Лазерный диод принцип работы – Лазерный диод-принцип работы, ток лазерного диода — Мир Антенн

Содержание

Лазерные диоды. Виды и подключение. Устройство и работа

Лазерные диоды — ранее изготовление лазеров было связано с большими трудностями, так как для этого необходим маленький кристалл и разработка схемы для его функционирования. Для простого радиолюбителя такая задача была невыполнимой.

С развитием новых технологий возможность получения лазерного луча в бытовых условиях стала реальностью. Электронная промышленность сегодня производит миниатюрные полупроводники, которые могут генерировать луч лазера. Этими полупроводниками стали лазерные диоды.

Повышенная оптическая мощность и отличные функциональные параметры полупроводника позволяют применять его в измерительных устройствах повышенной точности как на производстве, в медицине, так и в быту. Они являются основой для записи и чтения компьютерных дисков, школьных лазерных указок, уровнемеров, измерителей расстояния и многих других полезных для человека устройств.

Возникновение такого нового электронного компонента является революцией в создании электронных устройств разной сложности. Диоды высокой мощности образуют луч, который используется в медицине при выполнении различных хирургических операций, в частности по восстановлению зрения. Луч лазера способен быстро произвести коррекцию хрусталика глаза.

Лазерные диоды используются в измерительных приборах в быту и промышленности. Устройства изготавливают с разной мощностью. Мощности 8 Вт хватит для сборки в бытовых условиях портативного уровнемера. Этот прибор надежен в работе, способен создать лазерный луч очень большой длины. Попадание лазерного луча в глаза очень опасно, так как на малом расстоянии луч способен к повреждениям мягких тканей.

Устройство и принцип работы

В простом диоде на анод подается положительное напряжение, то речь идет о смещении диода в прямом направлении. Дырки из области «р» инжектируются в область «n» р-n перехода, а из области «n» в область «р» полупроводника. При расположении дырки и электрона рядом друг с другом, то они рекомбинируют и выделяют фотонную энергию с некоторой длиной волны и фонона. Этот процесс получил название спонтанного излучения. В светодиодах он является главным источником.

Но при некоторых условиях дырка и электрон способны находиться перед рекомбинацией в одном месте продолжительное время (несколько микросекунд). Если по этой области в это время пройдет фотон с частотой резонанса, то он вызовет вынужденную рекомбинацию, и при этом выделится второй фотон. Его направление, фаза и вектор поляризации будут абсолютно совпадать с первым фотоном.

Кристалл полупроводника изготавливают в виде тонкой пластинки формы прямоугольника. По сути дела, эта пластинка и играет роль оптического волновода, в котором излучение действует в ограниченном объеме. Поверхностный слой кристалла модифицируется с целью образования области «n». Нижний слой служит для создания области «р».

В конечном итоге получается плоский переход р-n значительной площади. Два боковых торца кристалла подвергают полировке для создания параллельных гладких плоскостей, образующих оптический резонатор. Случайный фотон перпендикулярного плоскостям спонтанного излучения пройдет по всему оптическому волноводу. При этом перед выходом наружу фотон несколько раз будет отражаться от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создаст вынужденную рекомбинацию, образуя при этом новые фотоны с такими же параметрами, чем вызовет усиление излучения. Когда усиление превзойдет потери, начнется создание лазерного луча.

Существуют различные типы лазерных диодов. Основные из них выполнены на особо тонких слоях. Их структура способна создавать излучение только параллельно. Но если волновод выполнить широким в сравнении с длиной волны, то он будет функционировать уже в различных поперечных режимах. Такие лазерные диоды называют многодомовыми.

Использование таких лазеров оправдано для создания повышенной мощности излучения без качественной сходимости луча. Допускается некоторое его рассеивание. Этот эффект используется для накачки других лазеров, в химическом производстве, лазерных принтерах. Однако при необходимости определенной фокусировки луча, волновод должен выполняться с шириной, сравнимой с длиной волны.

В этом случае ширина луча зависит от границ, которые наложены дифракцией. Такие приборы используются в запоминающих оптических устройствах, оптоволоконной технике, лазерных указателях. Необходимо заметить, что эти лазеры не способны поддержать несколько продольных режимов, и излучать лазерный луч на разных длинах волн в одно время. Запрещенная зона между уровнями энергии «р» и «n» областей диода влияет на длину волны луча.

