje základní představu o tom, jak atomy fungují z hlediska laserů.

jak atom absorbuje energii a některé jeho elektrony skočí na orbitu s vyšší energií, nakonec se chce vrátit do základního stavu. Když to udělá, každý elektron uvolňuje svou energii jako foton-částice světla. Atomy lze vidět uvolňující energii jako fotony po celou dobu. Například, když kov svítí červeně, červené světlo je vidět atomy horkého kovu uvolňující červené fotony. Při pohledu na obrázek na televizní obrazovce, to, co vidíte, jsou atomy fosforu, které pokrývají obrazovku, nebo povrch bílých LED, které jsou excitovány jako elektron atomů s vysokou energií uvolňujících fotony, a přímo nebo nepřímo produkují různé barvy světla. Mnoho zařízení produkuje světlo tímto způsobem − zářivky, neonové značky, LED pouliční osvětlení a dokonce i tradiční žárovky, všechny vyzařují světlo působením elektronů, které mění oběžné dráhy a uvolňují fotony.

Konstrukce Laserových Diod

Obr. 2.6.2. Konstrukce laserových diod

pro laserové diody se používá několik variant konstrukce, z nichž každá je zaměřena na dosažení maximální účinnosti pro přeměnu elektrického proudu na laserové světlo.

obr. 2.6.2 znázorňuje zjednodušenou konstrukci pro laserovou diodu, která je v tomto případě podobná světelné diodě (LED) v tom, že používá arsenid Galia, dopovaný prvky, jako je hliník,křemík nebo selen, k výrobě polovodičových materiálů typu P A N. Laserová dioda má však další aktivní vrstvu nedopovaného (vnitřního) arsenidu Galia jen několik nanometrů tlustého, vloženého mezi vrstvy P A N, což účinně vytváří diodu PIN (typ P/vnitřní/N). V této vrstvě se vyrábí laserové světlo.

Laserová dioda akce

laserová dioda prochází velkým množstvím dopředného proudu od P do N. mnohem větší než u LED, protože laserová dioda bude produkovat laserové světlo pouze při provozu nad 80% svého maximálního proudu.

laserové čerpání

obr. 2.6.3. Absorpce energie

za těchto podmínek jsou atomy ve vysoce nabitém (čerpaném) stavu a jako nosiče náboje (elektrony a díry) vstupují do aktivní vrstvy na PN křižovatce. Elektrony jsou na energetické úrovni vyšší než u děr, a jak elektrony a díry znovu kombinují energii, ztrácí se ve formě fotonů. Vyrobené fotony, všechny oscilují na obzvláště přesné frekvenci, když se „odrážejí“ nahoru a dolů mezi světelně odrážejícími stěnami aktivní vrstvy. Některé fotony se srazí s jinými atomy, a tak vytvářejí další energizované elektrony, které produkují ještě více fotonů. Tento proces se nazývá „čerpání“ a zvyšuje počet elektronů s vysokým napětím, dokud ve vzrušeném stavu není více elektronů než ve stavu „země“ bez energie. V tomto bodě, známý jako populační inverze, vzniká konstantní proud koherentního nebo laserového světla, protože extra excitované fotony více než kompenzují jakékoli ztráty způsobené tím, že fotony jsou znovu absorbovány v polovodičovém materiálu. Protože fotony oscilují na jedné přesné frekvenci, produkují laserové světlo, které má pouze jednu vlnovou délku.

Rezonanční Dutina

Obr. 2.6.4. Rezonanční dutina

jak se počet fotonů zvyšuje, světlo se zvyšuje. Ačkoli některé světlo uniká v různých směrech nebo je absorbováno uvnitř polovodičového materiálu, některé fotony běží ve směru rovnoběžném s osou laserů, jak je znázorněno na obr. 2.6.4 tyto se odrážejí tam a zpět od konců laserového materiálu. Koncové plochy jsou velmi přesně řezané a leštěné, aby se vytvořila paralelní odrazná zrcadla. Vzdálenost mezi těmito odraznými plochami je přesný násobek jedné vlnové délky, takže když se světelné vlny (fotony) odrážejí od každého konce dutiny, zůstávají ve fázi. Amplituda odražené vlny přispívá k amplitudě dalších vln v dutině, takže vlny se přidávají, když se odrazí dozadu a dopředu mezi zrcadly. Tímto způsobem aktivní vrstva vytváří „rezonanční dutinu“, která napomáhá zesílení světla. Jak fotony procházejí krystalovým laserovým materiálem, stimulují také emise v jiných atomech. Výsledkem je, že zesílené monochromatické jednofázové světlo opouští rezonanční dutinu laseru částečně odrážejícím zrcadlem.

ovládání laserové diody.

Obr. 2.6.5. Srovnání mezi led a laserovou diodou

Obr. 2.6.6. Ovládání laserové diody

laserová dioda je v podstatě LED produkující laserové světlo; k tomu je laserová dioda provozována při mnohem vyšším proudu, obvykle asi 10krát větším než normální LED. Obr. 2.6.5 porovnává graf světelného výkonu normální LED a výkonu laserové diody. V LED se světelný výkon neustále zvyšuje, jak se zvyšuje diodový proud. V laserové diodě se však laserové světlo nevytváří, dokud aktuální úroveň nedosáhne prahové úrovně, když začne docházet ke stimulované emisi. Prahový proud je obvykle více než 80% maximálního proudu, který zařízení projde před zničením! Z tohoto důvodu musí být proud přes laserovou diodu pečlivě regulován. Dalším problémem je, že emise fotonů je velmi závislá na teplotě, dioda je již provozována blízko své hranice a tak se zahřívá, proto mění množství emitovaného světla (fotonů) a diodový proud. V době, kdy laserová dioda pracuje efektivně, pracuje na pokraji katastrofy! Pokud se proud sníží a klesne pod prahový proud, stimulovaná emise přestane; jen trochu příliš mnoho proudu a dioda je zničena.

