Learnabout Elettronica

Laser a Diodi

Luce laser

La luce bianca è composta da tutti i colori dello spettro della luce visibile, che è una banda molto ampia di molte frequenze diverse. I LED ordinari forniscono un’emissione luminosa spesso costituita da un solo colore, ma anche quella luce contiene onde elettromagnetiche che coprono una banda piuttosto ampia di frequenze.

Qualsiasi luce, come la luce bianca, che contiene più frequenze o lunghezze d’onda, è difficile da mettere a fuoco in un punto molto fine. Questo perché il sistema di lenti che focalizza la luce ha una lunghezza focale fissa, ma la lunghezza focale necessaria per mettere a fuoco varie lunghezze d’onda (colori) della luce è diversa. Pertanto ogni colore si concentrerà in punti diversi, causando quella che viene chiamata “aberrazione cromatica”. Questo può essere visto, anche in sistemi di lenti di buona qualità come frange colorate intorno alle immagini viste attraverso l’obiettivo.

La luce di un laser contiene solo una singola frequenza e quindi può essere messa a fuoco anche da un semplice sistema di lenti in un punto estremamente piccolo. Non c’è aberrazione cromatica poiché esiste solo una lunghezza d’onda, inoltre tutta l’energia dalla sorgente luminosa è concentrata in un punto molto piccolo di luce. In genere il diametro del fascio di luce focalizzato da un laser come quello trovato in un lettore CD sarebbe di circa 1,6 µm (meno di due millesimi di millimetro). Ciò significa che se l’uscita del diodo laser fosse di soli 0,5 mW, la potenza messa a fuoco (infrarosso) del fascio (consentendo perdite nella lente di messa a fuoco) sarebbe di circa 12kW/cm2.

I laser a bassa potenza sono utilizzati in un numero crescente di applicazioni familiari, tra cui lettori e registratori CD e DVD, lettori di codici a barre, sistemi di sicurezza, comunicazioni ottiche e strumenti chirurgici. LASER è un acronimo (un gruppo di iniziali trasformate in una parola) per:

Fig. 2.6.1. Un atomo di gallio

Amplificazione della luce mediante l’emissione stimolata di radiazioni

Il nome fornisce una descrizione di come funziona il dispositivo, purché siano compresi alcuni principi di base.

Le basi di un atomo

Tutto nell’universo è composto solo da circa 100 atomi diversi, sia in forma pura (un elemento), sia in un numero illimitato di combinazioni (composti e miscele). Gli atomi sono costantemente in movimento. Vibrano, si muovono e ruotano continuamente. Anche i materiali solidi sono effettivamente in movimento. Questo movimento è chiamato eccitazione. Gli atomi possono essere in diversi stati di eccitazione. In altre parole, possono avere diversi livelli di energia. Se molta energia viene applicata a un atomo tramite calore, luce o elettricità, può lasciare quello che viene chiamato il livello di energia dello stato fondamentale e andare a un livello eccitato. Il livello di eccitazione dipende dalla quantità di energia applicata all’atomo.

Fig. 2.6.1 è un diagramma semplificato di un atomo. È costituito da un nucleo (contenente protoni e neutroni) circondato da una nube di elettroni, anche se in questo modello elettronico semplificato i neutroni vengono ignorati in quanto non hanno carica elettrica, ed è anche utile pensare agli elettroni che orbitano attorno al nucleo in diverse orbite fisse. Sebbene altri modelli dell’atomo non rappresentino orbite discrete per gli elettroni, può essere utile pensare a queste orbite come ai diversi livelli di energia dell’atomo. In altre parole, se un po ‘ di calore viene applicato a un atomo, alcuni degli elettroni nelle orbite di energia inferiore salterebbero a orbite di energia più elevate più lontane dal nucleo. Questa è una visione altamente semplificata delle cose, ma contiene l’idea di base di come gli atomi funzionano in termini di laser.

Mentre un atomo assorbe energia e alcuni dei suoi elettroni saltano verso un’orbita ad energia superiore, alla fine vuole tornare allo stato fondamentale. Quando lo fa, ogni elettrone rilascia la sua energia come un fotone-una particella di luce. Gli atomi possono essere visti rilasciando energia come fotoni tutto il tempo. Ad esempio, quando il metallo si illumina di rosso caldo, la luce rossa visto è gli atomi del metallo caldo rilasciando fotoni rossi. Quando si guarda una foto su uno schermo TV, quello che si sta vedendo è atomi di fosforo che rivestono lo schermo, o la superficie di LED bianchi essere eccitato come elettrone di atomi ad alta energia rilasciando fotoni, e direttamente o indirettamente producendo diversi colori di luce. Molti dispositivi producono luce in questo modo − luci fluorescenti, insegne al neon, illuminazione stradale a LED e persino lampadine a incandescenza tradizionali, tutti emettono luce attraverso l’azione degli elettroni che cambiano orbite e rilasciano fotoni.

Costruzione di diodi laser

Fig. 2.6.2. Costruzione di diodi laser

Esistono diverse varianti di costruzione utilizzate per i diodi laser, ciascuna volta a raggiungere la massima efficienza per convertire la corrente elettrica in luce laser.

