Learnabout Electronics

laserdiodit

laservalo

valkoinen valo koostuu näkyvän valon spektrin kaikista väreistä, jotka ovat hyvin laaja, monien eri taajuuksien kaista. Tavalliset LEDit antavat valotehon, joka koostuu usein yhdestä väristä, mutta sekin valo sisältää sähkömagneettisia aaltoja, jotka peittävät melko laajan taajuuskaistan.

mitä tahansa valoa, kuten valkoista valoa, joka sisältää useita taajuuksia tai aallonpituuksia, on vaikea tarkentaa kovin hienoon pisteeseen. Tämä johtuu siitä, että valoa tarkentavalla objektiivijärjestelmällä on kiinteä polttoväli, mutta valon eri aallonpituuksien (värien) tarkentamiseen tarvittava polttoväli on erilainen. Siksi jokainen väri tarkentuu eri kohtiin aiheuttaen niin sanotun kromaattisen poikkeaman. Tämä näkyy hyvälaatuisissakin objektiivijärjestelmissä värillisenä fringinä linssin läpi nähtyjen kuvien ympärillä.

laserin valo sisältää vain yhden taajuuden, minkä vuoksi se voidaan keskittää yksinkertaisellakin linssijärjestelmällä äärimmäisen pieneen pisteeseen. Kromaattista poikkeamaa ei ole, koska vain yksi aallonpituus on olemassa, myös kaikki valonlähteen energia on keskittynyt hyvin pieneen valopilkkuun. Tyypillisesti CD-soittimessa olevan kaltaisen laserin fokusoidun valonsäteen halkaisija olisi noin 1,6 µm (alle kaksi millimetrin tuhannesosaa). Tämä tarkoittaa, että jos laserdiodin teho olisi vain 0,5 mW, säteen fokusoitu (infrapuna) teho (ottaen huomioon fokusoivan Objektiivin häviöt) olisi noin 12kw/cm2.

pienitehoisia lasereita käytetään yhä useammissa tutuissa sovelluksissa, kuten CD-ja DVD-soittimissa ja tallentimissa, viivakoodinlukijoissa, turvajärjestelmissä, optisessa viestinnässä ja kirurgisissa instrumenteissa. LASER on lyhenne (joukko alkukirjaimia tehty sanaksi):

Fig. 2.6.1. Galliumatomi

valon vahvistus Stimuloidulla Säteilypäästöllä

nimi antaa kuvauksen laitteen toiminnasta, kunhan vain muutama perusperiaate ymmärretään.

atomin perusteet

kaikki maailmankaikkeudessa koostuu vain noin sadasta eri atomista, joko puhtaassa muodossa (alkuaine) tai rajoittamattomassa määrässä yhdistelmiä (yhdisteitä ja seoksia). Atomit ovat jatkuvasti liikkeessä. Ne jatkuvasti värähtelevät, liikkuvat ja pyörivät. Kiinteät materiaalitkin ovat oikeasti liikkeessä. Tätä liikettä kutsutaan herätykseksi. Atomit voivat olla eri viritystiloissa. Toisin sanoen niillä voi olla eri energiatasot. Jos atomiin kohdistuu paljon energiaa lämmön, valon tai sähkön välityksellä, se voi jättää niin sanotun maatilan energiatason ja siirtyä viritetylle tasolle. Magnetaation taso riippuu atomiin kohdistuvan energian määrästä.

Kuva. 2.6.1 on yksinkertaistettu atomin kaavio. Se koostuu ytimestä (sisältää protoneja ja neutroneja), jota ympäröi elektronipilvi, vaikka tässä yksinkertaistetussa elektronimallissa neutronit jätetään huomiotta, koska niillä ei ole sähkövarausta, ja sen on myös hyödyllistä ajatella elektroneja, jotka kiertävät ydintä useilla kiinteillä orbitaaleilla. Vaikka atomin muut mallit eivät kuvaa elektronien erillisiä orbitaaleja, voi olla hyödyllistä ajatella näitä orbitaaleja atomin eri energiatasoina. Toisin sanoen, jos atomiin kohdistetaan jonkin verran lämpöä, osa alemman energian orbitaalien elektroneista hyppäisi korkeamman energian orbitaaleille kauempana ytimestä. Tämä on hyvin yksinkertaistettu näkemys asioista, mutta sisältää perusidean siitä, miten atomit toimivat laserien suhteen.

