Nauka elektroniki

Diody Laserowe

Światło Laserowe

białe światło składa się ze wszystkich kolorów widma światła widzialnego, które jest bardzo szerokim pasmem o wielu różnych częstotliwościach. Zwykłe Diody LED dają strumień świetlny często składający się z jednego koloru, ale nawet to światło zawiera fale elektromagnetyczne obejmujące dość szerokie pasmo częstotliwości.

każde światło, takie jak białe światło, które zawiera wiele częstotliwości lub długości fal, jest trudne do skupienia w bardzo delikatnym punkcie. Dzieje się tak dlatego, że system soczewek skupiających światło ma stałą ogniskową, ale ogniskowa wymagana do skupienia różnych długości fal (kolorów) światła jest inna. Dlatego każdy kolor skupi się w różnych punktach, powodując tzw. „aberrację chromatyczną”. Można to zobaczyć nawet w dobrej jakości systemach obiektywów, jak kolorowe frędzle wokół obrazów widzianych przez obiektyw.

światło lasera zawiera tylko jedną częstotliwość i dlatego może być skupione nawet przez prosty system soczewek do bardzo małego punktu. Nie ma aberracji chromatycznej, ponieważ istnieje tylko jedna długość fali, również cała energia ze źródła światła jest skoncentrowana w bardzo małej plamce światła. Zazwyczaj średnica skupionej wiązki światła z lasera takiego jak ten znajdujący się w odtwarzaczu CD wynosiłaby około 1,6 µm (mniej niż dwie tysięczne milimetra). Oznacza to, że gdyby moc diody laserowej wynosiła tylko 0,5 mW, moc ogniskowana (podczerwona) wiązki (pozwalająca na straty w soczewce ogniskującej) wyniosłaby około 12KW/cm2.

lasery małej mocy są używane w coraz większej liczbie znanych zastosowań, w tym w odtwarzaczach i nagrywarkach CD i DVD, czytnikach kodów kreskowych, systemach bezpieczeństwa, komunikacji optycznej i instrumentach chirurgicznych. LASER to akronim (kilka inicjałów przekształconych w słowo) dla:

rys. 2.6.1. Atom galu

wzmocnienie światła przez stymulowaną emisję promieniowania

nazwa daje opis działania urządzenia, o ile rozumie się kilka podstawowych zasad.

podstawy atomu

wszystko we wszechświecie składa się tylko z około 100 różnych atomów, albo w czystej postaci (pierwiastek), albo w nieograniczonej liczbie kombinacji (związki i mieszaniny). Atomy są w ciągłym ruchu. Stale wibrują, poruszają się i obracają. Nawet materiały stałe są w ruchu. Ten ruch nazywa się wzbudzeniem. Atomy mogą znajdować się w różnych stanach wzbudzenia. Innymi słowy, mogą mieć różne poziomy energii. Jeśli dużo energii jest przyłożone do atomu za pomocą ciepła, światła lub elektryczności, może opuścić to, co nazywa się poziomem energii w stanie podstawowym i przejść do poziomu wzbudzonego. Poziom wzbudzenia zależy od ilości energii przyłożonej do atomu.

2.6.1 jest uproszczonym diagramem atomu. Składa się z jądra (zawierającego protony i neutrony) otoczonego chmurą elektronową, chociaż w tym uproszczonym modelu elektronicznym neutrony są ignorowane, ponieważ nie mają ładunku elektrycznego, a także pomocne jest myślenie o elektronach krążących wokół jądra w kilku stałych orbitach. Chociaż inne modele atomu nie przedstawiają dyskretnych Orbit dla elektronów, przydatne może być myślenie o tych orbitach jako o różnych poziomach energii atomu. Innymi słowy, jeśli ciepło zostanie przyłożone do atomu, niektóre elektrony na niższych orbitach energetycznych przeskoczą na wyższe orbitale energetyczne dalej od jądra. Jest to bardzo uproszczony pogląd na rzeczy, ale zawiera podstawowe pojęcie o tym, jak atomy działają w kategoriach laserów.

