leren over elektronica

Google-advertenties

Laser-Diodes

wat je leert in Module 2.6

menu-logo-learningbox.gif

  • na het bestuderen van deze sectie zou u in staat moeten zijn om:
  • • laserlicht te beschrijven.
  • * Beschrijf de werking van de laserdiode op atomair niveau.
  • • Junction p. d.
  • * Beschrijf de voorzorgsmaatregelen die nodig zijn voor laserbewerking.
  • * Herken de Veiligheidsetikettering die op laserapparatuur wordt gebruikt.

laserlicht

wit licht bestaat uit Alle kleuren van het zichtbare lichtspectrum, dat een zeer brede band van vele verschillende frequenties is. Gewone LED ‘ s geven een lichtopbrengst die vaak uit één kleur bestaat, maar zelfs dat licht bevat elektromagnetische golven die een vrij brede frequentieband beslaan.

elk licht, zoals wit licht, dat meerdere frequenties of golflengten bevat, is moeilijk te scherpen tot een zeer fijn punt. Dit komt omdat het lensysteem dat het licht focust een vaste brandpuntsafstand heeft, maar de brandpuntsafstand die nodig is om verschillende golflengten (kleuren) van licht te scherpen, verschilt. Daarom zal elke kleur zich op verschillende punten concentreren, wat zogenaamde ‘chromatische aberratie’veroorzaakt. Dit is te zien, zelfs in goede kwaliteit lenzensystemen als gekleurde randen rond beelden die door de lens worden gezien.

het licht van een laser bevat slechts één frequentie en kan daarom zelfs door een eenvoudig lenssysteem tot een uiterst klein punt worden gefocust. Er is geen chromatische aberratie omdat er slechts één golflengte bestaat, ook is alle energie van de lichtbron geconcentreerd in een zeer klein lichtpunt. Typisch de diameter van de gefocusseerde lichtstraal van een laser zoals die in een CD-speler zou ongeveer 1,6 µm (minder dan twee duizendsten van een millimeter). Dit betekent dat als de output van de laserdiode slechts 0,5 mW was, het gefocusseerde (infrarood) vermogen van de bundel (rekening houdend met verliezen in de scherpstellens) ongeveer 12kW/cm2 zou zijn.

lasers met laag vermogen worden gebruikt in een toenemend aantal bekende toepassingen, waaronder CD-en DVD-spelers en recorders, barcodelezers, beveiligingssystemen, optische communicatie en chirurgische instrumenten. LASER is een acroniem (een bos van initialen gemaakt in een woord) voor:

een atoom bestaat uit een kern en elektronen

Fig. 2.6.1. Een Galliumatoom

lichtversterking door de gestimuleerde Stralingsemissie

de naam geeft een beschrijving van de werking van het apparaat, mits een paar basisprincipes worden begrepen.

de basis van een atoom

alles in het heelal bestaat uit slechts ongeveer 100 verschillende atomen, hetzij in een zuivere vorm (een element), hetzij in een onbeperkt aantal combinaties (verbindingen en mengsels). Atomen zijn constant in beweging. Ze trillen, bewegen en draaien continu. Zelfs vaste materialen zijn in beweging. Deze beweging heet excitatie. Atomen kunnen in verschillende staten van opwinding zijn. Met andere woorden, ze kunnen verschillende niveaus van energie hebben. Als er veel energie op een atoom wordt toegepast via warmte, licht of elektriciteit, kan het het zogenaamde ground-state energieniveau verlaten en naar een opgewonden niveau gaan. Het niveau van opwinding hangt af van de hoeveelheid energie die op het atoom wordt toegepast.