kun atomi absorboi energiaa ja osa sen elektroneista hyppää korkeamman energian kiertoradalle, se haluaa lopulta palata maatilaan. Tällöin jokainen elektroni vapauttaa energiansa fotonina eli valohiukkasena. Atomien voidaan nähdä vapauttavan energiaa fotoneina koko ajan. Esimerkiksi metallin hehkuessa punakuumana Näkyvä punainen valo on kuuman metallin atomeja, jotka vapauttavat punaisia fotoneja. Kun katsot kuvaa televisioruudulta, näet fosforiatomeja, jotka peittävät näytön, tai valkoisten ledien pinnan, joka kiihtyy elektronina korkeaenergisistä atomeista, jotka vapauttavat fotoneja ja tuottavat suoraan tai epäsuorasti erivärisiä valoja. Monet laitteet tuottavat tällä tavoin valoa − loistevalot, neonkyltit, LED-katuvalaistus ja jopa perinteiset hehkulamput säteilevät kaikki valoa elektronien vaikutuksesta, jotka muuttavat kiertoratoja ja vapauttavat fotoneja.

Laserdiodin Rakenne

Fig. 2.6.2. Laserdiodirakenteesta

laserdiodeille on olemassa useita konstruktiomuunnoksia, joista jokaisella pyritään maksimaaliseen tehokkuuteen sähkövirran muuntamisessa laservaloksi.

Kuva. 2.6.2 osoittaa yksinkertaistetun rakenteen laserdiodille, joka tässä tapauksessa on samanlainen kuin valodiodi (LED), koska se käyttää galliumarsenidia, joka on seostettu sellaisilla elementeillä kuin alumiini, pii tai Seleeni tuottamaan p-tyypin ja N-tyypin puolijohdemateriaaleja. Kuitenkin laserdiodi on ylimääräinen aktiivinen kerros un-seostamaton (luontainen) galliumarsenidi vain muutaman nanometrin paksu, välissä P ja n kerrokset, tehokkaasti luoda PIN (p tyyppi/luontainen/n tyyppi) diodi. Tässä kerroksessa syntyy laservalo.

laserdiodin toiminta

laserdiodi siirtää suuren määrän etuvirtaa P: stä n: ään.paljon suurempi kuin LED: ssä käytetty, sillä laserdiodi tuottaa laservaloa vain, kun sitä käytetään yli 80% maksimivirrasta.

Laserpumppaus

Fig. 2.6.3. Energian absorptio

näissä olosuhteissa atomit ovat erittäin energisessä (pumpatussa) tilassa, ja varauskantajina (elektronit ja reiät) pääsevät aktiiviseen kerrokseen PN-liitoksessa. Elektronien energiataso on suurempi kuin reikien, ja elektronien ja reikien uudelleen yhdistyessä energia katoaa fotonien muodossa. Kaikki tuotetut fotonit värähtelevät erityisen tarkalla taajuudella ”pomppiessaan” ylös ja alas aktiivisen kerroksen valoa heijastavien seinien välissä. Jotkut fotonit törmäävät toisiin atomeihin ja luovat siten lisäjännitteisiä elektroneja, jotka tuottavat vielä enemmän fotoneja. Tätä prosessia kutsutaan ”pumppaukseksi” ja se lisää voimakkaasti jännitteisten elektronien määrää, kunnes jännittyneessä tilassa on enemmän elektroneja kuin energisoimattomassa ”maassa”. Tässä vaiheessa, joka tunnetaan populaation inversiona, syntyy jatkuva koherentin tai laservalon virta, koska ylimääräiset jännittyneet fotonit korvaavat enemmän kuin mahdolliset häviöt, jotka johtuvat fotonien uudelleen absorboitumisesta puolijohdemateriaaliin. Koska fotonit värähtelevät yhdellä tarkalla taajuudella, ne tuottavat laservaloa, jolla on vain yksi aallonpituus.