Fig. 2.6.2 mostra una costruzione semplificata per un diodo laser, che in questo caso è simile a un diodo ad emissione luminosa (LED) in quanto utilizza arseniuro di gallio, drogato con elementi come alluminio, silicio o selenio per produrre materiali semiconduttori di tipo P e di tipo N. Tuttavia un diodo laser ha un ulteriore strato attivo di arseniuro di gallio non drogato (intrinseco) di soli pochi nanometri di spessore, inserito tra gli strati P e N, creando efficacemente un diodo PIN (tipo P/Intrinseco/tipo N). È in questo strato che viene prodotta la luce laser.

Laser Diode Action

Il diodo laser passa una grande quantità di corrente diretta da P a N. Molto maggiore di quello utilizzato in un LED come il diodo laser produrrà solo luce laser quando azionato al di sopra di circa l ‘ 80% della sua corrente massima.

Pompaggio laser

Fig. 2.6.3. L’assorbimento di energia

In queste condizioni gli atomi sono in uno stato altamente eccitato (pompato) e come portatori di carica (elettroni e buchi) entrano nello strato attivo alla giunzione PN. Gli elettroni sono a un livello di energia superiore a quello dei fori, e come gli elettroni e fori ri-combinare energia viene persa sotto forma di fotoni. I fotoni prodotti oscillano tutti ad una frequenza particolarmente precisa mentre “rimbalzano” su e giù tra le pareti riflettenti della luce dello strato attivo. Alcuni fotoni si scontrano con altri atomi e quindi creano elettroni energizzati aggiuntivi che producono ancora più fotoni. Questo processo è chiamato “pompaggio” e aumenta il numero di elettroni altamente eccitati fino a quando non ci sono più elettroni nello stato eccitato che nello stato “terra” non eccitato. A questo punto, noto come inversione di popolazione, viene prodotto un flusso costante di luce coerente o laser, poiché i fotoni eccitati in più compensano le perdite dovute al riassorbimento dei fotoni all’interno del materiale semiconduttore. Poiché i fotoni oscillano ad una singola frequenza precisa, producono luce laser che ha solo una singola lunghezza d’onda.

La cavità risonante

Fig. 2.6.4. La cavità risonante

Mentre i fotoni aumentano di numero, la luce aumenta di potenza. Anche se una certa luce sfugge in direzioni diverse o viene assorbita all’interno del materiale semiconduttore, alcuni dei fotoni corrono in una direzione parallela all’asse laser, come mostrato in Fig. 2.6.4 questi rimbalzano avanti e indietro dalle estremità del materiale laser. Le superfici terminali sono tagliate e lucidate in modo molto accurato per creare specchi riflettenti paralleli. La distanza tra queste superfici riflettenti è un multiplo esatto di una lunghezza d’onda, in modo che mentre le onde luminose (i fotoni) riflettono da ciascuna estremità della cavità, rimangono in fase. L’ampiezza dell’onda riflessa si aggiunge all’ampiezza di altre onde all’interno della cavità, quindi le onde continuano ad aggiungersi mentre rimbalzano avanti e indietro tra gli specchi. In questo modo, lo strato attivo forma una “Cavità risonante” che aiuta l’amplificazione della luce. Mentre i fotoni passano attraverso il materiale laser di cristallo, stimolano anche l’emissione in altri atomi. Di conseguenza, la luce amplificata, monocromatica e monofase lascia la cavità risonante del laser attraverso lo specchio parzialmente riflettente.

Controllo del diodo laser.

Fig. 2.6.5. Confronto tra un LED e un diodo laser

Fig. 2.6.6. Controllo del diodo laser

Un diodo laser è fondamentalmente un LED che produce luce laser; per fare ciò il diodo laser viene azionato a una corrente molto più alta, in genere circa 10 volte maggiore di un normale LED. Fico. 2.6.5 confronta un grafico della potenza luminosa di un LED normale e quella di un diodo laser. In un LED l’emissione luminosa aumenta costantemente all’aumentare della corrente del diodo. In un diodo laser, tuttavia, la luce laser non viene prodotta fino a quando il livello corrente raggiunge il livello di soglia, quando inizia a verificarsi l’emissione stimolata. La corrente di soglia è normalmente superiore all ‘ 80% della corrente massima che il dispositivo passerà prima di essere distrutto! Per questo motivo la corrente attraverso il diodo laser deve essere attentamente regolata. Un altro problema è che l’emissione di fotoni dipende molto dalla temperatura, il diodo è già in funzione vicino al suo limite e quindi si scalda, cambiando quindi la quantità di luce emessa (fotoni) e la corrente del diodo. Con il tempo il diodo laser sta lavorando in modo efficiente si sta operando sull’orlo del disastro! Se la corrente si riduce e scende al di sotto della corrente di soglia, l’emissione stimolata cessa; solo un po ‘ troppa corrente e il diodo viene distrutto.