Fig. 2.6.1 is een vereenvoudigd diagram van een atoom. Het bestaat uit een kern (die protonen en neutronen bevat) omgeven door een elektronenwolk, hoewel in dit vereenvoudigde elektronicamodel de neutronen worden genegeerd omdat ze geen elektrische lading hebben, en het is ook nuttig om te denken aan de elektronen die de kern in verschillende vaste banen cirkelen. Hoewel andere modellen van het atoom geen discrete banen voor de elektronen afbeelden, kan het nuttig zijn om deze banen te zien als de verschillende energieniveaus van het atoom. Met andere woorden, als er wat warmte wordt toegepast op een atoom, zouden sommige elektronen in de lagere energiebanen naar hogere energiebanen verder weg van de kern springen. Dit is een sterk vereenvoudigde kijk op dingen, maar bevat het basisidee van hoe atomen werken in termen van lasers.Omdat een atoom energie absorbeert en sommige elektronen naar een hogere baan springen, wil het uiteindelijk terugkeren naar de grondtoestand. Als dat gebeurt, geeft elk elektron zijn energie af als een foton − een lichtdeeltje. Atomen kunnen worden gezien vrijgeven van energie als fotonen de hele tijd. Bijvoorbeeld, wanneer metaal roodgloeiend gloeit, is het rode licht dat wordt gezien de atomen van het hete metaal die rode fotonen vrijgeven. Als je naar een foto op een TV-scherm kijkt, zie je fosforatomen die het scherm bedekken, of het oppervlak van witte LED ‘ s die worden opgewekt als elektron van hoge energieatomen die fotonen vrijgeven en direct of indirect verschillende kleuren licht produceren. Veel apparaten produceren licht op deze manier − fluorescentielampen, neonborden, LED-straatverlichting en zelfs traditionele gloeilampen, stralen allemaal licht uit door de werking van elektronen die banen veranderen en fotonen vrijgeven.

Laserdiodeconstructie

Laserdiodeconstructie

Fig. 2.6.2. Laserdiodeconstructie

er zijn verschillende constructievariaties voor laserdioden, die elk gericht zijn op het bereiken van het maximale rendement voor het omzetten van elektrische stroom in laserlicht.

Fig. 2.6.2 toont een vereenvoudigde constructie voor een laserdiode, die in dit geval vergelijkbaar is met een lichtgevende diode (LED) in die zin dat het galliumarsenide gebruikt, gedoteerd met elementen zoals aluminium, silicium of selenium om halfgeleidermaterialen van het type P en N te produceren. Echter een laserdiode heeft een extra actieve laag van niet-gedoteerde (intrinsieke) galliumarsenide slechts een paar nanometers dik, ingeklemd tussen de P en N lagen, effectief het creëren van een PIN (P type/intrinsieke/n type) diode. Het is in deze laag dat het laserlicht wordt geproduceerd.

laserdiode actie

de laserdiode passeert een grote hoeveelheid voorwaartse stroom van P naar N die veel groter is dan die welke in een LED wordt gebruikt, aangezien de laserdiode alleen laserlicht produceert wanneer deze meer dan ongeveer 80% van de maximale stroom gebruikt.

Laserpompen

absorptie van energie

Fig. 2.6.3. De absorptie van energie

onder deze omstandigheden verkeren de atomen in een zeer energieke (gepompte) toestand en komen ladingsdragers (elektronen en gaten) de actieve laag binnen bij de pn-junctie. Elektronen zijn op een energieniveau hoger dan dat van de gaten, en als de elektronen en gaten opnieuw combineren energie verloren gaat in de vorm van fotonen. De geproduceerde fotonen oscilleren allemaal met een bijzonder precieze frequentie als ze op en neer’ stuiteren ‘ tussen de lichtreflecterende wanden van de actieve laag. Sommige fotonen botsen met andere atomen en creëren zo extra energetische elektronen die nog meer fotonen produceren. Dit proces wordt ‘pompen’ genoemd en verhoogt het aantal sterk energetische elektronen totdat er meer elektronen in de opgewekte toestand zijn dan in de niet-energetische ‘grond’ toestand. Op dit punt, bekend als populatie inversie, wordt een constante stroom van coherent of laserlicht geproduceerd, aangezien de extra opgewekte fotonen meer dan compenseren voor verliezen als gevolg van fotonen die opnieuw worden geabsorbeerd in het halfgeleidermateriaal. Omdat de fotonen met één precieze frequentie oscilleren, produceren ze laserlicht met slechts één golflengte.