Resonanssiontelo

Fig. 2.6.4. Resonanssiontelo

fotonien lukumäärän kasvaessa valon teho kasvaa. Vaikka osa valosta pakenee eri suuntiin tai imeytyy puolijohdemateriaaliin, osa fotoneista kulkee laserin akselin suuntaisesti, kuten kuvassa esitetään. 2.6.4 nämä kimpoavat edestakaisin lasermateriaalin päistä. Päätypinnat on erittäin tarkasti leikattu ja kiillotettu, jotta voidaan luoda yhdensuuntaisia heijastavia peilejä. Näiden heijastavien pintojen välinen etäisyys on tarkka yhden aallonpituuden kerrannainen, joten valoaaltojen (fotonien) heijastuessa ontelon kummastakin päästä ne pysyvät vaiheittain. Heijastuneen aallon amplitudi lisää ontelossa olevien muiden aaltojen amplitudia, joten aallot lisääntyvät jatkuvasti, kun ne pomppivat peilien välillä edestakaisin. Tällä tavoin aktiivinen kerros muodostaa ”kaikuvan ontelon”, joka auttaa valon vahvistumista. Kun fotonit kulkevat kidelaserimateriaalin läpi, ne kiihdyttävät emissiota myös muissa atomeissa. Tämän seurauksena monistettu, monokromaattinen, yksivaiheinen valo lähtee laserin resonanssiontelosta osittain heijastavan peilin kautta.

ohjaa laserdiodia.

Fig. 2.6.5. Vertailu LED-ja laserdiodin välillä

Fig. 2.6.6. Laserdiodin ohjaaminen

laserdiodi on periaatteessa laservaloa tuottava LED; tätä varten laserdiodi toimii paljon suuremmalla virralla, tyypillisesti noin 10 kertaa suuremmalla kuin normaali LED. Kuva. 2.6.5 vertaa kuvaajan valoteho normaali LED ja että laserdiodi. Ledissä valoteho kasvaa tasaisesti diodivirran kasvaessa. Laserdiodissa laservaloa ei kuitenkaan synny ennen kuin nykyinen taso saavuttaa kynnystason, jolloin stimuloitua emissiota alkaa esiintyä. Kynnysvirta on yleensä yli 80% maksimivirrasta, jonka laite läpäisee ennen tuhoamistaan! Tästä syystä laserdiodin läpi kulkeva virta on säädettävä huolellisesti. Toinen ongelma on, että fotonien emissio on hyvin riippuvainen lämpötilasta, diodi toimii jo lähellä rajojaan ja siten kuumenee, jolloin säteilevän valon määrä (fotonit) ja diodivirta muuttuvat. Kun laserdiodi toimii tehokkaasti, se toimii katastrofin partaalla! Jos virta vähenee ja alittaa kynnysvirran, stimuloitu emissio lakkaa; vain vähän liikaa virtaa ja diodi tuhoutuu.

koska aktiivinen kerros on täynnä värähteleviä fotoneja, osa (tyypillisesti noin 60%) valosta pakenee kapeana, tasaisena säteenä diodisirun reunalta. Kuten kuvassa 2.6.6 on esitetty, osa jäljelle jäävästä valosta pakenee myös vastakkaisesta reunasta ja sitä käytetään aktivoimaan valodiodi, joka muuntaa valon takaisin sähkövirraksi. Tätä virtaa käytetään takaisinkytkentänä automaattiselle diodi-ohjainpiirille laserdiodin aktiivisuuden mittaamiseen ja varmista siten ohjaamalla virtaa laserdiodin läpi, että virta ja valoteho pysyvät vakiona ja turvallisella tasolla.

Lasermoduuli

näistä syistä laserdiodeja käytetään harvoin yksinään; ne toimitetaan yleensä laserdiodimoduulina, joka sisältää:

Kuva. 2.6.7 tyypillinen Lasermoduuli

• itse diodi.

* fotodiodivalotunnistin.

* virtasäätöpiiri.

* kollimoiva linssi.

laserdiodimoduuli on itsesäätyvä piiri, joka aistii Oman valotehonsa ja säätelee automaattisesti syöttövirtaa ja lämpötilaa pitääkseen diodin toiminnassa kriittisissä olosuhteissa, joissa tuotetaan laservaloa.