gdy atom pochłania energię, a niektóre jego elektrony przeskakują na orbitę o wyższej energii, w końcu chce powrócić do stanu podstawowego. Kiedy to nastąpi, każdy elektron uwalnia swoją energię jako Foton-cząstka światła. Atomy przez cały czas uwalniają energię jako fotony. Na przykład, gdy metal świeci na Czerwono, widziane czerwone światło to Atomy gorącego metalu uwalniające czerwone fotony. Patrząc na obraz na ekranie telewizora, widzimy Atomy fosforu, które pokrywają ekran, lub powierzchnię białych Diod Led wzbudzanych jako elektron wysokoenergetycznych atomów uwalniających fotony i bezpośrednio lub pośrednio wytwarzających różne kolory światła. Wiele urządzeń wytwarza światło w ten sposób-świetlówki, neony, oświetlenie uliczne LED, a nawet tradycyjne żarówki, wszystkie emitują światło poprzez działanie elektronów zmieniających orbity i uwalniających fotony.

Budowa Diod Laserowych

Rys. 2.6.2. Konstrukcja diody laserowej

istnieje kilka odmian konstrukcji stosowanych do diod laserowych, z których każda ma na celu osiągnięcie maksymalnej wydajności konwersji prądu elektrycznego na światło laserowe.

2.6.2 pokazuje uproszczoną konstrukcję diody laserowej, która w tym przypadku jest podobna do diody elektroluminescencyjnej (LED), ponieważ wykorzystuje arsenek galu, domieszkowany pierwiastkami takimi jak aluminium, krzem lub selen do produkcji materiałów półprzewodnikowych typu P i N. Jednak dioda laserowa ma dodatkową aktywną warstwę nie domieszkowanego (iskrobezpiecznego) arsenku galu o grubości zaledwie kilku nanometrów, umieszczoną między warstwami P I N, skutecznie tworząc diodę PIN (Typ P/Iskrobezpieczny / Typ N). To właśnie w tej warstwie wytwarzane jest światło laserowe.

działanie Diody Laserowej

dioda laserowa przepuszcza dużą ilość prądu przewodzącego z P do N. znacznie większa niż stosowana w diodzie LED, ponieważ dioda laserowa wytwarza światło laserowe tylko wtedy, gdy działa powyżej około 80% jej maksymalnego prądu.

pompowanie laserowe

rys. 2.6.3. Absorpcja energii

w tych warunkach atomy są w stanie silnie naładowanym (pompowanym) i jako nośniki ładunku (elektrony i dziury) wchodzą do warstwy aktywnej na skrzyżowaniu PN. Elektrony są na poziomie energetycznym wyższym niż w przypadku dziur, a ponieważ elektrony i dziury ponownie łączą energię, traci się ją w postaci fotonów. Wytworzone fotony oscylują ze szczególnie precyzyjną częstotliwością, ponieważ „odbijają się” w górę i w dół między odbijającymi światło ścianami warstwy aktywnej. Niektóre fotony zderzają się z innymi atomami, tworząc dodatkowe energiczne elektrony, które wytwarzają jeszcze więcej fotonów. Proces ten nazywany jest „pompowaniem” i zwiększa liczbę silnie naładowanych elektronów, dopóki nie będzie więcej elektronów w stanie wzbudzonym niż w stanie „ziemi” bez zasilania. W tym momencie, znanym jako inwersja populacji, wytwarzany jest stały strumień światła koherentnego lub laserowego, ponieważ dodatkowe wzbudzone fotony nadrabiają straty spowodowane ponownym wchłonięciem fotonów w materiale półprzewodnikowym. Ponieważ fotony oscylują z jedną dokładną częstotliwością, wytwarzają światło laserowe o TYLKO JEDNEJ długości fali.