The Resonant Holte

The Resonant Holte

Fig. 2.6.4. De Resonantieholte

naarmate de fotonen in aantal toenemen, neemt het licht in vermogen toe. Hoewel licht in verschillende richtingen ontsnapt of geabsorbeerd wordt in het halfgeleidermateriaal, lopen sommige fotonen in een richting die evenwijdig is aan de lasersas, zoals in Fig. 2.6.4 deze stuiteren heen en weer van de uiteinden van het lasermateriaal. De eindvlakken zijn zeer nauwkeurig gesneden en gepolijst om parallel reflecterende spiegels te creëren. De afstand tussen deze reflecterende oppervlakken is een exact veelvoud van één golflengte, zodat als de lichtgolven (de fotonen) reflecteren van elk uiteinde van de holte, ze in fase blijven. De amplitude van de gereflecteerde golf draagt bij aan de amplitude van andere golven in de holte, zodat de golven blijven toevoegen als ze heen en weer stuiteren tussen de spiegels. Op deze manier vormt de actieve laag een ‘resonante holte’ die de versterking van het licht helpt. Aangezien de fotonen door het kristallasermateriaal gaan, stimuleren zij ook emissie in andere atomen. Als gevolg hiervan verlaat versterkt, monochromatisch, eenfasig licht de resonante holte van de laser door de gedeeltelijk reflecterende spiegel.

regelen van de laserdiode.

vergelijking tussen een LED en een laserdiode

Fig. 2.6.5. Vergelijking tussen een LED en een laserdiode

die de laserdiode

bestuurt Fig. 2.6.6. Een laserdiode is in wezen een LED die laserlicht produceert; hiervoor wordt de laserdiode met een veel hogere stroom in werking gesteld, meestal ongeveer 10 keer zo groot als een normale LED. Fig. 2.6.5 vergelijkt een grafiek van de lichtopbrengst van een normale LED en die van een laserdiode. In een LED neemt de lichtopbrengst gestaag toe naarmate de diode stroom toeneemt. In een laserdiode wordt laserlicht echter pas geproduceerd wanneer het huidige niveau het drempelniveau bereikt, wanneer de gestimuleerde emissie begint te optreden. De drempelstroom is normaal gesproken meer dan 80% van de maximale stroom die het apparaat passeert voordat het wordt vernietigd! Daarom moet de stroom door de laserdiode zorgvuldig worden geregeld. Een ander probleem is dat de emissie van fotonen sterk afhankelijk is van de temperatuur, de diode wordt al dicht bij de limiet bediend en wordt zo heet, waardoor de hoeveelheid licht die wordt uitgestraald (fotonen) en de diode stroom verandert. Tegen de tijd dat de laserdiode efficiënt werkt, staat hij op de rand van een ramp! Als de stroom afneemt en onder de drempelstroom daalt, stopt de gestimuleerde emissie; net iets te veel stroom en wordt de diode vernietigd.

als de actieve laag gevuld is met oscillerende fotonen, ontsnapt een deel (meestal ongeveer 60%) van het licht in een smalle, platte straal uit de rand van de diode-chip. Zoals afgebeeld in Fig. 2.6.6 ontsnapt ook wat restlicht aan de tegenoverliggende rand en wordt gebruikt om een fotodiode te activeren, die het licht weer omzet in elektrische stroom. Deze stroom wordt gebruikt als een terugkoppeling naar de automatische diode driver circuit, om de activiteit in de laser diode te meten en zo ervoor te zorgen door het regelen van de stroom door de laser diode, dat de stroom en lichtopbrengst op een constant en veilig niveau blijven.

lasermodule

om deze redenen worden laserdioden zelden alleen gebruikt; zij worden gewoonlijk geleverd als een laserdiodemodule, die:

typische lasermodule

Fig. 2.6.7 typische lasermodule

• de diode zelf.

* een lichtsensor voor fotodiode.

* een stroomregelcircuit.

* een collimerende lens.

de laserdiode module is een zelfregulerend circuit dat zijn eigen lichtopbrengst detecteert en automatisch de toevoerstroom en temperatuur regelt om de diode te laten werken in de kritieke omstandigheden waarin laserlicht wordt geproduceerd.

