Learnabout Eletrônica

Diodos de Laser

Luz Laser

a luz branca é composta por todas as cores do espectro de luz visível, que é uma faixa muito ampla de muitas frequências diferentes. Os LEDs comuns fornecem uma saída de luz geralmente composta por uma cor, mas mesmo essa luz contém ondas eletromagnéticas que cobrem uma ampla faixa de frequências.

qualquer luz, como a luz branca, que contém múltiplas frequências ou comprimentos de onda, é difícil de se concentrar em um ponto muito fino. Isso ocorre porque o sistema de lentes que focaliza a luz tem uma distância focal fixa, mas a distância focal necessária para focar vários comprimentos de onda (cores) da luz é diferente. Portanto, cada cor se concentrará em diferentes pontos, causando o que é chamado de ‘aberração cromática’. Isso pode ser visto, mesmo em sistemas de lentes de boa qualidade, como franjas coloridas em torno de imagens vistas através da lente.

a luz de um laser contém apenas uma única frequência e, portanto, pode ser focalizada até mesmo por um sistema de lente simples para um ponto extremamente pequeno. Não há aberração cromática, uma vez que existe apenas um comprimento de onda, também toda a energia da fonte de luz é concentrada em um ponto de luz muito pequeno. Normalmente, o diâmetro do feixe de luz focalizado de um laser, como o encontrado em um CD player, seria de cerca de 1,6 µm (menos de dois milésimos de milímetro). Isso significa que, se a saída do diodo laser fosse de apenas 0,5 mW, a potência focalizada (infravermelho) do feixe (permitindo perdas na lente focalizadora) seria de cerca de 12kw/cm2.

Lasers de baixa potência são usados em um número crescente de aplicações familiares, incluindo CD e DVD players e gravadores, Leitores de código de barras, sistemas de segurança, comunicações ópticas e instrumentos cirúrgicos. LASER é um acrônimo (um monte de iniciais transformadas em uma palavra) para:

Fig. 2.6.1. Um Átomo de Gálio

Amplificação de Luz por Emissão Estimulada de Radiação

O nome dá uma descrição de como o dispositivo funciona, enquanto alguns princípios básicos são compreendidos.

O Básico de um Átomo

Tudo no universo é composto de apenas cerca de 100 diferentes átomos, em forma pura (um elemento), ou em um número ilimitado de combinações de compostos e misturas). Os átomos estão constantemente em movimento. Eles vibram, movem e giram continuamente. Mesmo materiais sólidos estão realmente em movimento. Esse movimento é chamado de excitação. Os átomos podem estar em diferentes estados de excitação. Em outras palavras, eles podem ter diferentes níveis de energia. Se muita energia for aplicada a um átomo via calor, luz ou eletricidade, ele pode deixar o que é chamado de nível de energia do estado fundamental e ir para um nível excitado. O nível de excitação depende da quantidade de energia aplicada ao átomo.

Fig. 2.6.1 é um diagrama simplificado de um átomo. Consiste em um núcleo (contendo prótons e nêutrons) cercado por uma nuvem de elétrons, embora neste modelo eletrônico simplificado os nêutrons sejam ignorados, pois não têm carga elétrica, e também é útil pensar nos elétrons que orbitam o núcleo em várias órbitas fixas. Embora outros modelos do átomo não retratem órbitas discretas para os elétrons, pode ser útil pensar nessas órbitas como os diferentes níveis de energia do átomo. Em outras palavras, se algum calor for aplicado a um átomo, alguns dos elétrons nas órbitas de energia inferior saltariam para órbitas de energia mais altas mais longe do núcleo. Esta é uma visão altamente simplificada das coisas, mas contém a ideia básica de como os átomos funcionam em termos de lasers.Como um átomo absorve energia e alguns de seus elétrons saltam para uma órbita de energia superior, ele eventualmente quer retornar ao estado fundamental. Quando isso acontece, cada elétron libera sua energia como um fóton-uma partícula de luz. Os átomos podem ser vistos liberando energia como fótons o tempo todo. Por exemplo, quando o metal brilha em brasa, a luz vermelha Vista são os átomos do metal quente liberando fótons vermelhos. Ao olhar para uma imagem em uma tela de TV, o que você está vendo são átomos de fósforo que revestem a tela, ou a superfície de LEDs brancos sendo excitados como elétrons de átomos de alta energia liberando fótons e produzindo direta ou indiretamente diferentes cores de luz. Muitos dispositivos produzem luz dessa maneira-luzes fluorescentes, sinais de néon, iluminação pública LED e até lâmpadas incandescentes tradicionais, todos emitem luz através da ação de elétrons mudando de órbita e liberando fótons.

Construção Do Diodo Laser

Fig. 2.6.2. Construção De Diodo Laser

existem várias variações de construção usadas para diodos laser, cada um com o objetivo de alcançar a eficiência máxima para converter corrente elétrica em luz laser.

