Polprevodniški laserji: vrste in načelo delovanja

Nekoč je bila proizvodnja laserja povezana z resnimi težavami, saj je zahtevala prisotnost majhnega kristala in razvoj vezja za njegovo delovanje. Za preprostega človeka na ulici je bila taka naloga nemogoča. Z razvojem tehnologije, možnost pridobitve laserski žarek, tudi v domačih pogojih. Miniaturni polprevodnik laserji (laserske diode) t ki jih danes elektronska industrija proizvaja precej, lahko ustvari stabilen laserski žarek. Danes bomo govorili o njih.

Splošne značilnosti

Polprevodniški ali diodni laserji so laserji, ki imajo ojačevalni medij na osnovi polprevodnikov. Nastajanje v njem se pojavi med medpasovnim prehodom elektronov, z nizko koncentracijo nosilcev v prevodnem pasu, predvsem zaradi stimuliranega oddajanja fotonov. Formalno so lahko taki laserji klasificirani kot polprevodniški, vendar se zaradi drugačnega načela delovanja razlikujejo v ločeno skupino.

Zaradi povečane optične moči in odličnih funkcionalnih lastnosti polprevodnikov se lahko uporabljajo v merilnih napravah z večjo natančnostjo, ne le v proizvodnji, ampak tudi v vsakdanjem življenju in celo v medicini. Polprevodniški laser je osnova za branje in pisanje računalniških diskov. Zahvaljujoč njemu delujejo laserski kazalci, merilniki ravni, merilniki razdalje in druge naprave, ki so uporabne za ljudi.

Pojav takšne elektronske komponente je bil revolucija pri načrtovanju električnih naprav različne kompleksnosti. Žarek, ki ga tvorijo močne diode, se v medicini uporablja pri izvajanju vseh vrst kirurških posegov, vključno z obnavljanjem vida. Laserski žarek lahko v kratkem času popravi očesno lečo.

V vsakdanjem življenju in industriji je uporaba polprevodniškega laserja večinoma povezana merilne naprave. Moč takšnih naprav se lahko spreminja v zelo širokem razponu. Tako je moč 8 vatov zadostna za sestavljanje prenosnega merilnika nivoja v življenjskih pogojih. V tem primeru bo naprava zanesljivo delovala in ustvarila zelo dolg laserski žarek. Mimogrede, pridobivanje takšnega žarka v očeh je nevarno, saj lahko na majhni razdalji poškoduje mehko tkivo.

Načelo delovanja polprevodniškega laserja

Pri svetlobnih diodah je glavni vir energije proces spontanega sevanja. Njegovo bistvo je, da se na anodo nanaša pozitivni naboj, diodo pa se premakne v smeri naprej. V tem primeru se luknje vbrizgajo iz regije p v regijo n od p - n prehoda in od območja n do regije p polprevodnika. Zato se take naprave pogosto imenujejo injekcijski polprevodniški laserji. Ko sta luknja in elektron drug poleg drugega, se rekombinirajo in oddajajo fotonsko energijo z določeno valovno dolžino in fononom.

V nekaterih primerih je lahko elektron in luknja na istem mestu dolgo časa (mikrosekunde) pred rekombinacijo. Če v tem trenutku okoli njih preide foton z resonančno frekvenco, bo prišlo do prisilne rekombinacije z sproščanjem drugega fotona. Imel bo točno isto smer, fazo in polarizacijski vektor kot prvi foton.

Polprevodniški kristal je tanka pravokotna plošča. Pravzaprav služi kot optični valovod, v katerem je količina sevanja omejena. Površinski sloj kristala se lahko modificira, tako da se ustvari regija n. Spodnja plast služi za tvorbo področja r.

Rezultat je pn križišče, ki ima ravno obliko in veliko površino. Par bočnih koncev kristala je izpostavljen poliranju, katerega namen je ustvariti vzporedne gladke površine, ki tvorijo optični resonator. Naključni foton prehaja skozi celoten optični valovod pravokotno na ravnino spontane emisije. Preden se odpravimo ven, se večkrat odbije od koncev in s pomočjo resonatorjev ustvarja prisilno rekombinacijo, ki generira nove fotone z enakimi značilnostmi. Torej se sevanje poveča. V trenutku, ko dobiček začne presegati izgubo, se pojavi žarek.

