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Laserdioden

Laserlicht

Weißes Licht besteht aus allen Farben des sichtbaren Lichtspektrums, das ein sehr breites Band mit vielen verschiedenen Frequenzen ist. Gewöhnliche LEDs geben eine Lichtleistung ab, die oft aus einer Farbe besteht, aber selbst dieses Licht enthält elektromagnetische Wellen, die ein ziemlich breites Frequenzband abdecken.

Jedes Licht, wie weißes Licht, das mehrere Frequenzen oder Wellenlängen enthält, ist schwer auf einen sehr feinen Punkt zu fokussieren. Dies liegt daran, dass das Linsensystem, das das Licht fokussiert, eine feste Brennweite hat, aber die Brennweite, die erforderlich ist, um verschiedene Wellenlängen (Farben) des Lichts zu fokussieren, unterschiedlich ist. Daher wird jede Farbe an verschiedenen Punkten fokussiert, was zu einer sogenannten chromatischen Aberration führt. Dies kann gesehen werden, auch in guter Qualität Linsensysteme als farbige Fransen um Bilder durch die Linse gesehen.

Das Licht eines Lasers enthält nur eine einzige Frequenz und kann daher auch durch ein einfaches Linsensystem auf einen extrem kleinen Punkt fokussiert werden. Es gibt keine chromatische Aberration, da nur eine Wellenlänge existiert, auch die gesamte Energie der Lichtquelle wird in einem sehr kleinen Lichtfleck konzentriert. Typischerweise beträgt der Durchmesser des fokussierten Lichtstrahls eines Lasers, wie er in einem CD-Player zu finden ist, etwa 1,6 µm (weniger als zwei Tausendstel Millimeter). Dies bedeutet, dass bei einer Laserdiodenleistung von nur 0,5 mW die fokussierte (Infrarot-) Leistung des Strahls (unter Berücksichtigung von Verlusten in der Fokussierlinse) etwa 12 kW / cm2 betragen würde.

Laser mit geringer Leistung werden in einer zunehmenden Anzahl bekannter Anwendungen eingesetzt, darunter CD- und DVD-Player und -rekorder, Strichcodeleser, Sicherheitssysteme, optische Kommunikation und chirurgische Instrumente. LASER ist ein Akronym (eine Reihe von Initialen in ein Wort gemacht) für:

Abb. 2.6.1. Ein Galliumatom

Lichtverstärkung durch stimulierte Emission von Strahlung

Der Name beschreibt die Funktionsweise des Geräts, sofern einige Grundprinzipien verstanden werden.

Die Grundlagen eines Atoms

Alles im Universum besteht aus nur etwa 100 verschiedenen Atomen, entweder in reiner Form (ein Element) oder in einer unbegrenzten Anzahl von Kombinationen (Verbindungen und Mischungen). Atome sind ständig in Bewegung. Sie vibrieren, bewegen und rotieren kontinuierlich. Sogar feste Materialien sind tatsächlich in Bewegung. Diese Bewegung wird Erregung genannt. Atome können sich in verschiedenen Anregungszuständen befinden. Mit anderen Worten, sie können unterschiedliche Energieniveaus haben. Wenn einem Atom viel Energie über Wärme, Licht oder Elektrizität zugeführt wird, kann es das sogenannte Grundzustand-Energieniveau verlassen und auf ein angeregtes Niveau gehen. Die Höhe der Anregung hängt von der Energiemenge ab, die an das Atom angelegt wird.

Abb. 2.6.1 ist ein vereinfachtes Diagramm eines Atoms. Es besteht aus einem Kern (der Protonen und Neutronen enthält), der von einer Elektronenwolke umgeben ist, obwohl in diesem vereinfachten Elektronikmodell die Neutronen ignoriert werden, da sie keine elektrische Ladung haben, und es ist auch hilfreich, an die Elektronen zu denken, die den Kern in mehreren festen Bahnen umkreisen. Obwohl andere Modelle des Atoms keine diskreten Bahnen für die Elektronen darstellen, kann es nützlich sein, diese Bahnen als die verschiedenen Energieniveaus des Atoms zu betrachten. Mit anderen Worten, wenn etwas Wärme an ein Atom angelegt wird, würden einige der Elektronen in den niedrigeren Energiebahnen zu höheren Energiebahnen springen, die weiter vom Kern entfernt sind. Dies ist eine stark vereinfachte Sicht der Dinge, enthält aber die Grundidee, wie Atome in Bezug auf Laser funktionieren.

