Lær Om Elektronikk

Laserdioder

Laserlys

Hvitt lys består av alle fargene i det synlige lysspekteret, som er et veldig bredt bånd av mange forskjellige frekvenser. Vanlige Lysdioder gir en lyseffekt som ofte består av en farge, men selv det lyset inneholder elektromagnetiske bølger som dekker et ganske bredt frekvensbånd.

ethvert lys, for eksempel hvitt lys, som inneholder flere frekvenser eller bølgelengder, er vanskelig å fokusere til et veldig fint punkt. Dette skyldes at objektivsystemet som fokuserer lyset har en fast brennvidde, men brennvidden som kreves for å fokusere ulike bølgelengder (farger) av lys, er forskjellig. Derfor vil hver farge fokusere på forskjellige punkter, forårsaker det som kalles ‘kromatisk aberrasjon’. Dette kan sees, selv i god kvalitet linsesystemer som farget fringing rundt bilder sett gjennom linsen.

lyset fra en laser inneholder bare en enkelt frekvens og kan derfor fokuseres av selv et enkelt linsesystem til et ekstremt lite punkt. Det er ingen kromatisk aberrasjon siden bare en bølgelengde eksisterer, også all energi fra lyskilden er konsentrert til et veldig lite lyspunkt. Typisk vil diameteren på den fokuserte lysstrålen fra en laser som den som finnes I EN CD-spiller være omtrent 1,6 µ (mindre enn to tusendels millimeter). Dette betyr at hvis laserdiodeutgangen bare var 0,5 mW, ville den fokuserte (infrarøde) kraften til strålen (som tillater tap i fokuslinsen) være omtrent 12kW / cm2.

Laveffektlasere brukes i et økende antall kjente applikasjoner, inkludert CD-og DVD-spillere og opptakere, strekkodelesere, sikkerhetssystemer, optisk kommunikasjon og kirurgiske instrumenter. LASER ER et akronym (en haug med initialer gjort til et ord) for:

Fig. 2.6.1. Et Galliumatom

Lysforsterkning Ved Stimulert Stråling

navnet gir en beskrivelse av hvordan enheten fungerer, så lenge noen få grunnleggende prinsipper forstås.

Grunnleggende om Et Atom

alt i universet består av bare ca 100 forskjellige atomer, enten i ren form( et element) eller i et ubegrenset antall kombinasjoner (forbindelser og blandinger). Atomer er stadig i bevegelse. De vibrerer kontinuerlig, beveger seg og roterer. Selv solide materialer er faktisk i bevegelse. Denne bevegelsen kalles eksitasjon. Atomer kan være i forskjellige tilstander av eksitasjon. Med andre ord kan de ha forskjellige nivåer av energi. Hvis mye energi blir brukt på et atom via varme, lys eller elektrisitet, kan det forlate det som kalles energinivået og gå til et opphisset nivå. Eksitasjonsnivået avhenger av mengden energi som påføres atomet.

Fig. 2.6.1 er et forenklet diagram av et atom. Den består av en kjerne (som inneholder protoner og nøytroner) omgitt av en elektronsky, men i denne forenklede elektronikkmodellen ignoreres nøytronene da de ikke har elektrisk ladning, og det er også nyttig å tenke på elektronene som kretser kjernen i flere faste baner. Selv om andre modeller av atomet ikke avbilder diskrete baner for elektronene, kan det være nyttig å tenke på disse banene som atomets forskjellige energinivåer. Med andre ord, hvis noen varme påføres et atom, vil noen av elektronene i de lavere energibanene hoppe til høyere energibaner lenger unna kjernen. Dette er et svært forenklet syn på ting, men inneholder den grunnleggende ideen om hvordan atomer fungerer når det gjelder lasere.

som et atom absorberer energi og noen av dets elektroner hopper til en høyere energi bane, vil det til slutt gå tilbake til grunntilstanden. Når det gjør det, frigjør hver elektron sin energi som en foton-en partikkel av lys. Atomer kan sees frigjøre energi som fotoner hele tiden. For eksempel, når metall lyser rødt, er det røde lyset sett atomene i det varme metallet som frigjør røde fotoner. Når du ser på et bilde PÅ EN TV-skjerm, er det du ser fosforatomer som belegger skjermen, eller overflaten av hvite Lysdioder blir begeistret som elektron av høyenergiatomer som frigjør fotoner, og direkte eller indirekte produserer forskjellige lysfarger. Mange enheter produserer lys på denne måten − fluorescerende lys, neonskilt, LED – gatebelysning og til og med tradisjonelle glødelamper, alle avgir lys gjennom virkningen av elektroner som endrer baner og frigjør fotoner.

Laserdiodekonstruksjon

Fig. 2.6.2. Laserdiodekonstruksjon

det finnes flere varianter av konstruksjon som brukes til laserdioder, hver med sikte på å oppnå maksimal effektivitet for å konvertere elektrisk strøm til laserlys.