Obstajajo različne vrste polprevodniških laserjev. Njihovo glavno število se izvaja na posebej tanki plasti. Njihova struktura omogoča le vzporedno sevanje. Če pa je valovod širok glede na valovno dolžino, bo deloval v različnih prečnih načinih. Takšne diode se imenujejo multi-home. Uporaba teh laserjev vam omogoča, da ustvarite povečano moč sevanja brez ustrezne konvergence žarka. Del njegove razpršenosti je dovoljen. Ta učinek se uporablja za "črpanje" drugih laserjev v laserske tiskalnike in kemično proizvodnjo. Če pa obstaja potreba po specifičnem ostrenju žarka, je valovod takšne širine, ki je lahko primerljiva z valovno dolžino.

V slednjem primeru bo širina žarka odvisna od mej, ki jih povzroča lom. Instrumenti, ki delujejo po tem principu, se uporabljajo v optičnih napravah za shranjevanje, laserskih kazalcih in tehnologijah optičnih vlaken. Treba je omeniti, da ne morejo podpirati več vzdolžnih načinov in ustvariti žarek pri različnih hkratnih valovnih dolžinah. Na dolžino žarka vpliva prepovedano območje med energetskimi nivoji p in n regijami.

Ker je sevalna komponenta zelo tanka, se laserski žarek na izhodu takoj razprši. Za kompenzacijo divergence polprevodniškega laserja in ustvarjanje tankih žarkov se uporablja zbiranje leč. Cilindrične leče se uporabljajo v večdelnih napravah. Pri laserjih z eno lečo, ki uporabljajo simetrične leče, bo žarek v preseku imel eliptično obliko, saj navpična divergenca presega njeno velikost v vodoravni ravnini. Dober dokaz za to je laserski kazalec.

Razvrstitev

Polprevodniški laserji, katerih fizika je bila obravnavana zgoraj, imajo n-p strukturo. Imajo nizko učinkovitost, zahtevajo veliko moč na vhodu in delujejo izključno v pulznem načinu. Zaradi hitrega pregrevanja ne morejo delati drugače. V zvezi s tem je obseg takih laserjev omejen. Na njihovi osnovi so nastale naprave z bolj impresivnimi parametri. Razmislite o vrstah polprevodniških laserjev.

Double Hetero Laser

Struktura te naprave zagotavlja plast snovi z ozkim območjem prepovedi. Nahaja se med materiali, v katerih je ta cona veliko širša. Za izdelavo takšnih laserjev se praviloma uporabljajo arzenid galij in aluminijev galij. Takšne spojine se imenujejo heterostrukture.

Prednost tega polprevodniškega laserja je, da je aktivna regija (področje elektronov in lukenj) v srednjem sloju. Iz tega sledi, da silo ustvarja veliko večje število parov elektronov in lukenj. Na območju z malo napora so ti pari skoraj izginili. Poleg tega se svetloba odbija od heterojunktur. Tako je sevanje v celoti na področju najučinkovitejšega napora.

Kvantni laser

Ko je srednja plast diode tanjša, začne delovati kot kvantni vodnjak. Energija elektronov se nato kvantizira navpično. Razlika med količino energije kvantnih vdolbin se uporablja za tvorjenje sevanja, namesto za pregrado. To je zelo učinkovito v smislu nadzora vala žarka, ki je neposredno odvisen od debeline srednje plasti. Ta vrsta laserja je veliko bolj produktivna kot enoslojni analog, saj je v njej gostota elektronov in lukenj bolj enakomerno porazdeljena.

Heterostrukturirani laser z ločenim zadrževanjem

Glavna značilnost tankoplastnega laserja je, da ni sposoben učinkovito držati svetlobnega žarka. Da bi rešili ta problem, se na obeh straneh kristala nanese par dodatnih plasti, ki imajo nižjo lom kot osrednje plasti. Takšna struktura spominja na svetlobni vodnik. Veliko bolj učinkovito drži žarek in se imenuje heterostruktura z ločenim držalom. Polprevodniški heterostrukturni laser je bil množično proizveden leta 2000.

Laserji za povratne informacije

Ta zasnova se uporablja predvsem za optične komunikacije. Za stabilizacijo valov se na pn stično povezavo uporabi prečni zarez, zaradi česar difrakcijska mrežica. Zaradi tega se v resonator vrne samo ena valovna dolžina, ki se v njej ojača. V polprevodniških laserjih s povratno zvezo ima val konstantno dolžino, ki jo določa nagib samega zareza. Pod vplivom temperature je možno spremeniti zarezo. Načelo delovanja polprevodniških laserjev tega modela je osnova telekomunikacijskih optičnih sistemov.

VCSEL in VECSEL

VCSEL je površinski laserski model z vertikalnim resonatorjem, ki oddaja svetlobo v smeri pravokotno na ravnino kristala, medtem ko je emisija konvencionalnih laserskih diod vzporedna tej ravnini.