Wenn ein Atom Energie absorbiert und einige seiner Elektronen in eine höherenergetische Umlaufbahn springen, möchte es schließlich in den Grundzustand zurückkehren. Wenn dies der Fall ist, gibt jedes Elektron seine Energie als Photon frei − ein Lichtteilchen. Atome können gesehen werden, wie sie ständig Energie als Photonen freisetzen. Zum Beispiel, wenn Metall glühend heiß leuchtet, ist das rote Licht, das gesehen wird, die Atome des heißen Metalls, die rote Photonen freisetzen. Wenn Sie ein Bild auf einem Fernsehbildschirm betrachten, sehen Sie Phosphoratome, die den Bildschirm beschichten, oder die Oberfläche weißer LEDs, die als Elektronen hochenergetischer Atome angeregt werden, die Photonen freisetzen und direkt oder indirekt unterschiedliche Lichtfarben erzeugen. Viele Geräte erzeugen auf diese Weise Licht – Leuchtstofflampen, Leuchtreklamen, LED-Straßenbeleuchtung und sogar herkömmliche Glühlampen emittieren Licht durch die Einwirkung von Elektronen, die ihre Umlaufbahnen ändern und Photonen freisetzen.

Laserdiodenbau

Abb. 2.6.2. Laserdiodenkonstruktion

Es gibt verschiedene Konstruktionsvarianten für Laserdioden, die jeweils darauf abzielen, den maximalen Wirkungsgrad für die Umwandlung von elektrischem Strom in Laserlicht zu erreichen.

Abb. 2.6.2 zeigt einen vereinfachten Aufbau für eine Laserdiode, die in diesem Fall einer Leuchtdiode (LED) ähnelt, indem sie Galliumarsenid verwendet, das mit Elementen wie Aluminium, Silizium oder Selen dotiert ist, um Halbleitermaterialien vom P- und N-Typ herzustellen. Eine Laserdiode weist jedoch eine zusätzliche aktive Schicht aus undotiertem (intrinsischem) Galliumarsenid auf, die nur wenige Nanometer dick ist und zwischen den P- und N-Schichten angeordnet ist, wodurch effektiv eine PIN-Diode (P-Typ / Intrinsisch / N-Typ) erzeugt wird. In dieser Schicht wird das Laserlicht erzeugt.

Laser Diode Action

Die laser diode geht eine große menge von vorwärts strom von P zu N. Viel größer als die verwendet in eine LED als die Laser diode wird nur produzieren laser licht, wenn betrieben bei über über 80% von seine maximale strom.

Laserpumpen

Abb. 2.6.3. Die Absorption von Energie

Unter diesen Bedingungen befinden sich die Atome in einem hochenergetischen (gepumpten) Zustand und treten als Ladungsträger (Elektronen und Löcher) am PN-Übergang in die aktive Schicht ein. Elektronen haben ein höheres Energieniveau als die Löcher, und wenn sich Elektronen und Löcher wieder verbinden, geht Energie in Form von Photonen verloren. Die erzeugten Photonen schwingen alle mit einer besonders präzisen Frequenz, während sie zwischen den lichtreflektierenden Wänden der aktiven Schicht auf und ab ‚hüpfen‘. Einige Photonen kollidieren mit anderen Atomen und erzeugen so zusätzliche erregte Elektronen, die noch mehr Photonen produzieren. Dieser Vorgang wird als Pumpen bezeichnet und erhöht die Anzahl der hochenergetischen Elektronen, bis sich im angeregten Zustand mehr Elektronen befinden als im nicht erregten Grundzustand. An diesem Punkt, bekannt als Populationsinversion, wird ein konstanter Strom von kohärentem oder Laserlicht erzeugt, da die extra angeregten Photonen Verluste aufgrund von Photonen, die innerhalb des Halbleitermaterials resorbiert werden, mehr als wettmachen. Da die Photonen mit einer einzigen präzisen Frequenz oszillieren, erzeugen sie Laserlicht, das nur eine einzige Wellenlänge hat.