Fig. 2.6.2 viser en forenklet konstruksjon for en laserdiode, som i dette tilfellet ligner en lysemitterende diode (LED) ved at den bruker galliumarsenid, dopet med elementer som aluminium, silisium eller selen for å produsere p-type og n-type halvledermaterialer. Imidlertid har en laserdiode et ekstra aktivt lag av u-dopet (inneboende) galliumarsenid bare noen få nanometer tykk, smeltet mellom p-og N-lagene, og skaper effektivt EN PIN (P type/Inneboende/n type) diode. Det er i dette laget at laserlyset produseres.

Laserdiodehandling

laserdioden passerer en stor mengde fremoverstrøm Fra P Til N. Mye større enn den som brukes i EN LED, Da Laserdioden bare vil produsere laserlys når den drives på over 80% av sin maksimale strøm.

Laserpumping

Fig. 2.6.3. Absorbsjonen Av Energi

under disse forholdene er atomene i en svært energisk (pumpet) tilstand, og som ladningsbærere (elektroner Og hull) går inn i det aktive laget ved pn-krysset. Elektroner er på et energinivå høyere enn for hullene, og som elektroner og hull re-kombinere energi er tapt i form av fotoner. Fotonene som produseres, svinger alle med en spesielt presis frekvens når de spretter opp og ned mellom de lysreflekterende veggene i det aktive laget. Noen fotoner kolliderer med andre atomer og så skape ekstra energi elektroner som produserer enda flere fotoner. Denne prosessen kalles ‘pumping’ og øker antall svært energiserte elektroner til det er flere elektroner i opphisset tilstand enn i un-energized ‘bakken’ tilstand. På dette punktet, kjent som populasjonsinversjon, produseres en konstant strøm av sammenhengende eller laserlys, da de ekstra spente fotonene mer enn gjør opp for eventuelle tap på grunn av at fotoner blir absorbert i halvledermaterialet. Fordi fotonene oscillerer ved en enkelt presis frekvens, produserer de laserlys som bare har en enkelt bølgelengde.

Resonanshulen

Fig. 2.6.4. Resonanshulen

når fotonene øker i antall, øker lyset i kraft. Selv om noe lys rømmer i forskjellige retninger eller absorberes i halvledermaterialet, løper noen av fotonene i en retning parallelt med lasersaksen, som vist I Fig. 2.6.4 disse spretter frem og tilbake av endene av lasermaterialet. Endeflatene er veldig nøyaktig kuttet og polert for å skape parallelle reflekterende speil. Avstanden mellom disse reflekterende flatene er et eksakt flertall av en bølgelengde, slik at når lysbølgene (fotonene) reflekterer fra hver ende av hulrommet, forblir de i fase. Amplituden til den reflekterte bølgen legger til amplituden til andre bølger i hulrommet, slik at bølgene fortsetter å legge til når de spretter bakover og fremover mellom speilene. På denne måten danner det aktive laget Et Resonanshulrom som hjelper til med å forsterke lyset. Når fotonene passerer gjennom krystalllasermaterialet, stimulerer de også utslipp i andre atomer. Som et resultat forlater forsterket, monokromatisk, enfaset lys resonanshulen til laseren gjennom det delvis reflekterende speilet.

Styring Av Laserdioden.

Fig. 2.6.5. Sammenligning Mellom En Ledog En Laserdiode

Fig. 2.6.6. Kontrollere Laserdioden

en laserdiode er i utgangspunktet EN LED-produserende laserlys; for å gjøre dette drives laserdioden med en mye høyere strøm, vanligvis omtrent 10 ganger større enn en vanlig LED. Fig. 2.6.5 sammenligner en graf av lysutgangen til en vanlig LED og en laserdiode. I EN LED øker lyseffekten jevnt etter hvert som diodestrømmen økes. I en laserdiode produseres imidlertid ikke laserlys før det nåværende nivået når terskelnivået, når stimulert utslipp begynner å skje. Terskelstrømmen er normalt mer enn 80% av den maksimale strømmen enheten vil passere før den blir ødelagt! Av denne grunn må strømmen gjennom laserdioden reguleres nøye. Et annet problem er at utslipp av fotoner er svært avhengig av temperatur, dioden drives allerede nær grensen og blir så varm, og endrer derfor mengden lys som sendes ut (fotoner) og diodestrømmen. Når laserdioden fungerer effektivt, opererer den på randen av katastrofe! Hvis strømmen reduserer og faller under terskelstrømmen, opphører stimulert utslipp; bare litt for mye strøm og dioden blir ødelagt.

da det aktive laget er fylt med oscillerende fotoner, kommer noen (typisk ca. 60%) av lyset ut i en smal, flat stråle fra kanten av diodebrikken. Som vist I Fig 2.6.6, kommer noe gjenværende lys også ut i motsatt kant og brukes til å aktivere en fotodiode som konverterer lyset tilbake til elektrisk strøm. Denne strømmen brukes som tilbakemelding til den automatiske diodedriverkretsen, for å måle aktiviteten i laserdioden og så sørg for at strømmen gjennom laserdioden styres, at strømmen og lysutgangen forblir på et konstant og trygt nivå.