Optische Correctie

Collimerende Lens

Fig. 2.6.8 Collimerende Lens

de lichtbundel die door de laserdiode wordt geproduceerd, moet nog enigszins worden aangepast om deze te veranderen van een elliptische, spreidende bundel die wordt geproduceerd wanneer het laserlicht de dunne actieve laag van de diode verlaat, in een cirkelvormige parallelle bundel. Dit proces wordt uitgevoerd door een optisch apparaat genaamd een collimerende lens (Fig. 2.6.8). Dit kan een eenvoudige sferische lens of een asferische type, die een elliptische bundel kan omzetten in een cirkelvormige.

laserdiode modules zijn beschikbaar, compleet met optica en elektronica. Een typische module zou voorzien zijn van faciliteiten zoals ingebouwde vermogensstabilisatie, ingebouwde langzame start en koellichaam. Low power modules (Klasse 2) worden gebruikt in laserpointers, barcodelezers, apparatuur voor waarneming, nivellering en positionering, evenals een breed scala aan educatieve en laboratoriumtoepassingen. Ze produceren een continue golf, in plaats van een gepulseerde golfuitgang, bij verschillende golflengten tussen 500nm en 900nm, en hebben dus verschillende kleuren laserlicht (groen op 532nm en rood op 650nm), evenals infra-rood en in de buurt van infra-rood. Ze zijn eenvoudig te gebruiken, waarbij meestal een 3V tot 5V DC-voeding nodig is om te werken.

Laserclassificaties

Lasers worden ingedeeld in vier brede gebieden (plus deelgebieden), afhankelijk van het potentieel voor het veroorzaken van biologische schade. Wanneer u een laser ziet, moet deze worden geëtiketteerd met de juiste klassenaanduiding, hieronder kort beschreven:

typische laserwaarschuwingsstickers

Fig. 2.6.9 typische Laserwaarschuwing Stickers

  • •Klasse 1-veilig bij normaal gebruik. De uitvoer is beperkt tot minder dan 0.39mW bij 600nm (minder voor kortere golflengten).
  • * Klasse 1M − Lasers die divergente bundels produceren en die veilig zijn voor alle gebruiksomstandigheden, behalve wanneer ze door vergrootoptieken zoals microscopen en telescopen worden geleid.
  • * Klasse 2-zichtbare lasers met laag vermogen die boven Klasse 1-niveaus uitstoten, maar bij een stralingsvermogen van niet meer dan 1 mw. Het concept is dat de menselijke aversie reactie op fel licht (de knipperreflex) een persoon zal beschermen. Deze klasse wordt gebruikt voor laserpointers.
  • * Klasse 2M-vergelijkbaar met klasse 2, maar kan meer vermogen toestaan omdat Bundels Met deze classificatie brede of divergerende bundels moeten produceren. Het licht dat door de pupil van de kijker gaat, mag niet groter zijn dan toegestaan in klasse 2.
  • * Klasse 3R − matige vermogenslasers lager dan 5 mw, die veilig worden geacht wanneer het zicht beperkt is, wat een laag risico op letsel oplevert.
  • * Klasse 3B-gepulseerde lasers met hoog vermogen tot 500mW: Gevaarlijk om te zien (behalve als gereflecteerd licht van een mat oppervlak) belangrijke controles zoals beschermende brillen en veiligheidsvergrendelingen zijn vereist voor klasse 3B laserfaciliteiten.
  • * klasse 4-hoogvermogenslasers groter dan 500mW. Zij kunnen de huid branden, en potentieel verwoestende en permanente oogschade veroorzaken als gevolg van directe of diffuse straal het bekijken. Zij kunnen ook brandbare materialen ontsteken en kunnen dus een brandrisico vormen. Deze classificatie omvat vele industriële, wetenschappelijke, medische en militaire lasers.

apparatuur die gebruik maakt van lasers van een van de bovengenoemde classificaties, zal een waarschuwingsetiket dragen dat vergelijkbaar is met die in Fig. 2.6.9 een overzicht van de gevaren en de classificatie van de gebruikte laser.

bovenstaande lijst is een verkorte versie van de laserspecificaties in de IEC 60825-1-norm en dient niet als een uitgebreide leidraad te worden gebruikt. De volledige norm en andere relevante veiligheidsinformatie kunnen worden gekocht bij de webwinkel van de Internationale Elektrotechnische Commissie

Geef een antwoord

Het e-mailadres wordt niet gepubliceerd.