Fig. 2.6.2 mostra uma construção simplificada para um diodo laser, que neste caso é semelhante a um diodo emissor de luz (LED) na medida em que usa arsenieto de gálio, dopado com elementos como alumínio, silício ou selênio para produzir materiais semicondutores do tipo P E Tipo N. No entanto, um diodo laser tem uma camada ativa adicional de arsenieto de Gálio não dopado (intrínseco) com apenas alguns nanômetros de espessura, imprensado entre as camadas P E N, criando efetivamente um diodo PIN (Tipo P/intrínseco/Tipo N). É nessa camada que a luz laser é produzida.

ação do diodo Do Laser

o diodo do laser passa uma grande quantidade de corrente dianteira de P A N. muito maior do que aquele usado em um DIODO EMISSOR de luz como o diodo Do Laser produzirá somente a luz do laser quando operado acima de aproximadamente 80% de sua corrente máxima.

bombeamento a Laser

Fig. 2.6.3. A absorção de energia

sob essas condições, os átomos estão em um estado altamente energizado (bombeado) e, à medida que os portadores de carga (elétrons e buracos) entram na camada ativa na junção PN. Os elétrons estão em um nível de energia maior do que o dos buracos e, à medida que os elétrons e buracos se combinam novamente, a energia é perdida na forma de fótons. Os fótons produzidos, todos oscilam em uma frequência particularmente precisa à medida que’ saltam ‘ para cima e para baixo entre as paredes reflexivas claras da camada ativa. Alguns fótons colidem com outros átomos e, portanto, criam elétrons energizados adicionais que produzem ainda mais fótons. Esse processo é chamado de “bombeamento” e aumenta o número de elétrons altamente energizados até que haja mais elétrons no estado excitado do que no estado “fundamental” não energizado. Neste ponto, conhecido como inversão populacional, um fluxo constante de luz coerente ou laser é produzido, já que os fótons excitados extras mais do que compensam quaisquer perdas devido aos fótons serem reabsorvidos dentro do material semicondutor. Como os fótons oscilam em uma única frequência precisa, eles produzem luz laser que tem apenas um único comprimento de onda.

A Cavidade Ressonante

Fig. 2.6.4. A cavidade ressonante

à medida que os fótons aumentam em número, a luz aumenta em potência. Embora alguma luz escape em direções diferentes ou seja absorvida dentro do material semicondutor, alguns dos fótons correm em uma direção paralela ao eixo dos lasers, como mostrado na Fig. 2.6.4 estes saltam para a frente e para trás fora das extremidades do material do laser. As superfícies finais são cortadas e polidas com muita precisão para criar espelhos refletores paralelos. A distância entre essas superfícies refletoras é um múltiplo exato de um comprimento de onda, de modo que, à medida que as ondas de luz (os fótons) refletem de cada extremidade da cavidade, elas permanecem em fase. A amplitude da onda refletida aumenta a amplitude de outras ondas dentro da cavidade, de modo que as ondas continuam adicionando à medida que saltam para trás e para frente entre os espelhos. Dessa forma, a camada ativa forma uma “cavidade ressonante” que auxilia na amplificação da luz. À medida que os fótons passam pelo material do laser de cristal, eles também estimulam a emissão em outros átomos. Como resultado, a luz monofásica amplificada, monocromática deixa a cavidade ressonante do laser através do espelho parcialmente refletor.

controlando o diodo Laser.

Fig. 2.6.5. Comparação entre um diodo emissor de luz e um diodo Laser

Fig. 2.6.6. Controlar o diodo Laser

um diodo laser é basicamente um LED produzindo luz laser; para fazer isso, o diodo laser é operado em uma corrente muito maior, normalmente cerca de 10 vezes maior do que um LED normal. Figo. 2.6.5 compara um gráfico da saída de luz de um LED normal e o de um diodo laser. Em um LED, a saída de luz aumenta constantemente à medida que a corrente do diodo é aumentada. Em um diodo laser, no entanto, a luz laser não é produzida até que o nível atual atinja o nível limite, quando a emissão estimulada começa a ocorrer. A corrente limite é normalmente mais de 80% da corrente máxima que o dispositivo passará antes de ser destruído! Por esta razão, a corrente através do diodo laser deve ser cuidadosamente regulada. Outro problema é que a emissão de fótons é muito dependente da temperatura, O diodo já está sendo operado próximo ao seu limite e assim fica quente, alterando, portanto, a quantidade de luz emitida (fótons) e a corrente do diodo. No momento em que o diodo laser está funcionando de forma eficiente, ele está operando à beira do desastre! Se a corrente reduzir e cair abaixo da corrente limite, a emissão estimulada cessa; apenas um pouco demais de corrente e o diodo é destruído.Como a camada ativa é preenchida com fótons oscilantes, alguns (tipicamente cerca de 60%) da luz escapa em um feixe estreito e plano da borda do chip de diodo. Como mostrado na Fig 2.6.6 alguma luz residual também escapa na borda oposta e é usada para ativar um diodo fotográfico, que converte a luz de volta em corrente elétrica. Esta corrente é usada como um feedback ao circuito automático do motorista do diodo, para medir a atividade no diodo do laser e para certificar-se assim controlando a corrente através do diodo do laser, que a corrente e a saída clara permanecem em um nível constante e seguro.