Optinen Korjaus

Kuva. 2.6.8 Kollimoituva linssi

laserdiodin tuottama valonsäde tarvitsee vielä jonkin verran muokkausta muuttaakseen sen elliptisestä, levittyvästä säteestä, joka syntyy, kun laservalo jättää diodin ohuen aktiivisen kerroksen pyöreäksi yhdensuuntaiseksi säteeksi. Tämä prosessi suoritetaan optisella laitteella, jota kutsutaan kollimaatiolinssiksi(Kuva. 2.6.8). Tämä voi olla yksinkertainen pallomainen linssi tai Asfäärinen tyyppi, joka voi muuntaa elliptisen säteen pyöreäksi.

Laserdiodimoduuleja on saatavana täydellisinä optiikalla ja elektroniikalla. Tyypillisessä moduulissa olisi tilat, kuten sisäänrakennettu tehonvakautus, sisäänrakennettu hidas käynnistys ja jäähdytyslevy. Pienitehoisia moduuleja (Luokka 2) käytetään laserosoittimissa, viivakoodinlukijoissa, havainnointi -, tasoitus-ja paikannuslaitteissa sekä monenlaisissa koulutus-ja laboratoriokäytössä. Ne tuottavat jatkuvaa aaltoa, eikä pulssiaaltolähtö, eri aallonpituuksilla välillä 500nm ja 900nm, ja niin on eri värejä laservalo (vihreä 532nm ja punainen 650nm) sekä infrapuna ja lähellä infrapuna. Ne ovat helppokäyttöisiä, vaativat tyypillisesti 3V 5V tasavirta tarjonnan toimimaan.

Laserluokitukset

laserit luokitellaan neljään laajaan alueeseen (Plus osa-alueeseen) riippuen biologisten vaurioiden aiheuttamispotentiaalista. Kun näet laserin, se on merkittävä asianmukaisella luokkanimityksellä, joka kuvataan lyhyesti seuraavassa.:

Kuva. 2.6.9 tyypilliset Laservaroitustarrat

• •Luokka 1-turvallinen tavanomaisissa käyttöolosuhteissa. Lähtö on rajoitettu alle 0.39mW 600 Nm: ssä (vähemmän lyhyemmillä aallonpituuksilla).
• * Luokka 2-pienitehoiset näkyvät laserit, jotka säteilevät yli luokan 1 tason mutta enintään 1 MW: n säteilyteholla. Käsite on, että ihmisen vastenmielisyysreaktio kirkkaaseen valoon (blink refleksi) suojaa ihmistä. Tätä luokkaa käytetään laserosoittimiin.
• •Luokka 3R − alle 5mw: n keskitehoiset laserit, joita pidetään turvallisina, jos niiden katselu on rajoitettua, jolloin loukkaantumisriski on pieni.
• * Luokka 3B-suuritehoiset pulssilaserit 500mW: iin asti: Luokan 3B laseritiloilta vaaditaan merkittäviä hallintalaitteita, kuten suojalaseja ja turvalukituksia, jotka ovat vaarallisia katseltavaksi (lukuun ottamatta mattapinnalta heijastuvaa valoa).
• * Luokka 4-suuritehoiset laserit, joiden teho on suurempi kuin 500 MW. Ne voivat polttaa ihoa ja aiheuttaa mahdollisesti tuhoisia ja pysyviä silmävaurioita suoran tai hajasäteen katselun seurauksena. Ne voivat myös sytyttää palavia aineita ja siten aiheuttaa palovaaran. Tähän luokitukseen kuuluvat monet teolliset, tieteelliset, lääketieteelliset ja sotilaalliset laserit.

minkä tahansa edellä mainitun luokittelun lasereilla varustetuissa laitteissa on samanlainen varoitusmerkintä kuin kuvassa. 2.6.9 käytetyn laserin vaarojen ja luokituksen hahmottelu.

yllä oleva luettelo on lyhennetty versio IEC 60825-1-standardiin sisältyvistä laser-spesifikaatioista, eikä siihen pidä luottaa kattavana oppaana. Täydellinen standardi ja muut asiaankuuluvat turvallisuustiedot ovat ostettavissa kansainvälisen sähköteknisen komission verkkokaupasta