læreom elektronik

laserdioder

laserlys

hvidt lys består af alle farverne i det synlige lysspektrum, som er et meget bredt bånd med mange forskellige frekvenser. Almindelige led ‘ er giver en lyseffekt, der ofte består af en farve, men selv det lys indeholder elektromagnetiske bølger, der dækker et ganske bredt frekvensbånd.

ethvert lys, såsom hvidt lys, der indeholder flere frekvenser eller bølgelængder, er vanskeligt at fokusere til et meget fint punkt. Dette skyldes, at linsesystemet, der fokuserer lyset, har en fast brændvidde, men den brændvidde, der kræves for at fokusere forskellige bølgelængder (farver) af lys, er forskellig. Derfor vil hver farve fokusere på forskellige punkter og forårsage det, der kaldes ‘kromatisk aberration’. Dette kan ses, selv i god kvalitet linse systemer som farvet frynser omkring billeder set gennem linsen.

lyset fra en laser indeholder kun en enkelt frekvens og kan derfor fokuseres af selv et simpelt linsesystem til et ekstremt lille punkt. Der er ingen kromatisk aberration, da der kun findes en bølgelængde, også al energi fra lyskilden koncentreres til et meget lille lyspunkt. Typisk vil diameteren af den fokuserede lysstråle fra en laser som den, der findes i en CD-afspiller, være omkring 1,6 liter (mindre end to tusindedele af en millimeter). Dette betyder, at hvis laserdiodeudgangen kun var 0,5 mvstrålens fokuserede (infrarøde) effekt (muliggør tab i fokuslinsen) ville være omkring 12 kg/cm2.

lasere med lav effekt bruges i et stigende antal velkendte applikationer, herunder CD-og DVD-afspillere og optagere, stregkodelæsere, sikkerhedssystemer, optisk kommunikation og kirurgiske instrumenter. LASER er et akronym (en flok initialer lavet til et ord) til:

Fig. 2.6.1. Et Atom af Gallium

Lysforstærkning ved stimuleret Emission af stråling

navnet giver en beskrivelse af, hvordan enheden fungerer, så længe nogle få grundlæggende principper forstås.

det grundlæggende i et Atom

alt i universet består af kun omkring 100 forskellige atomer, enten i en ren form (et element) eller i et ubegrænset antal kombinationer (forbindelser og blandinger). Atomer er konstant i bevægelse. De vibrerer konstant, bevæger sig og roterer. Selv faste materialer er faktisk i bevægelse. Denne bevægelse kaldes ophidselse. Atomer kan være i forskellige tilstande af spænding. Med andre ord kan de have forskellige niveauer af energi. Hvis der påføres meget energi på et atom via varme, lys eller elektricitet, kan det forlade det, der kaldes jordtilstand energiniveau og gå til et ophidset niveau. Eksitationsniveauet afhænger af mængden af energi, der påføres atomet.

Fig. 2.6.1 Er et forenklet diagram af et atom. Den består af en kerne (indeholdende protoner og neutroner) omgivet af en elektronsky, skønt neutronerne i denne forenklede elektronikmodel ignoreres, da de ikke har nogen elektrisk ladning, og det er også nyttigt at tænke på elektronerne, der kredser om kernen i flere faste baner. Selvom andre modeller af atomet ikke skildrer diskrete baner for elektronerne, kan det være nyttigt at tænke på disse baner som atomets forskellige energiniveauer. Med andre ord, hvis der påføres noget varme på et atom, vil nogle af elektronerne i de lavere energibaner hoppe til højere energibaner længere væk fra kernen. Dette er et meget forenklet syn på tingene, men indeholder den grundlæggende ide om, hvordan atomer fungerer i form af lasere.

da et atom absorberer energi, og nogle af dets elektroner hopper til en højere energibane, vil det til sidst vende tilbage til jordtilstanden. Når det gør det, frigiver hver elektron sin energi som en foton − en partikel af lys. Atomer kan ses frigive energi som fotoner hele tiden. For eksempel, når metal lyser rødt varmt, er det røde lys, der ses, atomerne i det varme metal, der frigiver røde fotoner. Når man ser på et billede på en TV-skærm, ser man fosforatomer, der belægger skærmen, eller overfladen af hvide lysdioder bliver ophidset som elektron af højenergiatomer, der frigiver fotoner og direkte eller indirekte producerer forskellige farver af lys. Mange enheder producerer lys på denne måde-lysstofrør, neonskilte, led-gadebelysning og endda traditionelle glødepærer, alle udsender lys gennem virkningen af elektroner, der ændrer baner og frigiver fotoner.

Laserdiodekonstruktion

Fig. 2.6.2. Laserdiodekonstruktion

der er flere variationer af konstruktion, der anvendes til laserdioder, der hver især har til formål at opnå den maksimale effektivitet til konvertering af elektrisk strøm til laserlys.

