Tanuljaz elektronikáról

lézerdiódák

lézerfény

a fehér fény a látható fényspektrum összes színéből áll, amely nagyon széles, sok különböző frekvenciájú sáv. A közönséges LED-ek gyakran egy színből álló fénykibocsátást adnak, de még ez a fény is elég széles frekvenciasávot lefedő elektromágneses hullámokat tartalmaz.

bármilyen fényt, például a fehér fényt, amely több frekvenciát vagy hullámhosszt tartalmaz, nehéz nagyon finom pontra fókuszálni. Ennek oka az, hogy a fényt fókuszáló lencserendszernek rögzített fókusztávolsága van, de a fény különböző hullámhosszainak (színeinek) fókuszálásához szükséges fókusztávolság eltérő. Ezért minden szín különböző pontokra fókuszál, ami úgynevezett kromatikus aberrációt okoz. Ez látható, még a jó minőségű lencserendszerekben is, mint a lencsén keresztül látott képek színes szegélyezése.

a lézer fénye csak egyetlen frekvenciát tartalmaz, ezért még egy egyszerű lencserendszerrel is rendkívül kis pontra fókuszálható. Nincs kromatikus aberráció, mivel csak egy hullámhossz létezik, a fényforrásból származó összes energia is egy nagyon kis fényfoltba koncentrálódik. Jellemzően a fókuszált fénysugár átmérője egy olyan lézerből, mint amilyet egy CD-lejátszóban találtak, körülbelül 1,6 mm lenne (kevesebb, mint két ezred milliméter). Ez azt jelenti, hogy ha a lézerdióda kimenete csak 0,5 mW volt, akkor a sugár fókuszált (infravörös) teljesítménye (lehetővé téve a fókuszáló lencse veszteségeit) körülbelül 12 kW/cm2 lenne.

az alacsony teljesítményű lézereket egyre több ismerős alkalmazásban használják, beleértve a CD – és DVD-lejátszókat és-felvevőket, vonalkódolvasókat, biztonsági rendszereket, optikai kommunikációt és sebészeti eszközöket. LASER egy mozaikszó (egy csomó kezdőbetűk tett egy szót) :

ábra. 2.6.1. Egy Gallium Atom

Fényerősítés a sugárzás stimulált Emissziójával

a név leírja az eszköz működését, mindaddig, amíg néhány alapelvet megértenek.

az Atom alapjai

az univerzumban minden csak körülbelül 100 különböző atomból áll, akár tiszta formában (elem), akár korlátlan számú kombinációban (vegyületek és keverékek). Az atomok folyamatosan mozgásban vannak. Folyamatosan rezegnek, mozognak és forognak. Még a szilárd anyagok is mozgásban vannak. Ezt a mozgást gerjesztésnek nevezik. Az atomok különböző gerjesztési állapotban lehetnek. Más szavakkal, különböző energiaszintekkel rendelkezhetnek. Ha sok energiát viszünk fel egy atomra hő, fény vagy elektromosság útján, akkor az elhagyhatja az úgynevezett alapállapot energiaszintet, és gerjesztett szintre léphet. A gerjesztés szintje az atomra alkalmazott energia mennyiségétől függ.

ábra. A 2.6.1 egy atom egyszerűsített diagramja. Egy atommagból áll (amely protonokat és neutronokat tartalmaz), amelyet egy elektronfelhő vesz körül, bár ebben az egyszerűsített elektronikai modellben a neutronokat figyelmen kívül hagyják, mivel nincs elektromos töltésük, és hasznos az is, ha az atommagot több rögzített pályán keringő elektronokra gondolunk. Bár az atom más modelljei nem ábrázolják az elektronok diszkrét pályáit, hasznos lehet ezekre a pályákra úgy gondolni, mint az atom különböző energiaszintjeire. Más szavakkal, ha valamilyen hőt alkalmaznak egy atomra, az alacsonyabb energiájú pályákon lévő elektronok egy része a magtól távolabb eső magasabb energiájú pályákra ugrik. Ez egy nagyon egyszerűsített nézet a dolgokról, de tartalmazza az alapötletet arról, hogy az atomok hogyan működnek a lézerek szempontjából.

amikor egy atom elnyeli az energiát, és néhány elektronja magasabb energiájú pályára ugrik, végül vissza akar térni az alapállapotba. Amikor ez megtörténik, minden elektron fotonként − fényrészecskeként-szabadítja fel energiáját. Az atomok folyamatosan fotonként szabadítják fel az energiát. Például, amikor a fém forrón világít, a látott vörös fény a forró fém atomjai, amelyek vörös fotonokat bocsátanak ki. Amikor egy képet nézünk a TV képernyőjén, amit látunk, az a foszforatomok, amelyek bevonják a képernyőt, vagy a fehér LED-ek felülete, amelyek nagy energiájú atomok elektronjaként gerjesztik a fotonokat, és közvetlenül vagy közvetve különböző színű fényt hoznak létre. Sok eszköz fényt termel ilyen módon-fluoreszkáló fények, neonjelek, led utcai világítás és még a hagyományos izzólámpák is, mind fényt bocsátanak ki az elektronok pályáját megváltoztató és fotonokat felszabadító elektronok hatására.