Wnęka Rezonansowa

Rys. 2.6.4. Wnęka rezonansowa

wraz ze wzrostem liczby fotonów, światło zwiększa moc. Chociaż niektóre światła uciekają w różnych kierunkach lub są absorbowane w materiale półprzewodnikowym, niektóre fotony biegną w kierunku równoległym do osi lasera, jak pokazano na Fig. 2.6.4 odbijają się one iz powrotem od końców materiału laserowego. Powierzchnie końcowe są bardzo dokładnie cięte i polerowane, aby utworzyć równoległe lustra odbijające. Odległość między tymi odbijającymi się powierzchniami jest dokładną wielokrotnością jednej długości fali, tak że gdy fale świetlne (fotony) odbijają się z każdego końca wnęki, pozostają w fazie. Amplituda odbitej fali dodaje się do amplitudy innych fal w jamie, więc fale wciąż się dodają, gdy odbijają się do tyłu i do przodu między zwierciadłami. W ten sposób warstwa aktywna tworzy „wnękę rezonansową”, która wspomaga wzmocnienie światła. Gdy fotony przechodzą przez krystaliczny materiał Laserowy, stymulują również emisję w innych atomach. W rezultacie wzmocnione, monochromatyczne, jednofazowe światło opuszcza rezonansową wnękę lasera przez częściowo odbijające się lustro.

sterowanie diodą laserową.

rys. 2.6.5. Porównanie Diody LED i diody laserowej

rys. 2.6.6. Kontrolowanie Diody Laserowej

dioda laserowa jest zasadniczo diodą LED wytwarzającą światło laserowe; w tym celu dioda laserowa działa przy znacznie wyższym prądzie, zwykle około 10 razy większym niż normalna DIODA LED. Fig. 2.6.5 porównuje Wykres strumienia świetlnego normalnej diody LED i diody laserowej. W diodach LED moc świetlna stale wzrasta wraz ze wzrostem prądu Diody. Jednak w diodzie laserowej światło lasera nie jest wytwarzane, dopóki obecny poziom nie osiągnie poziomu progowego, gdy zacznie występować stymulowana emisja. Prąd progowy wynosi zwykle ponad 80% maksymalnego prądu, który urządzenie przejdzie przed zniszczeniem! Z tego powodu prąd przez diodę laserową musi być dokładnie regulowany. Innym problemem jest to, że emisja fotonów jest bardzo zależna od temperatury, dioda pracuje już blisko swojej granicy i dlatego nagrzewa się, zmieniając w ten sposób ilość emitowanego światła (fotonów) i prąd diody. Do czasu, gdy dioda laserowa działa sprawnie, działa na krawędzi katastrofy! Jeśli prąd zmniejsza się i spada poniżej prądu progowego, emisja stymulowana ustaje; wystarczy trochę za dużo prądu i dioda zostaje zniszczona.

ponieważ warstwa aktywna jest wypełniona oscylującymi fotonami, część (zwykle około 60%) światła ucieka wąską, płaską wiązką od krawędzi układu diodowego. Jak pokazano na Fig 2.6.6 niektóre światła resztkowe również ucieka na przeciwległej krawędzi i jest używany do aktywacji Diody fotograficznej, która przekształca światło z powrotem w prąd elektryczny. Prąd ten jest używany jako sprzężenie zwrotne do automatycznego obwodu sterownika Diody, do pomiaru aktywności w diodzie laserowej, a więc upewnij się, że kontrolując prąd przez diodę laserową, prąd i wyjście światła pozostają na stałym i bezpiecznym poziomie.

Moduł Laserowy

z tych powodów diody laserowe są rzadko używane samodzielnie; zwykle są dostarczane jako moduł diod laserowych, który zawiera:

rys. 2.6.7 typowy Moduł Laserowy

• sama dioda.

• Obwód regulacji prądu.

moduł diody laserowej jest obwodem samoregulującym, który wyczuwa własne wyjście światła i automatycznie reguluje prąd zasilania i temperaturę, aby utrzymać diodę w krytycznych warunkach, w których wytwarzane jest światło laserowe.