Der Resonanzhohlraum

Abb. 2.6.4. Der Resonanzhohlraum

Wenn die Anzahl der Photonen zunimmt, nimmt die Leistung des Lichts zu. Obwohl ein Teil des Lichts in verschiedene Richtungen entweicht oder innerhalb des Halbleitermaterials absorbiert wird, verlaufen einige der Photonen in einer Richtung parallel zur Laserachse, wie in Fig. 2.6.4 diese prallen von den Enden des Lasermaterials hin und her. Die Endflächen sind sehr genau geschnitten und poliert, um parallel reflektierende Spiegel zu erzeugen. Der Abstand zwischen diesen reflektierenden Oberflächen ist ein genaues Vielfaches einer Wellenlänge, so dass die Lichtwellen (die Photonen) an jedem Ende des Hohlraums reflektieren und in Phase bleiben. Die Amplitude der reflektierten Welle addiert sich zur Amplitude anderer Wellen innerhalb des Hohlraums, so dass sich die Wellen weiter addieren, wenn sie zwischen den Spiegeln hin und her springen. Auf diese Weise bildet die aktive Schicht einen Resonanzhohlraum, der die Verstärkung des Lichts unterstützt. Wenn die Photonen das Kristalllasermaterial passieren, stimulieren sie auch die Emission in anderen Atomen. Dadurch verlässt verstärktes, monochromatisches, einphasiges Licht den Resonanzhohlraum des Lasers durch den teilreflektierenden Spiegel.

Steuerung der Laserdiode.

Abb. 2.6.5. Vergleich zwischen einer LED und einer Laserdiode

Abb. 2.6.6. Steuerung der Laserdiode

Eine Laserdiode ist im Grunde eine LED, die Laserlicht erzeugt; Dazu wird die Laserdiode mit einem viel höheren Strom betrieben, typischerweise etwa 10 mal größer als eine normale LED. Abb. 2.6.5 vergleicht ein Diagramm der Lichtleistung einer normalen LED und die einer Laserdiode. In einer LED steigt die Lichtleistung stetig an, wenn der Diodenstrom erhöht wird. In einer Laserdiode wird jedoch erst dann Laserlicht erzeugt, wenn der Strompegel den Schwellwert erreicht, wenn eine stimulierte Emission auftritt. Die schwelle strom ist in der regel mehr als 80% der maximale strom die gerät wird pass vor zerstört! Aus diesem Grund muss der Strom durch die Laserdiode sorgfältig geregelt werden. Ein weiteres Problem ist, dass die Emission von Photonen sehr temperaturabhängig ist, die Diode bereits nahe an ihrer Grenze betrieben wird und so heiß wird, wodurch sich die Menge des emittierten Lichts (Photonen) und der Diodenstrom ändern. Wenn die Laserdiode effizient arbeitet, steht sie am Rande einer Katastrophe! Wenn der Strom abnimmt und unter den Schwellstrom fällt, hört die stimulierte Emission auf; nur ein wenig zu viel Strom und die Diode wird zerstört.

Da die aktive Schicht mit oszillierenden Photonen gefüllt ist, entweicht ein Teil (typischerweise etwa 60%) des Lichts in einem schmalen, flachen Strahl vom Rand des Diodenchips. Wie in Abb.2.6.6 gezeigt, entweicht auch an der gegenüberliegenden Kante etwas Restlicht und wird zur Aktivierung einer Fotodiode verwendet, die das Licht wieder in elektrischen Strom umwandelt. Dieser Strom wird als Rückmeldung an die automatische Diodentreiberschaltung verwendet, um die Aktivität in der Laserdiode zu messen und so durch Steuerung des Stroms durch die Laserdiode sicherzustellen, dass Strom und Lichtleistung auf einem konstanten und sicheren Niveau bleiben.

Lasermodul

Aus diesen Gründen werden Laserdioden selten allein verwendet; sie werden normalerweise als Laserdiodenmodul geliefert, das Folgendes enthält:

Abb. 2.6.7 Typisches Lasermodul

• Die Diode selbst.

• Ein Photodioden-Lichtsensor.

• Ein Stromregelkreis.

* Eine kollimierende Linse.

Die laser diode modul ist eine selbst-regulierung schaltung, dass sinne seine eigenen licht ausgang und automatisch regelt die versorgung strom und temperatur zu halten die diode betriebs in die kritischen bedingungen, wo laser licht ist produziert.

