învață despre Electronică

Diode Laser

lumina Laser

lumina albă este alcătuită din toate culorile spectrului luminii vizibile, care este o bandă foarte largă de multe frecvențe diferite. LED-urile obișnuite oferă o ieșire de lumină constând adesea dintr-o singură culoare, dar chiar și acea lumină conține unde electromagnetice care acoperă o bandă destul de largă de frecvențe.

orice lumină, cum ar fi lumina albă, care conține mai multe frecvențe sau lungimi de undă, este dificil de focalizat într-un punct foarte fin. Acest lucru se datorează faptului că sistemul de lentile care focalizează lumina are o distanță focală fixă, dar distanța focală necesară pentru focalizarea diferitelor lungimi de undă (culori) ale luminii este diferită. Prin urmare, fiecare culoare se va concentra în diferite puncte, provocând ceea ce se numește ‘aberație cromatică’. Acest lucru poate fi văzut, chiar și în sisteme de lentile de bună calitate ca fringing colorate în jurul imaginilor văzute prin lentilă.

lumina de la un laser conține doar o singură frecvență și, prin urmare, poate fi focalizată chiar și de un sistem simplu de lentile într-un punct extrem de mic. Nu există aberații cromatice, deoarece există o singură lungime de undă, de asemenea, toată energia din sursa de lumină este concentrată într-un punct de lumină foarte mic. De obicei, diametrul fasciculului de lumină focalizat de la un laser, cum ar fi cel găsit într-un CD player, ar fi de aproximativ 1,6 centimetri (mai puțin de două miimi de milimetru). Aceasta înseamnă că, dacă ieșirea diodei laser a fost de numai 0,5 mW, puterea focalizată (infraroșu) a fasciculului (permițând pierderi în obiectivul de focalizare) ar fi de aproximativ 12kW/cm2.

laserele cu putere redusă sunt utilizate într-un număr tot mai mare de aplicații familiare, inclusiv playere și înregistratoare CD și DVD, cititoare de coduri de bare, sisteme de securitate, comunicații optice și instrumente chirurgicale. LASER este un acronim (o grămadă de inițiale făcute într-un cuvânt) pentru:

Fig. 2.6.1. Un Atom de galiu

amplificarea luminii prin emisia stimulată de radiații

numele oferă o descriere a modului în care funcționează dispozitivul, atât timp cât sunt înțelese câteva principii de bază.

elementele de bază ale unui Atom

totul în univers este format din doar aproximativ 100 de atomi diferiți, fie într-o formă pură (un element), fie într-un număr nelimitat de combinații (compuși și amestecuri). Atomii sunt în continuă mișcare. Ele vibrează continuu, se mișcă și se rotesc. Chiar și materialele solide sunt de fapt în mișcare. Această mișcare se numește excitație. Atomii pot fi în diferite stări de excitație. Cu alte cuvinte, pot avea niveluri diferite de energie. Dacă o mulțime de energie este aplicată unui atom prin căldură, lumină sau electricitate, acesta poate părăsi ceea ce se numește nivelul energiei de la sol și poate merge la un nivel excitat. Nivelul excitației depinde de cantitatea de energie aplicată atomului.

Fig. 2.6.1 este o diagramă simplificată a unui atom. Se compune dintr-un nucleu (care conține protoni și neutroni) înconjurat de un nor de electroni, deși în acest model electronic simplificat neutronii sunt ignorați, deoarece nu au sarcină electrică și, de asemenea, este util să ne gândim la electronii care orbitează nucleul în mai multe orbite fixe. Deși alte modele ale atomului nu descriu orbite discrete pentru electroni, poate fi util să ne gândim la aceste orbite ca la diferitele niveluri de energie ale atomului. Cu alte cuvinte, dacă o anumită căldură este aplicată unui atom, unii dintre electronii din orbitele de energie inferioară ar sări la orbite de energie mai mari, mai departe de nucleu. Aceasta este o viziune extrem de simplificată a lucrurilor, dar conține ideea de bază a modului în care atomii funcționează în termeni de lasere.

pe măsură ce un atom absoarbe energia și unii dintre electronii săi sar pe o orbită cu energie mai mare, în cele din urmă vrea să revină la starea de bază. Când o face, fiecare electron își eliberează energia ca un foton-o particulă de lumină. Atomii pot fi văzuți eliberând energie ca fotoni tot timpul. De exemplu, atunci când metalul strălucește roșu fierbinte, lumina roșie văzută este atomii metalului fierbinte care eliberează fotoni roșii. Când priviți o imagine pe un ecran TV, ceea ce vedeți sunt atomi de fosfor care acoperă ecranul sau suprafața LED-urilor albe fiind excitate ca electroni de atomi de energie înaltă care eliberează fotoni și produc direct sau indirect diferite culori de lumină. Multe dispozitive produc lumină în acest fel-lumini fluorescente, semne de neon, iluminat stradal cu LED și chiar becuri incandescente tradiționale, toate emit lumină prin acțiunea electronilor care schimbă orbitele și eliberează fotoni.