VECSEL se od prejšnjega modela razlikuje le v tem, da ima zunanji resonator in ga je mogoče izvajati s tokovnim ali optičnim črpanjem.

Impulzni izhod

Načelo delovanja polprevodniškega laserja vključuje generiranje zveznega žarka. Zaradi dejstva, da elektroni dolgo časa ne ostanejo na ravni prevodnosti, takšne naprave niso primerne za generiranje Q-preklopnega impulza. Kljub temu je zaradi uporabe kvazi-neprekinjenega načina delovanja mogoče znatno povečati moč kvantnega generatorja. Poleg tega se lahko laserske diode uporabljajo tudi v primerih, ko je treba s preklopom koeficienta sile ali načina zaklepanja oblikovati ultrashortni impulz. Moč kratkih impulzov je običajno omejena na nekaj mW. Izjema so le laserji VECSEL, katerih izhod se meri v več visokofrekvenčnih impulzih.

Etuiji za polprevodniške laserje

Ker so se laserske diode širile, se je povečalo število primerov, od katerih je bil vsak zasnovan za določeno vrsto dela. V tej smeri ni uradnih standardov, vendar veliki proizvajalci pogosto sklepajo sporazume o poenotenju svojih izdelkov. Obstajajo tudi storitve za pakiranje laserjev glede na individualne zahteve kupcev. Tako je, če je mogoče, seznam vseh vrst ograjenih prostorov precej problematičen.

V vsakem primeru je pinout stikov lahko edinstven, zato morate pred nakupom vedno določiti dodelitev pinov. Poleg tega je treba omeniti, da videz ohišja nima vedno neposredne povezave z valovno dolžino.

Laserski modul je sestavljen iz naslednjih elementov:

1. Emitter.
2. Peltierjev element.
3. Termistor
4. Fotodioda.
5. Optični izolator.
6. Objektiv.

Na kratko analizirajte modele stavb, ki so najpogostejše.

Z izhodnim sevanjem

TO - CAN . Ta tip ohišja je zasnovan tako, da oddaja majhne in srednje močne razpone (do 250 mW), saj nima posebnih površin, ki odvajajo toploto. Njegova velikost se giblje od 4 do 10 mm, število nog pa od 3 do 4. Lahko se preklapljajo na različne načine, pri čemer nastane 8 vrst pinoutov.

Manj priljubljeni so lupine z izhodnim sevanjem, modeli C-MOUNT in D-MOUNT.

Z vlakni

To so naslednje vrste:

• DIL . To ohišje je namenjeno za laserje z močjo več kot 10 mW, katerih površina ni dovolj za odvajanje toplote. Učinkovitejše hlajenje se izvaja z vgrajenim Peltier hladilnikom. Prenaša toploto na rob aluminijastega ohišja nasproti izhodu iz vlaken. Z namestitvijo nog v dveh vrstah s korakom 2,5 mm, skupaj s spajkanjem, lahko uporabite tudi ločljivo električno povezavo.
• DBUT - Dual-Butterfly. To je najbolj priljubljen primer za polprevodniške laserje do 10-800 mW. Glavna prednost tega modela je učinkovitejše odvajanje toplote zaradi povečane kontaktne površine Peltierjevega elementa z laserskim modulom. Spodnja površina naprave je glavna v smislu prenosa toplote. Električni priključki se nahajajo na bočnih straneh, kar otežuje vtično povezavo modula z nadzorno ploščo.
• SBUT - enojni metulj. Gre za enostransko različico prejšnjega primera. Ker je število zatikov prepolovljeno, ni možnosti uporabe notranjega fotodiode.

Vozniki

Polprevodniški laser se uporablja v mnogih napravah, ki zahtevajo usmerjen žarek svetlobe. Pravilna povezava je najpomembnejša točka pri montaži naprave.

Laser se od Led-modelov razlikuje po prisotnosti miniaturnega kristala. Ima veliko moči in visoke napetosti, ki lahko onemogočijo napravo. Za lažje delo s polprevodniškim laserjem uporabite posebne tokokroge naprav, ki se imenujejo gonilniki.

Laserji potrebujejo stabilen vir napajanja. Vendar pa lahko nekateri modeli z rdečim žarkom delujejo normalno z nestabilnim omrežjem. Tako ali drugače ne morete neposredno povezati laserja, tudi če imate voznika. Iz teh razlogov se uporablja tokovni senzor ki je primeren kot preprost upor. Namesti se med laserjem in voznikom.

Pomanjkljivost takšne povezave je v tem, da negativni pol napajalnika ni povezan z minusom tokokroga. Poleg tega se spremlja tudi upad moči na uporu. Zato morate pred priključitvijo laserja skrbno izbrati gonilnik.