vzhledem k tomu, že aktivní vrstva je naplněna oscilačními fotony, některé (typicky asi 60%) světla uniká v úzkém plochém paprsku z okraje diodového čipu. 2.6.6 některé zbytkové světlo také uniká na opačném okraji a používá se k aktivaci fotografické diody, která převádí světlo zpět na elektrický proud. Tento proud se používá jako zpětná vazba k obvodu automatického ovladače diody, k měření aktivity v laserové diodě, a proto se ujistěte, že řízením proudu laserovou diodou zůstává proud a světelný výkon na konstantní a bezpečné úrovni.

laserový modul

z těchto důvodů se laserové diody používají jen zřídka; obvykle se dodávají jako modul laserové diody, který obsahuje:

Obr. 2.6.7 typický laserový modul

• samotná dioda.

* fotodiodový světelný senzor.

* obvod regulace proudu.

• kolimační čočka.

modul laserové diody je samoregulační obvod, který snímá vlastní světelný výkon a automaticky reguluje napájecí proud a teplotu, aby dioda fungovala v kritických podmínkách, kde se vyrábí laserové světlo.

Optická Korekce

Obr. 2.6.8 kolimační čočka

paprsek světla produkovaný laserovou diodou stále potřebuje nějakou modifikaci, aby se změnil z eliptického, šířícího se paprsku produkovaného, když laserové světlo opouští tenkou aktivní vrstvu diody, do kruhového paralelního paprsku. Tento proces se provádí optickým zařízením nazývaným kolimační čočka (obr. 2.6.8). Může to být jednoduchá sférická čočka nebo asférický typ,který může přeměnit eliptický paprsek na kruhový.

laserové diodové moduly jsou k dispozici kompletní s optikou a elektronikou. Typický modul by měl zařízení, jako je vestavěná stabilizace výkonu, vestavěný pomalý start a chladič. Moduly s nízkým výkonem (Třída 2) se používají v laserových ukazovátkách, čtečkách čárových kódů, zaměřovacích, vyrovnávacích a polohovacích zařízeních, jakož i v široké škále vzdělávacích a laboratorních použití. Produkují spojitou vlnu, spíše než pulzní vlnový výstup, při různých vlnových délkách mezi 500nm a 900nm, a tak mají různé barvy laserového světla (zelená při 532nm a červená při 650nm), stejně jako infračervená a téměř infračervená. Jsou jednoduché na používání, vyžadující typicky napájení 3V až 5V DC.

laserové klasifikace

lasery jsou rozděleny do čtyř širokých oblastí (plus podoblasti) v závislosti na potenciálu způsobení biologického poškození. Když vidíte laser, měl by být označen vhodným označením třídy, stručně popsaným níže:

Obr. 2.6.9 typické samolepky LaserWarning

• •Třída 1-Bezpečné za podmínek normálního použití. Výstup je omezen na méně než 0.39mW při 600nm (méně pro kratší vlnové délky).
• * Třída 1M-lasery produkující divergentní paprsky, bezpečné pro všechny podmínky použití, s výjimkou případů, kdy procházejí zvětšovací optikou, jako jsou mikroskopy a dalekohledy.
• * Třída 2 – nízkoenergetické viditelné lasery, které emitují nad úrovní třídy 1, ale při sálavém výkonu nepřesahujícím 1mW. Koncept spočívá v tom, že reakce lidské averze na jasné světlo (blikající reflex) ochrání člověka. Tato třída se používá pro laserová ukazovátka.
• * Třída 2M-podobná třídě 2, ale může umožnit větší výkon, protože paprsky s touto klasifikací musí produkovat široké nebo rozbíhající se paprsky. Světlo procházející žákem diváka nesmí být větší, než je povoleno ve třídě 2.
• * Třída 3R-středně výkonné lasery pod 5mW, považované za bezpečné tam, kde je omezeno sledování, což dává nízké riziko zranění.
• * Třída 3B-vysoce výkonné pulzní lasery do 500mW: Nebezpečné pro zobrazení (s výjimkou odraženého světla z matného povrchu) u laserových zařízení třídy 3B jsou vyžadovány významné ovládací prvky, jako jsou ochranné brýle a bezpečnostní blokování.
• * třída 4-vysoce výkonné lasery větší než 500mW. Mohou spálit kůži a způsobit potenciálně zničující a trvalé poškození očí v důsledku přímého nebo difúzního sledování paprsku. Mohou také vznítit hořlavé materiály, a tak mohou představovat riziko požáru. Tato klasifikace zahrnuje mnoho průmyslových, vědeckých, lékařských a vojenských laserů.

bylo zjištěno, že zařízení používající lasery kterékoli z výše uvedených klasifikací nese výstražný štítek podobný těm na obr. 2.6.9 popis nebezpečí a klasifikace použitého laseru.

výše uvedený seznam je zkrácenou verzí specifikací laseru obsažených v normě IEC 60825-1 a nemělo by se na něj spoléhat jako na komplexního průvodce. Plný standard, spolu s dalšími relevantními bezpečnostními informacemi lze zakoupit v internetovém obchodě International Electrotechnical Commission