Fig. 2.6.2 viser en forenklet konstruktion for en laserdiode, som i dette tilfælde svarer til en lysemitterende diode (LED), idet den bruger galliumarsenid, doteret med elementer som aluminium, silicium eller selen til fremstilling af halvledermaterialer af p-type og N-type. Imidlertid har en laserdiode et yderligere aktivt lag af ikke-doteret (iboende) galliumarsenid kun få nanometer tykke, klemt inde mellem P-og N-lagene, hvilket effektivt skaber en stift (P-type/iboende/N-type) diode. Det er i dette lag, at laserlyset produceres.

laserdiode handling

laserdioden passerer en stor mængde fremadstrøm fra P til N. meget større end den, der bruges i en LED, da laserdioden kun producerer laserlys, når den betjenes ved over 80% af dens maksimale strøm.

Laserpumpning

Fig. 2.6.3. Absorptionen af energi

under disse betingelser er atomerne i en stærkt energisk (pumpet) tilstand, og som ladningsbærere (elektroner og huller) kommer ind i det aktive lag ved PN-krydset. Elektroner er på et energiniveau, der er højere end hullerne, og når elektronerne og hullerne kombinerer igen, går energi tabt i form af fotoner. De producerede fotoner svinger alle med en særlig præcis frekvens, da de’ hopper ‘ op og ned mellem de lysreflekterende vægge i det aktive lag. Nogle fotoner kolliderer med andre atomer og skaber således yderligere energiske elektroner, der producerer endnu flere fotoner. Denne proces kaldes ‘pumpning ‘og øger antallet af stærkt energiske elektroner, indtil der er flere elektroner i ophidset tilstand end i ikke-aktiveret’ jord ‘ tilstand. På dette tidspunkt, kendt som befolkningsinversion, produceres en konstant strøm af sammenhængende eller laserlys, da de ekstra ophidsede fotoner mere end kompenserer for tab som følge af, at fotoner genoptages i halvledermaterialet. Fordi fotonerne oscillerer med en enkelt præcis frekvens, producerer de laserlys, der kun har en enkelt bølgelængde.

Resonanshulrummet

Fig. 2.6.4. Resonanshulrummet

når fotonerne stiger i antal, øges lyset i effekt. Selvom noget lys slipper ud i forskellige retninger eller absorberes i halvledermaterialet, løber nogle af fotonerne i en retning parallelt med laseraksen, som vist i Fig. 2.6.4 disse hopper frem og tilbage fra enderne af lasermaterialet. Endefladerne er meget nøjagtigt skåret og poleret for at skabe parallelle reflekterende spejle. Afstanden mellem disse reflekterende overflader er et nøjagtigt multiplum af en bølgelængde, så når lysbølgerne (fotonerne) reflekterer fra hver ende af hulrummet, forbliver de i fase. Amplituden af den reflekterede bølge tilføjer amplituden af andre bølger i hulrummet, så bølgerne fortsætter med at tilføje, når de hopper baglæns og fremad mellem spejlene. På denne måde danner det aktive lag et ‘resonanshulrum’, der hjælper forstærkningen af lyset. Når fotonerne passerer gennem krystallasermaterialet, stimulerer de også emission i andre atomer. Som et resultat forlader forstærket, monokromatisk, enfaset lys laserens resonanshulrum gennem det delvist reflekterende spejl.

styring af laserdioden.

Fig. 2.6.5. Sammenligning mellem en Ledog en laserdiode

Fig. 2.6.6. Styring af laserdioden

en laserdiode er dybest set en LED, der producerer laserlys; for at gøre dette betjenes laserdioden ved en meget højere strøm, typisk omkring 10 gange større end en normal LED. Fig. 2.6.5 sammenligner en graf over lysudgangen fra en normal LED og en laserdiode. I en LED øges lysudgangen støt, når diodestrømmen øges. I en laserdiode produceres laserlys imidlertid ikke, før det aktuelle niveau når tærskelniveauet, når stimuleret emission begynder at forekomme. Tærskelstrømmen er normalt mere end 80% af den maksimale strøm, enheden vil passere, før den ødelægges! Af denne grund skal strømmen gennem laserdioden reguleres omhyggeligt. Et andet problem er, at emissionen af fotoner er meget afhængig af temperaturen, dioden betjenes allerede tæt på dens grænse og bliver så varm og ændrer derfor mængden af udsendt lys (fotoner) og diodestrømmen. Når laserdioden fungerer effektivt, fungerer den på randen af katastrofe! Hvis strømmen reducerer og falder under tærskelstrømmen, ophører stimuleret emission; bare lidt for meget strøm, og dioden ødelægges.

da det aktive lag er fyldt med oscillerende fotoner, undslipper nogle (typisk omkring 60%) af lyset i en smal, flad stråle fra kanten af diodechipen. Som vist i figur 2.6.6 slipper noget restlys også ud ved den modsatte kant og bruges til at aktivere en fotodiode, der omdanner lyset tilbage til elektrisk strøm. Denne strøm bruges som en feedback til det automatiske diodedriverkredsløb, til at måle aktiviteten i laserdioden og så sørg for ved at kontrollere strømmen gennem laserdioden, at strømmen og lyseffekten forbliver på et konstant og sikkert niveau.

lasermodul

af disse grunde bruges laserdioder sjældent alene; de leveres normalt som et laserdiodemodul, som indeholder:

Fig. 2.6.7 typisk lasermodul

• selve dioden.