Korekcja Optyczna

Rys. 2.6.8 Soczewka Kolimacyjna

wiązka światła wytwarzana przez diodę laserową nadal wymaga pewnej modyfikacji, aby zmienić ją z eliptycznej, rozprzestrzeniającej się wiązki wytwarzanej, gdy światło laserowe opuszcza cienką aktywną warstwę diody, w okrągłą równoległą wiązkę. Proces ten jest przeprowadzany przez urządzenie optyczne zwane soczewką kolimacyjną (rys. 2.6.8). Może to być prosta soczewka sferyczna lub asferyczna, która może przekształcić wiązkę eliptyczną w okrągłą.

Moduły diod laserowych są dostępne w komplecie z optyką i elektroniką. Typowy moduł będzie wyposażony w takie udogodnienia, jak wbudowana stabilizacja mocy, wbudowany powolny start i radiator. Moduły małej mocy (Klasa 2) znajdują zastosowanie w wskaźnikach laserowych, czytnikach kodów kreskowych, urządzeniach do obserwacji, poziomowania i pozycjonowania, a także w szerokim zakresie zastosowań edukacyjnych i laboratoryjnych. Wytwarzają falę ciągłą, a nie falę impulsową, przy różnych długościach fal od 500nm do 900nm, a więc mają różne kolory światła laserowego (zielony przy 532nm i czerwony przy 650nm), a także podczerwień i bliską podczerwień. Są proste w użyciu, wymagają zwykle zasilania 3V do 5V DC do pracy.

klasyfikacje laserów

lasery są podzielone na cztery szerokie obszary (plus podobszary) w zależności od potencjału powodowania uszkodzeń biologicznych. Gdy zobaczysz laser, powinien on być oznaczony odpowiednim oznaczeniem klasy, krótko opisanym poniżej:

rys. 2.6.9 typowe Naklejki laserowe

• •Klasa 1-bezpieczny w warunkach normalnego użytkowania. Wyjście jest ograniczone do mniej niż 0.39mW przy 600nm (mniej dla krótszych fal).
• •Klasa 2 – lasery widzialne o niskiej mocy, które emitują więcej niż poziomy klasy 1, ale przy mocy promieniowania nie większej niż 1 mw. Koncepcja polega na tym, że ludzka reakcja awersji do jasnego światła (odruch mrugania) ochroni osobę. Ta klasa jest używana dla wskaźników laserowych.
• •Klasa 2m-podobna do klasy 2, ale może pozwolić na większą moc, ponieważ belki z tą klasyfikacją muszą wytwarzać szerokie lub rozbieżne belki. Światło przechodzące przez ucznia widza nie może być większe niż światło dozwolone w klasie 2.
• •Klasa 3R-lasery o umiarkowanej mocy poniżej 5 mw, uważane za bezpieczne tam, gdzie oglądanie jest ograniczone, co daje niskie ryzyko obrażeń.
• •Klasa 3B − lasery impulsowe dużej mocy do 500mW: Niebezpieczne dla widoku (z wyjątkiem światła odbitego od matowej powierzchni) w urządzeniach laserowych klasy 3B wymagane są istotne elementy sterujące, takie jak okulary ochronne i blokady bezpieczeństwa.
• •klasa 4 − lasery o dużej mocy powyżej 500 mw. Mogą one spalić skórę i spowodować potencjalnie niszczące i trwałe uszkodzenie oczu w wyniku bezpośredniego lub rozproszonego oglądania wiązki. Mogą one również zapalać materiały palne, a tym samym mogą stanowić zagrożenie pożarowe. Klasyfikacja ta obejmuje wiele laserów przemysłowych, naukowych, medycznych i wojskowych.

urządzenia wykorzystujące lasery o dowolnej z powyższych klasyfikacji będą miały etykietę ostrzegawczą podobną do tej przedstawionej na Fig. 2.6.9 określenie zagrożeń i klasyfikacja zastosowanego lasera.

Powyższa lista jest skróconą wersją specyfikacji lasera zawartych w normie IEC 60825-1 i nie powinna być traktowana jako Wyczerpujący przewodnik. Pełny standard wraz z innymi istotnymi informacjami dotyczącymi bezpieczeństwa można kupić w Sklepie Internetowym Międzynarodowej Komisji Elektrotechnicznej