Módulo Laser

por esses motivos, os diodos laser raramente são usados por conta própria; eles são normalmente fornecidos como um módulo de diodo laser, que contém:

Fig. 2.6.7 Módulo Laser típico

• o próprio diodo.

• um sensor de luz fotodiodo.

• um circuito de regulação de corrente.

• uma lente colimadora.

o módulo de diodo laser é um circuito auto-regulador que detecta sua própria saída de luz e regula automaticamente a corrente de alimentação e a temperatura para manter o diodo operando nas condições críticas em que a luz laser é produzida.

Correção Óptica

Fig. 2.6.8 Lente Colimadora

o feixe de luz produzido pelo diodo laser ainda precisa de alguma modificação para alterá-lo de um feixe elíptico e espalhador produzido à medida que a luz laser deixa a fina camada ativa do diodo, em um feixe paralelo circular. Este processo é realizado por um dispositivo óptico chamado lente colimadora (Fig. 2.6.8). Pode ser uma lente esférica simples ou um tipo asférico, que pode converter um feixe elíptico em circular.

os módulos do diodo Do Laser estão disponíveis completos com sistema ótico e eletrônica. Um módulo típico caracterizaria facilidades tais como a estabilização incorporado do poder, o começo lento incorporado e o dissipador de calor. Módulos de baixa potência (Classe 2) são usados em ponteiros laser, Leitores de código de barras, avistamento, nivelamento e posicionamento de equipamentos, bem como uma ampla gama de usos educacionais e laboratoriais. Eles produzem uma onda contínua, em vez de uma saída de onda pulsada, em vários comprimentos de onda entre 500nm e 900nm, e, portanto, têm cores diferentes de luz laser (verde a 532nm e vermelho a 650nm), bem como infravermelho e quase infravermelho. Eles são simples de usar, exigindo tipicamente uma fonte de 3V a 5V DC para operar.

classificações de Laser

os Lasers são classificados em quatro áreas amplas (mais subáreas), dependendo do potencial de causar danos biológicos. Quando você vê um laser, ele deve ser rotulado com a designação de classe apropriada, brevemente descrita abaixo:

Fig. 2.6.9 Adesivos típicos de LaserWarning

• •Classe 1-seguro em condições de uso normal. A saída é restrita a menos de 0.39mW a 600nm (menos para comprimentos de onda mais curtos).
• * Classe 1m − Lasers que produzem feixes divergentes, seguros para todas as condições de Uso, exceto quando passados através de lentes de aumento, como microscópios e telescópios.
• * classe 2 − lasers visíveis de baixa potência que emitem acima dos níveis da classe 1, mas com uma potência radiante não acima de 1 mw. O conceito é que a reação de aversão humana à luz brilhante (o reflexo de piscar) protegerá uma pessoa. Esta classe é usada para ponteiros laser.
• * Classe 2m-semelhante à classe 2, mas pode permitir mais potência, pois os feixes com esta classificação devem produzir feixes largos ou divergentes. A luz que passa pela pupila de um espectador não deve ser maior do que a permitida na classe 2.
• * classe 3R − lasers de potência moderada abaixo de 5mW, considerados seguros onde a visualização é restrita, dando baixo risco de lesão.
• * Classe 3B − lasers pulsados de alta potência até 500mW: Perigosos para ver (exceto como luz refletida de uma superfície mate) controles significativos, como óculos de proteção e intertravamentos de segurança, são exigidos das instalações A Laser Classe 3B.
• * classe 4 − lasers de alta potência superiores a 500mW. Eles podem queimar a pele e causar danos oculares potencialmente devastadores e permanentes como resultado da visualização direta ou difusa do feixe. Eles também podem inflamar materiais combustíveis e, portanto, podem representar um risco de incêndio. Esta classificação inclui muitos lasers industriais, científicos, médicos e militares.

o equipamento que utiliza lasers de qualquer uma das classificações acima pode conter uma etiqueta de aviso semelhante à da Fig. 2.6.9 delineando os perigos e a classificação do laser utilizado.

a lista acima é uma versão resumida das especificações do laser contidas no padrão IEC 60825-1 e não deve ser considerada como um guia abrangente. O padrão completo, juntamente com outras informações de segurança relevantes, pode ser adquirido na Webstore da Comissão Eletrotécnica Internacional