Optische Korrektur

Abb. 2.6.8 Kollimationslinse

Der von der Laserdiode erzeugte Lichtstrahl muss noch modifiziert werden, um ihn von einem elliptischen, sich ausbreitenden Strahl, der erzeugt wird, wenn das Laserlicht die dünne aktive Schicht der Diode verlässt, in einen kreisförmigen parallelen Strahl zu verwandeln. Dieser Vorgang wird von einer optischen Vorrichtung durchgeführt, die als Kollimationslinse bezeichnet wird (Abb. 2.6.8). Dies kann eine einfache sphärische Linse oder ein asphärischer Typ sein, der einen elliptischen Strahl in einen kreisförmigen umwandeln kann.

Laserdiodenmodule sind komplett mit Optik und Elektronik erhältlich. Ein typisches Modul würde über Einrichtungen wie eingebaute Leistungsstabilisierung, eingebauten langsamen Start und Kühlkörper verfügen. Low-Power-Module (Klasse 2) werden in Laserpointern, Barcodelesern, Visiergeräten, Nivellier- und Positioniergeräten sowie in einer Vielzahl von Bildungs- und Laboranwendungen eingesetzt. Sie erzeugen eine kontinuierliche welle, anstatt eine gepulste welle ausgang, bei verschiedenen wellenlängen zwischen 500nm und 900nm, und so haben verschiedene farben von laser licht (grün zu 532nm und rot zu 650nm) sowie infra-rot und in der nähe von infrarot. Sie sind einfach zu bedienen und erfordern in der Regel eine Gleichstromversorgung von 3 V bis 5 V.

Laserklassifikationen

Laser werden in vier große Bereiche (plus Unterbereiche) eingeteilt, abhängig vom Potenzial, biologische Schäden zu verursachen. Wenn Sie einen Laser sehen, sollte er mit der entsprechenden Klassenbezeichnung gekennzeichnet sein, die im Folgenden kurz beschrieben wird:

Abb. 2.6.9 Typische Laserwarnaufkleber

• • Klasse 1 – Sicher bei normalem Gebrauch. Die Ausgabe ist auf weniger als 0 beschränkt.39mW bei 600nm (weniger für kürzere Wellenlängen).
• * Klasse 1M – Laser, die divergierende Strahlen erzeugen und für alle Einsatzbedingungen sicher sind, außer wenn sie durch Vergrößerungsoptiken wie Mikroskope und Teleskope geleitet werden.
• * Klasse 2−Low power sichtbare laser, die emittieren über Klasse 1 ebenen aber bei einer strahlungs leistung nicht über 1 mw. Das Konzept ist, dass die menschliche Abneigung gegen helles Licht (der Blinkreflex) eine Person schützt. Diese Klasse wird für Laserpointer verwendet.
• * Klasse 2M – Ähnlich der Klasse 2, kann jedoch mehr Leistung zulassen, da Strahlen mit dieser Klassifizierung breite oder divergierende Strahlen erzeugen müssen. Das Licht, das durch die Pupille eines Betrachters fällt, darf nicht größer sein als in Klasse 2 zulässig.
• * Klasse 3R – Laser mit mäßiger Leistung unter 5 MW, die bei eingeschränkter Sicht als sicher gelten und ein geringes Verletzungsrisiko darstellen.
• *Klasse 3B – Gepulste Hochleistungslaser bis 500 MW: Sichtgefährdend (außer bei reflektiertem Licht von einer matten Oberfläche) Für Laseranlagen der Klasse 3B sind erhebliche Kontrollen wie Schutzbrillen und Sicherheitsverriegelungen erforderlich.
• *Klasse 4 – Hochleistungslaser größer als 500 MW. Sie können die Haut verbrennen und potenziell verheerende und dauerhafte Augenschäden durch direkte oder diffuse Strahlbetrachtung verursachen. Sie können auch brennbare Materialien entzünden und somit eine Brandgefahr darstellen. Diese Klassifizierung umfasst viele industrielle, wissenschaftliche, medizinische und militärische Laser.

Geräte, die Laser einer der oben genannten Klassifizierungen verwenden, tragen ein Warnschild ähnlich dem in Abb. 2.6.9 Darstellung der Gefahren und Einstufung des verwendeten Lasers.

Die obige Liste ist eine gekürzte Version der Laserspezifikationen, die in der Norm IEC 60825-1 enthalten sind, und sollte nicht als umfassender Leitfaden herangezogen werden. Der vollständige Standard kann zusammen mit anderen relevanten Sicherheitsinformationen im Webstore der International Electrotechnical Commission

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