Lézerdióda Építése

Ábra. 2.6.2. Lézerdióda építése

a lézerdiódákhoz többféle konstrukció létezik, amelyek mindegyike az elektromos áram lézerfénygé történő átalakításának maximális hatékonyságát célozza.

ábra. 2.6.A 2. ábra egy lézerdióda egyszerűsített felépítését mutatja, amely ebben az esetben hasonló a fénykibocsátó diódához (LED), mivel gallium-arzenidot használ, olyan elemekkel adalékolva, mint az alumínium, A Szilícium vagy a szelén P típusú és N típusú félvezető anyagok előállításához. A lézerdiódának azonban van egy további aktív, adalékolatlan (belső) gallium-arzenid rétege, amely csak néhány nanométer vastag, a P és N rétegek közé szorítva, hatékonyan létrehozva egy tűs (P típusú/belső/N típusú) diódát. Ebben a rétegben keletkezik a lézerfény.

lézerdióda akció

a lézerdióda nagy mennyiségű előremenő áramot vezet át P-ről N-re.sokkal nagyobb, mint a LED-ben használt, mivel a lézerdióda csak akkor termel lézerfényt, ha a maximális áramának körülbelül 80% – a felett működik.

lézer szivattyúzás

ábra. 2.6.3. Az energia abszorpciója

ilyen körülmények között az atomok nagy energiájú (szivattyúzott) állapotban vannak, és töltéshordozóként (elektronok és lyukak) lépnek be az aktív rétegbe a PN csomópontnál. Az elektronok energiaszintje magasabb, mint a lyukaké, és ahogy az elektronok és a lyukak újra egyesülnek, az energia fotonok formájában elvész. Az előállított fotonok mindegyike különösen pontos frekvencián oszcillál, amikor fel-le ugrálnak az aktív réteg fényvisszaverő falai között. Egyes fotonok ütköznek más atomokkal, így további energizált elektronokat hoznak létre, amelyek még több fotont termelnek. Ezt a folyamatot pumpálásnak nevezzük, és addig növeli a nagy energiájú elektronok számát, amíg gerjesztett állapotban több elektron van, mint feszültség nélküli földállapotban. Ezen a ponton, az úgynevezett populációs inverzió, állandó koherens vagy lézerfény-áram keletkezik, mivel az extra gerjesztett fotonok több mint pótolják a félvezető anyagban újra felszívódó fotonok okozta veszteségeket. Mivel a fotonok egyetlen pontos frekvencián oszcillálnak, lézerfényt állítanak elő, amelynek csak egyetlen hullámhossza van.

A Rezonáns Üreg

Ábra. 2.6.4. A rezonáns üreg

ahogy a fotonok száma növekszik, a fény teljesítménye növekszik. Bár néhány fény különböző irányokba távozik, vagy felszívódik a félvezető anyagban, a fotonok egy része a lézerek tengelyével párhuzamos irányban fut, amint az az ábrán látható. 2.6.4 ezek ugrál oda-vissza le a végén a lézer anyag. A végfelületeket nagyon pontosan vágják és csiszolják, hogy párhuzamos tükröket hozzanak létre. A fényvisszaverő felületek közötti távolság egy hullámhossz pontos többszöröse, így amikor a fényhullámok (a fotonok) az üreg mindkét végéből visszatükröződnek, fázisban maradnak. A visszavert hullám amplitúdója hozzáadódik az üregben lévő többi hullám amplitúdójához, így a hullámok folyamatosan növekednek, amikor előre-hátra ugrálnak a tükrök között. Ily módon az aktív réteg rezonáns üreget képez, amely elősegíti a fény erősítését. Amint a fotonok áthaladnak a kristály lézer anyagán, stimulálják az emissziót más atomokban is. Ennek eredményeként az erősített, monokromatikus, egyfázisú fény elhagyja a lézer rezonáns üregét a részben tükröző tükörön keresztül.

a lézerdióda vezérlése.

ábra. 2.6.5. A LED és a lézerdióda összehasonlítása

ábra. 2.6.6. A lézerdióda vezérlése

a lézerdióda alapvetően lézerfényt előállító LED; ehhez a lézerdiódát sokkal nagyobb árammal működtetik, általában körülbelül 10-szer nagyobb, mint egy normál LED. Fig. 2.6.5 összehasonlítja a normál LED és a lézerdióda fénykibocsátásának grafikonját. Egy LED-ben a fénykibocsátás folyamatosan növekszik a dióda áramának növekedésével. Lézerdiódában azonban a lézerfény nem keletkezik, amíg az aktuális szint el nem éri a küszöbértéket, amikor stimulált emisszió kezdődik. A küszöbáram általában meghaladja a készülék maximális áramának 80% – át, mielőtt megsemmisülne! Ezért a lézerdiódán keresztüli áramot gondosan szabályozni kell. Egy másik probléma az, hogy a fotonok kibocsátása nagyon függ a hőmérséklettől, a dióda már a határához közel működik, így felmelegszik, ezért megváltoztatja a kibocsátott fény mennyiségét (fotonok) és a dióda áramát. Mire a lézerdióda hatékonyan működik, a katasztrófa szélén működik! Ha az áram csökken és a küszöbáram alá esik, a stimulált emisszió megszűnik; csak egy kicsit túl sok áram és a dióda megsemmisül.