Construcție Diodă Laser

Fig. 2.6.2. Construcția diodelor Laser

există mai multe variante de construcție utilizate pentru diodele laser, fiecare având ca scop obținerea eficienței maxime pentru transformarea curentului electric în lumină laser.

Fig. 2.6.2 prezintă o construcție simplificată pentru o diodă laser, care în acest caz este similară cu o diodă emițătoare de lumină (LED) prin faptul că folosește arsenid de galiu, dopat cu elemente precum aluminiu, siliciu sau seleniu pentru a produce materiale semiconductoare de tip P și de tip N. Cu toate acestea, o diodă laser are un strat activ suplimentar de arsenid de galiu nedopat (intrinsec) cu o grosime de doar câțiva nanometri, prins între straturile P și N, creând în mod eficient o diodă PIN (tip P/intrinsec/tip N). În acest strat se produce lumina laser.

acțiune cu diodă Laser

dioda laser trece o cantitate mare de curent înainte de la P la N. mult mai mare decât cea utilizată într-un LED, deoarece dioda Laser va produce lumină laser numai atunci când funcționează la peste aproximativ 80% din curentul său maxim.

pompare Laser

Fig. 2.6.3. Absorbția energiei

în aceste condiții, atomii sunt într-o stare foarte energizată (pompată) și, ca purtători de sarcină (electroni și găuri), intră în stratul activ la joncțiunea PN. Electronii sunt la un nivel de energie mai mare decât cel al găurilor și, pe măsură ce electronii și găurile re-combină, energia se pierde sub formă de fotoni. Fotonii produși, toți oscilează la o frecvență deosebit de precisă, pe măsură ce ‘sar’ în sus și în jos între pereții reflectorizanți ai stratului activ. Unii fotoni se ciocnesc cu alți atomi și astfel creează electroni energizați suplimentari care produc și mai mulți fotoni. Acest proces se numește ‘pompare ‘și crește numărul de electroni puternic energizați până când există mai mulți electroni în starea excitată decât în starea de bază ne-energizată. În acest moment, cunoscut sub numele de inversiune a populației, se produce un flux constant de lumină coerentă sau laser, deoarece fotonii excitați suplimentar compensează mai mult decât orice pierderi datorate fotonilor reabsorbiți în materialul semiconductor. Deoarece fotonii oscilează la o singură frecvență precisă, ei produc lumină laser care are doar o singură lungime de undă.

Cavitatea Rezonantă

Fig. 2.6.4. Cavitatea rezonantă

pe măsură ce fotonii cresc în număr, lumina crește în putere. Deși o anumită lumină scapă în direcții diferite sau este absorbită în materialul semiconductor, unii dintre fotoni rulează într-o direcție paralelă cu axa laserelor, așa cum se arată în Fig. 2.6.4 acestea sări înainte și înapoi de pe capetele materialului laser. Suprafețele de capăt sunt tăiate și lustruite foarte precis pentru a crea oglinzi reflectorizante paralele. Distanța dintre aceste suprafețe reflectorizante Este un multiplu exact al unei lungimi de undă, astfel încât, pe măsură ce undele luminoase (fotonii) reflectă de la fiecare capăt al cavității, acestea rămân în fază. Amplitudinea undei reflectate se adaugă amplitudinii altor unde din cavitate, astfel încât undele continuă să se adauge pe măsură ce sar înapoi și înainte între oglinzi. În acest fel, stratul activ formează o cavitate rezonantă care ajută la amplificarea luminii. Pe măsură ce fotonii trec prin materialul laser de cristal, ei stimulează, de asemenea, emisia în alți atomi. Ca urmare, lumina amplificată, monocromatică, monofazată părăsește cavitatea rezonantă a laserului prin oglinda parțial reflectantă.

controlul diodei Laser.

Fig. 2.6.5. Comparație între un LED și o diodă Laser

Fig. 2.6.6. Controlul diodei Laser

o diodă laser este practic un LED care produce lumină laser; pentru a face acest lucru, dioda laser funcționează la un curent mult mai mare, de obicei de aproximativ 10 ori mai mare decât un LED normal. Fig. 2.6.5 compară un grafic al luminii unui LED normal și al unei diode laser. Într-un LED, puterea luminii crește constant pe măsură ce curentul diodei crește. Cu toate acestea, într-o diodă laser, lumina laser nu este produsă până când nivelul curent atinge nivelul pragului, când începe să apară emisia stimulată. Curentul de prag este în mod normal mai mult de 80% din curentul maxim pe care dispozitivul îl va trece înainte de a fi distrus! Din acest motiv, curentul prin dioda laser trebuie reglat cu atenție. O altă problemă este că emisia de fotoni este foarte dependentă de temperatură, dioda este deja operată aproape de limita sa și astfel se încălzește, schimbând astfel cantitatea de lumină emisă (fotoni) și curentul diodei. În momentul în care dioda laser funcționează eficient, funcționează la un pas de dezastru! Dacă curentul se reduce și scade sub pragul curent, emisia stimulată încetează; doar puțin prea mult curent și dioda este distrusă.

pe măsură ce stratul activ este umplut cu fotoni oscilanți, unii (de obicei aproximativ 60%) din lumină scapă într-un fascicul îngust și plat de la marginea cipului diodei. Așa cum se arată în Fig 2.6.6, o anumită lumină reziduală scapă și la marginea opusă și este utilizată pentru a activa o diodă foto, care transformă lumina înapoi în curent electric. Acest curent este utilizat ca un feedback la circuitul automat al driverului diodei, pentru a măsura activitatea în dioda laser și astfel asigurați-vă că prin controlul curentului prin dioda laser, curentul și lumina rămân la un nivel constant și sigur.

modul Laser

din aceste motive, diodele laser sunt rareori utilizate singure; în mod normal sunt furnizate ca un modul cu diodă laser, care conține:

Fig. 2.6.7 modul Laser tipic

• dioda în sine.

