läs om Elektronik

laserdioder

laserljus

vitt ljus består av alla färger i det synliga ljusspektrumet, vilket är ett mycket brett band med många olika frekvenser. Vanliga lysdioder ger en ljusutgång som ofta består av en färg, men även det ljuset innehåller elektromagnetiska vågor som täcker ett ganska brett frekvensband.

alla ljus, som vitt ljus, som innehåller flera frekvenser eller våglängder, är svåra att fokusera till en mycket fin punkt. Detta beror på att linssystemet som fokuserar ljuset har en fast brännvidd, men brännvidden som krävs för att fokusera olika våglängder (färger) av ljus är annorlunda. Därför kommer varje färg att fokusera på olika punkter, vilket orsakar vad som kallas ’kromatisk aberration’. Detta kan ses, även i linssystem av god kvalitet som färgade fransar runt bilder som ses genom linsen.

ljuset från en laser innehåller bara en enda frekvens och kan därför fokuseras av även ett enkelt linssystem till en extremt liten punkt. Det finns ingen kromatisk avvikelse eftersom endast en våglängd existerar, all energi från ljuskällan koncentreras också till en mycket liten ljuspunkt. Typiskt skulle diametern på den fokuserade ljusstrålen från en laser som den som finns i en CD-spelare vara cirka 1,6 MICR (mindre än två tusendels millimeter). Detta innebär att om laserdiodutgången endast var 0,5 mW skulle strålens fokuserade (infraröda) effekt (vilket möjliggör förluster i fokuseringslinsen) vara cirka 12 kW/cm2.

Lågeffektlasrar används i ett ökande antal välkända applikationer inklusive CD-och DVD-spelare och inspelare, streckkodsläsare, säkerhetssystem, optisk kommunikation och kirurgiska instrument. LASER är en akronym (en massa initialer gjorda till ett ord) för:

Fig. 2.6.1. En Atom av Gallium

ljusförstärkning genom stimulerad Emission av strålning

namnet ger en beskrivning av hur enheten fungerar, så länge som några grundläggande principer förstås.

grunderna för en Atom

allt i universum består av endast cirka 100 olika atomer, antingen i ren form (ett element) eller i ett obegränsat antal kombinationer (föreningar och blandningar). Atomer är ständigt i rörelse. De vibrerar kontinuerligt, rör sig och roterar. Även fasta material är faktiskt i rörelse. Denna rörelse kallas excitation. Atomer kan vara i olika tillstånd av excitation. Med andra ord kan de ha olika energinivåer. Om mycket energi appliceras på en atom via värme, ljus eller elektricitet kan den lämna det som kallas marktillståndsenerginivån och gå till en upphetsad nivå. Nivån av excitation beror på mängden energi som appliceras på atomen.

Fig. 2.6.1 är ett förenklat diagram över en atom. Den består av en kärna (innehållande protoner och neutroner) omgiven av ett elektronmoln, även om neutronerna i denna förenklade elektronikmodell ignoreras eftersom de inte har någon elektrisk laddning, och det är också bra att tänka på elektronerna som kretsar kring kärnan i flera fasta banor. Även om andra modeller av atomen inte visar diskreta banor för elektronerna, kan det vara användbart att tänka på dessa banor som atomens olika energinivåer. Med andra ord, om någon värme appliceras på en atom, skulle några av elektronerna i de lägre energibanorna Hoppa till högre energibanor längre bort från kärnan. Detta är en mycket förenklad syn på saker, men innehåller den grundläggande tanken på hur atomer fungerar när det gäller lasrar.

när en atom absorberar energi och några av dess elektroner hoppar till en högre energibana, vill den så småningom återvända till marktillståndet. När det gör det släpper varje elektron sin energi som en foton − en ljuspartikel. Atomer kan ses släppa energi som fotoner hela tiden. Till exempel, när metall lyser rött hett, är det röda ljuset som ses atomerna i den heta metallen som släpper ut röda fotoner. När du tittar på en bild på en TV-skärm ser du fosforatomer som täcker skärmen eller ytan på vita lysdioder som exciteras som elektron av högenergiatomer som släpper ut fotoner och direkt eller indirekt producerar olika ljusfärger. Många enheter producerar ljus på detta sätt − lysrör, neonskyltar, LED-gatubelysning och till och med traditionella glödlampor, alla avger ljus genom verkan av elektroner som byter banor och släpper ut fotoner.