Vrste voznikov

Za normalno delovanje laserja se običajno uporabljajo dve vrsti naprav:

• Impulzni . Izvaja se po analogiji s pulznim pretvornikom napetosti, ki lahko spreminja ta parameter. Izhodna moč in vhod tega gonilnika sta približno enaka. Majhna količina energije se porabi za ogrevanje.
• Linearna . Deluje po shemi, ki vključuje pogoste (pogosteje kot je potrebno) napajanje diod. Da bi zmanjšali to napetost, morate dodatno uporabiti tranzistor, ki pretvarja odvečno energijo v toploto. Zaradi nizke učinkovitosti se linearni gonilniki ne uporabljajo široko.

Povezava

Zasnova polprevodniškega laserja predvideva prisotnost treh zaključkov. Povprečje se poveže z minusom (plus). Plus se priključi na levo ali desno nogo, odvisno od modela. Če želite izvedeti, katera noga je primerna za povezavo, morate uporabiti moč. Za to je primerna 1,5 voltna baterija z uporom 5 ohmov. Vir minus mora biti povezan s srednjim delom diode, plus z desno nogo in nato z levo nogo. S to izbiro lahko ugotovite, katera od stranskih nog je “delujoča”. Na enak način je tudi laser povezan z mikrokrmilnikom.

Diode lahko delujejo na bateriji mobilnega telefona in prstnih baterijah. Glavna stvar - ne pozabite, da morate dodatno uporabiti omejevalni upor 20 ohmov.

Povezava z gospodinjskim omrežjem

Za priključitev na gospodinjsko omrežje morate sistem dodatno zaščititi pred visokofrekvenčnimi napetostnimi konicami. Upor in stabilizator tvorita blok, ki preprečuje kapljanje toka. Za izenačitev napetosti uporabite zener diodo. S pravilno montažo bo laser deloval stabilno in bo trajal dolgo časa.

Najbolj priročen način dela z rdečo diodo je približno 200 mW. Ti polprevodniški laserji opremljajo računalniške diskovne pogone.

Postopek za povezavo z gospodinjskim omrežjem:

1. Preverite delovanje diode z baterijo.
2. Izberite najsvetlejši polprevodnik. Diodo, vzeto iz računalnika, sveti z infrardečo svetlobo. V nobenem primeru je ne more usmeriti v oči.
3. Diodo namestite na aluminijasto ploščo, ki bo služila kot hladilnik za hlajenje. V ta namen je predvrtana luknja.
4. Razširite prostor termalne paste med laserjem in diodo.
5. Priključite 5 W in 20 ohmski upor na laser in baterijo.
6. Preusmerimo diode s keramičnim kondenzatorjem. Zmogljivost slednjega je nesmiselna.
7. Če izklopite laser, priključite napajanje in preverite delo. Prikaže se enakomerna rdeča luč.

Med povezavo se je treba spomniti na varnost in da bo samo s kakovostnimi povezavami vse delovalo, kot bi moralo.

Polprevodniška laserska aplikacija

Čas je, da ugotovite, kje se uporabljajo te preproste, a zelo uporabne naprave. Močni polprevodniški laserji z visoko učinkovitim električnim črpanjem se uporabljajo pri zmerni napetosti kot sredstvo za dobavo energije trdim gorivom. Delujejo lahko v širokem razponu frekvenc, vključno z vidnimi in bližnjimi in srednjimi infrardečimi območji spektra. Nekatere naprave lahko spremenijo frekvenco sevanja. Polprevodniški laser, za katerega smo se danes naučili, lahko hitro modulira in preklopi optično moč. Ta funkcija se uporablja pri izdelavi oddajnikov z optičnimi vlakni.

Polprevodniški laserji so zaradi svojih značilnosti daleč najpomembnejši razred kvantnih generatorjev.

Uporabljajo se na takih območjih:

1. Izdelava telemetričnih senzorjev, optičnih višinomerjev, merilnih naprav, merilcev dosega, pirometrov.
2. Izdelava optičnih sistemov, koherentnih komunikacijskih sistemov ter sistemov za prenos in shranjevanje podatkov.
3. Varnostni sistemi, kvantna kriptografija, avtomatizacija.
4. Izdelava video projektorjev, laserskih tiskalnikov, laserskih kazalcev, skenerjev, CD predvajalnikov.
5. Optična metrologija in spektroskopija, kirurgija, zobozdravstvo, kozmetologija, terapija.
6. Obdelava materialov, čiščenje vode, kontrola kemijskih reakcij.
7. Industrijski inženiring in industrijsko sortiranje.
8. Proizvodnja vžigalnih sistemov in sistemov zračne obrambe.