• un senzor de lumină fotodiodă.

• un circuit de reglare curent.

• o lentilă colimatoare.

modulul cu diodă laser este un circuit autoreglabil care își simte propria ieșire de lumină și reglează automat curentul de alimentare și temperatura pentru a menține dioda funcționând în condițiile critice în care este produsă lumina laser.

Corecție Optică

Fig. 2.6.8 lentile colimatoare

fasciculul de lumină produs de dioda laser are încă nevoie de unele modificări pentru a-l schimba dintr-un fascicul eliptic, răspândit produs pe măsură ce lumina laser părăsește stratul subțire activ al diodei, într-un fascicul paralel circular. Acest proces este realizat de un dispozitiv optic numit lentilă colimatoare (Fig. 2.6.8). Aceasta poate fi o lentilă sferică simplă sau un tip asferic, care poate transforma un fascicul eliptic într-unul circular.

modulele cu diode Laser sunt disponibile complet cu optică și electronică. Un modul tipic ar avea facilități precum stabilizarea puterii încorporate, pornirea lentă încorporată și radiatorul. Modulele de putere redusă (clasa 2) sunt utilizate în indicatoare laser, cititoare de coduri de bare, echipamente de observare, nivelare și poziționare, precum și o gamă largă de utilizări educaționale și de laborator. Ele produc o undă continuă, mai degrabă decât o ieșire de undă pulsată, la diferite lungimi de undă cuprinse între 500nm și 900nm și, prin urmare, au culori diferite de lumină laser (verde la 532nm și roșu la 650nm), precum și infraroșu și aproape infraroșu. Sunt simple de utilizat, necesitând de obicei o alimentare de 3V până la 5V DC pentru a funcționa.

clasificări Laser

laserele sunt clasificate în patru zone largi (plus subzone) în funcție de potențialul de a provoca daune biologice. Când vedeți un laser, acesta trebuie etichetat cu o denumire de clasă adecvată, descrisă pe scurt mai jos:

Fig. 2.6.9 tipic Laserwarning autocolante

• •clasa 1-sigură în condiții de utilizare normală. Ieșirea este limitată la mai puțin de 0.39mW la 600nm (mai puțin pentru lungimi de undă mai scurte).
• •clasa 1m − lasere care produc fascicule divergente, sigure pentru toate condițiile de utilizare, cu excepția cazului în care sunt trecute prin optica de mărire, cum ar fi microscoapele și telescoapele.
• •clasa 2 − lasere vizibile de mică putere care emit peste nivelurile clasei 1, dar la o putere radiantă care nu depășește 1MW. Conceptul este că reacția de aversiune umană la lumina puternică (reflexul de clipire) va proteja o persoană. Această clasă este utilizată pentru indicatoarele laser.
• •clasa 2M − Similar cu clasa 2, dar poate permite mai multă putere, deoarece grinzile cu această clasificare trebuie să producă grinzi largi sau divergente. Lumina care trece prin pupila privitorului nu trebuie să fie mai mare decât cea permisă în clasa 2.
• •clasa 3R − lasere de putere moderată sub 5mW, considerate sigure acolo unde vizualizarea este restricționată, oferind un risc scăzut de rănire.
• •clasa 3B-lasere pulsate de mare putere de până la 500mW: Periculos pentru vizualizare (cu excepția luminii reflectate de pe o suprafață mată) sunt necesare controale semnificative, cum ar fi ochelarii de protecție și blocajele de siguranță pentru instalațiile laser din clasa 3b.
• •Clasa 4 − lasere de mare putere mai mari de 500 mW. Acestea pot arde pielea și pot provoca leziuni oculare potențial devastatoare și permanente ca urmare a vizualizării directe sau difuze a fasciculului. De asemenea, pot aprinde materiale combustibile și, prin urmare, pot reprezenta un risc de incendiu. Această clasificare include multe lasere industriale, științifice, medicale și militare.

echipamentele care utilizează lasere din oricare dintre clasificările de mai sus vor avea o etichetă de avertizare similară cu cele din Fig. 2.6.9 evidențierea pericolelor și clasificarea laserului utilizat.

lista de mai sus este o versiune prescurtată a specificațiilor laserului conținute în standardul IEC 60825-1 și nu ar trebui să se bazeze pe un ghid cuprinzător. Standardul complet, împreună cu alte informații relevante privind siguranța, pot fi achiziționate de la Magazinul web al Comisiei electrotehnice internaționale