Laserdiodkonstruktion

Fig. 2.6.2. Laserdiodkonstruktion

det finns flera varianter av konstruktion som används för laserdioder, var och en syftar till att uppnå maximal effektivitet för att omvandla elektrisk ström till laserljus.

Fig. 2.6.2 visar en förenklad konstruktion för en laserdiod, som i detta fall liknar en ljusemitterande diod (LED) genom att den använder galliumarsenid, dopad med element som aluminium, kisel eller selen för att producera halvledarmaterial av P-typ och N-typ. En laserdiod har emellertid ett ytterligare aktivt lager av un-dopad (inneboende) galliumarsenid endast några nanometer tjock, inklämd mellan P-och N-skikten, vilket effektivt skapar en stift (p-typ/inneboende/N-typ) diod. Det är i detta lager att laserljuset produceras.

Laserdiodverkan

laserdioden passerar en stor mängd framåtström från P till N. mycket större än den som används i en LED eftersom laserdioden endast producerar laserljus när den drivs över cirka 80% av sin maximala ström.

Laser pumpning

Fig. 2.6.3. Absorptionen av energi

under dessa förhållanden är atomerna i ett starkt energiserat (pumpat) tillstånd och när laddningsbärare (elektroner och hål) kommer in i det aktiva skiktet vid PN-korsningen. Elektroner är på en energinivå högre än hålen, och när elektronerna och hålen kombinerar energi förloras i form av fotoner. Fotonerna som produceras svänger alla med en särskilt exakt frekvens när de’ studsar ’ upp och ner mellan de ljusreflekterande väggarna i det aktiva skiktet. Vissa fotoner kolliderar med andra atomer och skapar därmed ytterligare energiska elektroner som producerar ännu fler fotoner. Denna process kallas ’pumpning ’och ökar antalet starkt energiska elektroner tills det finns fler elektroner i det upphetsade tillståndet än i det icke-energiska’ Mark ’ – tillståndet. Vid denna punkt, känd som populationsinversion, produceras en konstant ström av koherent eller laserljus, eftersom de extra upphetsade fotonerna mer än kompenserar för eventuella förluster på grund av att fotoner absorberas igen i halvledarmaterialet. Eftersom fotonerna svänger med en enda exakt frekvens producerar de laserljus som bara har en enda våglängd.

Resonanshålan

Fig. 2.6.4. Resonanskaviteten

när fotonerna ökar i antal ökar ljuset i kraft. Även om en del ljus flyr i olika riktningar eller absorberas i halvledarmaterialet, några av fotonerna löper i en riktning parallellt med lasraraxeln, såsom visas i Fig. 2.6.4 dessa studsar fram och tillbaka från lasermaterialets ändar. Ändytorna är mycket noggrant skurna och polerade för att skapa parallella reflekterande speglar. Avståndet mellan dessa reflekterande ytor är en exakt multipel av en våglängd, så att när ljusvågorna (fotonerna) reflekterar från varje ände av hålrummet, stannar de i fas. Amplituden hos den reflekterade vågen ökar amplituden hos andra vågor i kaviteten, så vågorna fortsätter att lägga till när de studsar bakåt och framåt mellan speglarna. På detta sätt bildar det aktiva skiktet en Resonanshålighet som hjälper till att förstärka ljuset. När fotonerna passerar genom kristalllasermaterialet stimulerar de också utsläpp i andra atomer. Som ett resultat lämnar förstärkt, monokromatiskt, enfasljus laserns resonanshålighet genom den delvis reflekterande spegeln.

styrning av laserdioden.

Fig. 2.6.5. Jämförelse mellan en LED och en laserdiod

Fig. 2.6.6. Styrning av laserdioden

en laserdiod är i grunden en LED som producerar laserljus; för att göra detta drivs laserdioden med en mycket högre ström, vanligtvis cirka 10 gånger större än en vanlig LED. Fig. 2.6.5 jämför en graf över ljusutgången för en normal LED och en laserdiod. I en LED ökar ljusutgången stadigt när diodströmmen ökas. I en laserdiod produceras emellertid inte laserljus förrän den aktuella nivån når tröskelnivån, när stimulerad emission börjar inträffa. Tröskelströmmen är normalt mer än 80% av den maximala strömmen som enheten kommer att passera innan den förstörs! Av denna anledning måste strömmen genom laserdioden regleras noggrant. Ett annat problem är att utsläppen av fotoner är mycket beroende av temperaturen, dioden drivs redan nära gränsen och blir så varm, vilket ändrar mängden ljus som emitteras (fotoner) och diodströmmen. När laserdioden fungerar effektivt fungerar den på randen av katastrof! Om strömmen minskar och faller under tröskelströmmen upphör stimulerad emission; bara lite för mycket ström och dioden förstörs.