Lasermodul

av disse grunner brukes laserdioder sjelden alene; de leveres normalt som en laserdiodemodul, som inneholder:

Fig. 2.6.7 Typisk Lasermodul

• dioden selv.

laserdiodemodulen er en selvregulerende krets som registrerer sin egen lysutgang og regulerer automatisk forsyningsstrøm og temperatur for å holde dioden i drift under de kritiske forholdene der laserlys produseres.

Optisk Korreksjon

Fig. 2.6.8 Collimating Lens

lysstrålen som produseres av laserdioden, trenger fortsatt noen modifikasjoner for å endre den fra en elliptisk, spredende stråle produsert som laserlyset forlater det tynne aktive laget av dioden, til en sirkulær parallellstråle. Denne prosessen utføres av en optisk enhet kalt en kollimerende linse(Fig. 2.6.8). Dette kan være en enkel sfærisk linse eller en asfærisk type, som kan konvertere en elliptisk stråle til en sirkulær.

Laserdiodemoduler er tilgjengelige komplett med optikk og elektronikk. En typisk modul vil inneholde fasiliteter som innebygd strømstabilisering, innebygd langsom start og kjøleribbe. Low power-moduler (Klasse 2) brukes i laserpekere, strekkodelesere, sighting, nivellerings-og posisjoneringsutstyr, samt et bredt spekter av utdannings-og laboratoriebruk. De produserer en kontinuerlig bølge, i stedet for en pulserende bølgeutgang, ved forskjellige bølgelengder mellom 500nm og 900nm, og har så forskjellige farger av laserlys (grønt ved 532nm og rødt ved 650nm) samt infrarød og nær infrarød. De er enkle å bruke, krever vanligvis EN 3V TIL 5V DC forsyning for å operere.

Laser Klassifikasjoner

Lasere er klassifisert i fire brede områder (pluss delområder) avhengig av potensialet for å forårsake biologisk skade. Når du ser en laser, bør den merkes med passende klassebetegnelse, kort beskrevet nedenfor:

Fig. 2.6.9 Typisk Laseradvarsel Klistremerker

• •Klasse 1-Sikker under forhold med normal bruk. Utgangen er begrenset til mindre enn 0.39mW ved 600nm(mindre for kortere bølgelengder).
• •Klasse 1m − Lasere som produserer divergerende stråler, trygge for alle bruksforhold, unntatt når de går gjennom forstørrelsesoptikk som mikroskoper og teleskoper.
• * Klasse 2-lav effekt synlige lasere som avgir over Klasse 1 nivåer, men med en strålende effekt ikke over 1mW. Konseptet er at den menneskelige aversjon reaksjon på sterkt lys (blink refleks) vil beskytte en person. Denne klassen brukes til laserpekere.
• * Klasse 2m-Lik Klasse 2, men kan tillate mer kraft som bjelker med denne klassifiseringen må produsere brede eller divergerende bjelker. Lys som passerer gjennom en seers elev må ikke være større enn det som er tillatt i klasse 2.
• * Klasse 3r-Moderate effektlasere under 5mW, betraktet som trygge der visning er begrenset, noe som gir lav risiko for skade.
• * Klasse 3b-høyeffekts pulserende lasere opp til 500mW: Farlig å se (unntatt som reflektert lys fra en matt overflate) betydelige kontroller som vernebriller og sikkerhetssperringer kreves Av laserfasiliteter I klasse 3b.
• * Klasse 4-høy effekt lasere større enn 500mW. De kan brenne huden og forårsake potensielt ødeleggende og permanent øyeskade som følge av direkte eller diffus strålevisning. De kan også antennes brennbare materialer, og kan dermed utgjøre en brannfare. Denne klassifiseringen omfatter mange industrielle, vitenskapelige, medisinske og militære lasere.

Utstyr som bruker lasere av noen av de ovennevnte klassifiseringene, vil bli funnet å ha en advarselsetikett som ligner På Fig. 2.6.9 beskriver farene og klassifiseringen av laseren som brukes.

listen ovenfor er en forkortet versjon av laserspesifikasjonene i iec 60825-1-standarden og bør ikke brukes som en omfattende veiledning. Den fulle standarden, sammen med annen relevant sikkerhetsinformasjon, kan kjøpes fra International Electrotechnical Commission Nettbutikk