mivel az aktív réteget oszcilláló fotonok töltik meg, a fény egy része (általában körülbelül 60%) keskeny, lapos sugárban távozik a dióda chip szélétől. Amint az a 2.6.6. ábrán látható, néhány maradék fény is kiszivárog a szemközti szélén, és egy fotódióda aktiválására szolgál, amely a fényt elektromos árammá alakítja. Ezt az áramot visszacsatolásként használják az automatikus dióda-meghajtó áramkörre, a lézerdióda aktivitásának mérésére, és ezért győződjön meg róla, hogy a lézerdiódán keresztüli áram szabályozásával az áram és a fénykibocsátás állandó és biztonságos szinten marad.

Lézermodul

ezen okok miatt a lézerdiódákat ritkán használják önmagukban; általában lézerdióda modulként szállítják, amely a következőket tartalmazza:

ábra. 2.6.7 tipikus Lézermodul

• maga a dióda.

• kollimáló lencse.

a lézerdióda modul egy önszabályozó áramkör, amely érzékeli saját fénykibocsátását, és automatikusan szabályozza a tápáramot és a hőmérsékletet, hogy a dióda a kritikus körülmények között működjön, ahol a lézerfény keletkezik.

Optikai Korrekció

Ábra. 2.6.8 kollimáló lencse

a lézerdióda által előállított fénynyalábnak még némi módosításra van szüksége ahhoz, hogy elliptikus, terjedő sugárból megváltoztassa, amikor a lézerfény elhagyja a dióda vékony aktív rétegét, kör alakú párhuzamos sugárba. Ezt a folyamatot egy kollimáló lencsének nevezett optikai eszköz hajtja végre (ábra. 2.6.8). Ez lehet egy egyszerű gömb alakú lencse vagy aszférikus típus, amely egy elliptikus gerendát kör alakúvá alakíthat.

lézerdióda modulok optikával és elektronikával együtt kaphatók. Egy tipikus modul olyan létesítményekkel rendelkezik, mint a beépített teljesítménystabilizálás, a beépített lassú indítás és a hűtőborda. Az alacsony fogyasztású modulokat (2.osztály) lézermutatókban, vonalkódolvasókban, megfigyelő, szintező és pozicionáló berendezésekben, valamint oktatási és laboratóriumi alkalmazások széles körében használják. Az 500nm és 900nm közötti különböző hullámhosszakon folyamatos hullámot hoznak létre, nem pedig impulzusos hullámkimenetet, és így különböző színű lézerfény (zöld 532nm és piros 650nm), valamint infravörös és közel infravörös. Ezek használata egyszerű, működéséhez általában 3V-5V DC tápegységre van szükség.

lézer besorolások

a lézereket négy nagy területre (plusz alterületekre) sorolják a biológiai károsodás lehetőségétől függően. Amikor lézert lát, azt megfelelő osztálymegjelöléssel kell ellátni, az alábbiakban röviden ismertetjük:

ábra. 2.6.9 tipikus Lézerfigyelmeztető matricák

• •1. osztály-biztonságos normál használat esetén. A kimenet kevesebb, mint 0.39mW 600nm-en (kevesebb rövidebb hullámhosszon).
• •1m osztály − divergens nyalábokat előállító lézerek, amelyek minden felhasználási körülményre biztonságosak, kivéve, ha nagyító optikán, például mikroszkópon vagy teleszkópon haladnak át.
• •2m osztály − hasonló a 2.osztályhoz, de nagyobb teljesítményt tesz lehetővé, mivel az ilyen besorolású gerendáknak széles vagy eltérő gerendákat kell előállítaniuk. A néző pupilláján áthaladó fény nem lehet nagyobb, mint a 2.osztályban megengedett.
• •3R osztály − közepes teljesítményű lézerek 5 mW alatt, biztonságosnak tekinthetők, ha a megtekintés korlátozott, alacsony sérülésveszélyt biztosítva.

a fenti osztályozások bármelyikébe tartozó lézert használó berendezések az ábrán láthatóhoz hasonló figyelmeztető címkét viselnek. 2.6.9 a használt lézer veszélyeinek és osztályozásának ismertetése.

a fenti lista az IEC 60825-1 szabványban szereplő lézer SPECIFIKÁCIÓK rövidített változata, és nem hivatkozhat átfogó útmutatóként. A teljes szabvány, valamint egyéb vonatkozó biztonsági információk megvásárolhatók a Nemzetközi Elektrotechnikai Bizottság webáruházában