eftersom det aktiva skiktet är fyllt med oscillerande fotoner, flyr vissa (vanligtvis cirka 60%) av ljuset i en smal, platt stråle från kanten av diodchipet. Som visas i Fig 2.6.6 viss restljus släpper också ut i motsatt kant och används för att aktivera en fotodiod, som omvandlar ljuset tillbaka till elektrisk ström. Denna ström används som en återkoppling till den automatiska dioddrivkretsen, för att mäta aktiviteten i laserdioden och så se till att genom att styra strömmen genom laserdioden, att strömmen och ljusutgången förblir på en konstant och säker nivå.

lasermodul

av dessa skäl används laserdioder sällan på egen hand; de levereras normalt som en laserdiodmodul, som innehåller:

Fig. 2.6.7 typisk lasermodul

• dioden själv.

laserdiodmodulen är en självreglerande krets som känner av sin egen ljusflöde och reglerar automatiskt matningsströmmen och temperaturen för att hålla dioden i drift under de kritiska förhållanden där laserljus produceras.

Optisk Korrigering

Fig. 2.6.8 Kollimerande lins

ljusstrålen som produceras av laserdioden behöver fortfarande en viss modifiering för att ändra den från en elliptisk spridningsstråle som produceras när laserljuset lämnar det tunna aktiva skiktet på dioden till en cirkulär parallellstråle. Denna process utförs av en optisk enhet som kallas en kollimerande lins (Fig. 2.6.8). Detta kan vara en enkel sfärisk lins eller en asfärisk typ, som kan omvandla en elliptisk stråle till en cirkulär.

Laserdiodmoduler finns komplett med optik och elektronik. En typisk modul skulle innehålla faciliteter som inbyggd effektstabilisering, inbyggd långsam start och kylfläns. Lågeffektmoduler (klass 2) används i laserpekare, streckkodsläsare, siktnings -, nivellerings-och positioneringsutrustning samt ett brett utbud av utbildnings-och laboratorieanvändningar. De producerar en kontinuerlig våg, snarare än en pulsad vågutgång, vid olika våglängder mellan 500 nm och 900 nm, och har så olika färger av laserljus (grönt vid 532 nm och rött vid 650 nm) såväl som infrarött och nära infrarött. De är enkla att använda och kräver vanligtvis en 3V till 5V DC-strömförsörjning för att fungera.

Laserklassificeringar

lasrar klassificeras i fyra breda områden (plus delområden) beroende på potentialen för att orsaka biologisk skada. När du ser en laser ska den märkas med lämplig klassbeteckning, kortfattat beskrivet nedan:

Fig. 2.6.9 typiska LaserWarning-klistermärken

• •Klass 1-Säker vid normal användning. Produktionen är begränsad till mindre än 0.39mW vid 600 Nm (mindre för kortare våglängder).
• •klass 2-synliga lasrar med låg effekt som avger över Klass 1-nivåer men med en strålningseffekt som inte överstiger 1 mW. Konceptet är att den mänskliga aversionsreaktionen mot starkt ljus (blinkreflexen) skyddar en person. Denna klass används för laserpekare.
• •klass 2m − liknar klass 2 men kan tillåta mer kraft eftersom balkar med denna klassificering måste producera breda eller divergerande balkar. Ljus som passerar genom en betraktares elev får inte vara större än det som tillåts i klass 2.
• •klass 3R − måttliga effektlasrar under 5 MW, anses vara säkra där visning är begränsad, vilket ger låg risk för skador.

utrustning som använder lasrar Av någon av ovanstående klassificeringar kommer att befinnas ha en varningsetikett som liknar dem i Fig. 2.6.9 redogöra för farorna och klassificeringen av den använda lasern.

ovanstående lista är en förkortad version av laserspecifikationerna i IEC 60825-1-standarden och bör inte åberopas som en omfattande guide. Den fullständiga standarden, tillsammans med annan relevant säkerhetsinformation, kan köpas från International Electrotechnical Commission Webstore