• en fotodiode lyssensor.

• et strømreguleringskredsløb.

• en kollimerende linse.

laserdiodemodulet er et selvregulerende kredsløb, der registrerer sin egen lysudgang og automatisk regulerer forsyningsstrømmen og temperaturen for at holde dioden i drift under de kritiske forhold, hvor laserlys produceres.

Optisk Korrektion

Fig. 2.6.8 kollimerende linse

lysstrålen produceret af laserdioden har stadig brug for en vis ændring for at ændre den fra en elliptisk, spredende stråle produceret, når laserlyset forlader det tynde aktive lag af dioden til en cirkulær parallel stråle. Denne proces udføres af en optisk enhed kaldet en kollimerende linse (Fig. 2.6.8). Dette kan være en simpel sfærisk linse eller en asfærisk type, som kan omdanne en elliptisk stråle til en cirkulær.

Laserdiodemoduler fås komplet med optik og elektronik. Et typisk modul ville have faciliteter som indbygget strømstabilisering, indbygget langsom start og køleplade. Moduler med lav effekt (klasse 2) bruges i laserpegere, stregkodelæsere, observations -, nivellerings-og positioneringsudstyr samt en bred vifte af uddannelses-og laboratoriebrug. De producerer en kontinuerlig bølge snarere end en pulserende bølgeudgang ved forskellige bølgelængder mellem 500 nm og 900 nm og har derfor forskellige farver af laserlys (grøn ved 532 nm og rød ved 650 nm) såvel som infrarød og nær infrarød. De er enkle at bruge, kræver typisk en 3V til 5V DC forsyning til at fungere.

Laser klassifikationer

lasere klassificeres i fire brede områder (plus underområder) afhængigt af potentialet for at forårsage biologisk skade. Når du ser en laser, det skal mærkes med passende klassebetegnelse, kort beskrevet nedenfor:

Fig. 2.6.9 typiske Laseradvarsel klistermærker

• •klasse 1-sikker under normal brug. Output er begrænset til mindre end 0.39mv ved 600nm (mindre for kortere bølgelængder).
• •klasse 1m − lasere, der producerer divergerende bjælker, sikre til alle brugsbetingelser, undtagen når de føres gennem forstørrelsesoptik såsom mikroskoper og teleskoper.
• •klasse 2 − synlige lasere med lav effekt, der udsender over klasse 1-niveauer, men ved en strålende effekt ikke over 1MV. Konceptet er, at den menneskelige aversionsreaktion på stærkt lys (blinkrefleksen) vil beskytte en person. Denne klasse bruges til laserpegere.
• •klasse 2m − svarende til klasse 2, men kan tillade mere kraft, da bjælker med denne klassificering skal producere brede eller divergerende bjælker. Lys, der passerer gennem en seers elev, må ikke være større end det, der er tilladt i klasse 2.
• •klasse 3R − moderate effektlasere under 5MV, betragtes som sikre, hvor visning er begrænset, hvilket giver lav risiko for skade.
• •Klasse 3B-pulserende lasere med høj effekt op til 500mV: Farlige at se (undtagen som reflekteret lys fra en mat overflade) væsentlige kontroller såsom beskyttelsesbriller og sikkerhedsinterlocks kræves af Klasse 3B laserfaciliteter.
• •Klasse 4 − høj effekt lasere større end 500mV. De kan brænde huden og forårsage potentielt ødelæggende og permanent øjenskade som følge af direkte eller diffus strålevisning. De kan også antænde brændbare materialer og kan således udgøre en brandrisiko. Denne klassifikation omfatter mange industrielle, videnskabelige, medicinske og militære lasere.

udstyr, der bruger lasere af en hvilken som helst af ovenstående klassifikationer, viser sig at have en advarselsmærkat svarende til dem i Fig. 2.6.9 beskrivelse af farerne og klassificeringen af den anvendte laser.

ovenstående liste er en forkortet version af laserspecifikationerne i IEC 60825-1-standarden og bør ikke påberåbes som en omfattende vejledning. Den fulde standard sammen med andre relevante sikkerhedsoplysninger kan købes hos den internationale elektrotekniske Kommissions netbutik