Mentre lo strato attivo è riempito con fotoni oscillanti, alcuni (in genere circa il 60%) della luce fuoriesce in un fascio stretto e piatto dal bordo del chip del diodo. Come mostrato in Fig 2.6.6 alcuni residui di luce fuoriesce anche al bordo opposto e viene utilizzato per attivare un fotodiodo, che converte la luce in corrente elettrica. Questa corrente viene utilizzata come feedback al circuito driver diodo automatico, per misurare l’attività nel diodo laser e quindi assicurarsi controllando la corrente attraverso il diodo laser, che la corrente e l’uscita della luce rimangano a un livello costante e sicuro.

Modulo laser

Per questi motivi, i diodi laser sono raramente utilizzati da soli; sono normalmente forniti come modulo a diodi laser, che contiene:

Fig. 2.6.7 Tipico modulo laser

• Il diodo stesso.

• Un sensore di luce fotodiodo.

• Un circuito di regolazione della corrente.

• Una lente di collimazione.

Il modulo diodo laser è un circuito autoregolante che rileva la propria emissione luminosa e regola automaticamente la corrente di alimentazione e la temperatura per mantenere il diodo operativo nelle condizioni critiche in cui viene prodotta la luce laser.

Correzione ottica

Fig. 2.6.8 Lente di collimazione

Il fascio di luce prodotto dal diodo laser ha ancora bisogno di qualche modifica per cambiarlo da un raggio ellittico e diffondente prodotto mentre la luce laser lascia il sottile strato attivo del diodo, in un raggio parallelo circolare. Questo processo viene eseguito da un dispositivo ottico chiamato lente collimante (Fig. 2.6.8). Questo può essere un semplice obiettivo sferico o un tipo asferico, che può convertire un raggio ellittico in uno circolare.

Sono disponibili moduli a diodi laser completi di ottica ed elettronica. Un modulo tipico sarebbe caratterizzato da strutture come la stabilizzazione di potenza integrata, l’avvio lento incorporato e il dissipatore di calore. I moduli a bassa potenza (classe 2) sono utilizzati in puntatori laser, lettori di codici a barre, apparecchiature di avvistamento, livellamento e posizionamento, nonché in una vasta gamma di usi didattici e di laboratorio. Producono un’onda continua, piuttosto che un’uscita pulsata dell’onda, alle varie lunghezze d’onda fra 500nm e 900nm ed in modo da hanno colori differenti della luce laser (verde a 532nm e rosso a 650nm) come pure infrarosso e vicino infrarosso. Essi sono semplici da usare, che richiedono in genere un 3 V a 5 V DC di alimentazione per operare.

Classificazioni laser

I laser sono classificati in quattro grandi aree (più sotto aree) a seconda del potenziale di causare danni biologici. Quando si vede un laser, dovrebbe essere etichettato con la designazione della classe appropriata, brevemente descritta di seguito:

Fig. 2.6.9 Tipico laserattacchi di avvertimento

• •Classe 1-Sicuro in condizioni di uso normale. L’output è limitato a meno di 0.39mW a 600nm (meno per lunghezze d’onda più corte).
• •Classe 1M − Laser che producono raggi divergenti, sicuri per tutte le condizioni d’uso, tranne quando passano attraverso ottiche di ingrandimento come microscopi e telescopi.
• •Classe 2 − laser visibili a bassa potenza che emettono al di sopra dei livelli di Classe 1 ma con una potenza radiante non superiore a 1 Mw. Il concetto è che la reazione di avversione umana alla luce intensa (il riflesso del battito cardiaco) proteggerà una persona. Questa classe è utilizzata per i puntatori laser.
• •Classe 2M-Simile alla classe 2 ma può consentire una maggiore potenza in quanto le travi con questa classificazione devono produrre travi larghe o divergenti. La luce che passa attraverso la pupilla di uno spettatore non deve essere superiore a quella consentita nella classe 2.
• •Classe 3R − Laser a potenza moderata inferiore a 5mW, considerati sicuri quando la visualizzazione è limitata, con basso rischio di lesioni.
• •Classe 3B − Laser pulsati ad alta potenza fino a 500 Mw: Pericolosi per la vista (ad eccezione della luce riflessa da una superficie opaca) sono necessari controlli significativi come occhiali protettivi e interblocchi di sicurezza per gli impianti laser di classe 3B.
• •Classe 4 − Laser ad alta potenza superiore a 500 Mw. Possono bruciare la pelle e causare danni agli occhi potenzialmente devastanti e permanenti a causa della visione diretta o diffusa del fascio. Essi possono anche accendere materiali combustibili, e quindi possono rappresentare un rischio di incendio. Questa classificazione comprende molti laser industriali, scientifici, medici e militari.

Le apparecchiature che utilizzano laser appartenenti a una delle classificazioni di cui sopra recano un’etichetta di avvertenza simile a quella riportata in Fig. 2.6.9 delineare i pericoli e la classificazione del laser utilizzato.

L’elenco di cui sopra è una versione ridotta delle specifiche laser contenute nello standard IEC 60825-1 e non deve essere considerato come una guida completa. Lo standard completo, insieme ad altre informazioni pertinenti sulla sicurezza, può essere acquistato presso il Webstore della Commissione elettrotecnica internazionale