Лазерный луч на выходе сразу расходится, так как излучающий компонент очень тонкий. Чтобы компенсировать это явление и создать тонкий луч, используют собирающие линзы. Для широких многодомовых лазеров используются цилиндрические линзы. В случае однодомовых лазеров, при применении симметричных линз, лазерный луч будет иметь эллиптическое поперечное сечение, так как вертикально расхождение превосходит размер луча в горизонтальной плоскости. Наглядным примером для этого служит лазерная указка.

В рассмотренном элементарном устройстве нельзя выделить определенную длину волны, кроме волны оптического резонатора. В устройствах, имеющих материал, способный усилить луч в большом интервале частот, и с несколькими режимами, возможно действие на разных волнах.

Обычно лазерные диоды функционируют на одной волне, обладающей, однако значительной нестабильностью, и зависящей от различных факторов.

Разновидности

Устройство рассмотренных выше диодов имеет n-р структуру. Такие диоды имеют низкую эффективность, требуют значительную мощность на входе, и работают только в режиме импульсов. По-другому они работать не могут, так как быстро перегреются, поэтому не получили широкого применения на практике.

Лазеры с двойной гетероструктурой имеют слой вещества с узкой запрещенной зоной. Этот слой находится между слоями материала, у которого широкая запрещенная зона. Обычно для изготовления лазера с двойной гетероструктурой применяют арсенид алюминия-галлия и арсенид галлия. Каждыи из этих соединений с двумя разными полупроводниками получили название гетероструктуры.

Достоинством лазеров с такой особенной структурой является то, что область дырок и электронов, которую называют активной областью, находится в среднем тонком слое. Следовательно, что создавать усиление будут намного больше пар дырок и электронов. В области с малым усилением таких пар останется мало. В дополнение свет станет отражаться от гетеропереходов. Другими словами излучение будет полностью находиться в области наибольшего эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами

При выполнении среднего слоя диода более тонким, он начинает функционировать в качестве квантовой ямы. Поэтому электронная энергия будет квантоваться вертикально. Отличие между уровнями энергии квантовых ям применяется для образования излучения вместо будущего барьера.

Это эффективно для управления волной луча, зависящей от толщины среднего слоя. Такой вид лазера намного эффективнее, в отличие от однослойного, так как плотность дырок и электронов распределена более равномерно.

Гетероструктурные лазерные диоды

Основной особенностью тонкослойных лазеров является то, что они не способны эффективно удерживать луч света. Для решения этой задачи по обеим сторонам кристалла прикладывают два дополнительных слоя, которые обладают более низким преломлением, в отличие от центральных слоев. Подобная структура похожа на световод. Она намного лучше удерживает луч. Это гетероструктуры с отдельным удержанием. По такой технологии произведено большинство лазеров в 90-х годах.

Лазеры с обратной связью в основном применяют для волоконно-оптической связи. Для стабилизации волны на р-n переходе выполняют поперечную насечку для создания дифракционной решетки. Из-за этого в резонатор возвращается и усиливается только одна длина волны. Такие лазеры имеют постоянную длину волны. Она определена шагом насечки решетки. Под действием температуры насечка изменяется. Подобная модель лазера является основой телекоммуникационных оптических систем.

Существуют также лазерные диоды VСSЕL и VЕСSЕL, которые являются поверхностно-излучающими моделями с вертикальным резонатором. Их отличие состоит в том, что у модели VЕСSЕL резонатор внешний, и его конструкция бывает с оптической и токовой накачкой.

Особенности подключения

Лазерные диоды используются во многих устройствах, где необходим направленный световой луч. Основным процессом в сборке устройства с применением лазера своими руками является правильное подключение.

Лазерные диоды отличаются от led диодов миниатюрным кристаллом. Поэтому в нем концентрируется большая мощность, а следовательно и величина тока, что может привести к выходу его из строя. Для облегчения работы лазера существуют особые схемы устройств, которые называются драйверами.

Лазерам необходимо стабильное питание. Однако существуют их модели, имеющие красное свечение луча, и функционирующие в нормальном режиме даже с нестабильной сетью. Если имеется драйвер, то все равно диод нельзя подключать напрямую. Для этого дополнительно нужен датчик тока, роль которого часто играет резистор, подключенный между этими элементами.

Такое подключение имеет недостаток в том, что отрицательный полюс питания не соединен с минусом схемы. Другим недостатком является падение мощности на резисторе. Поэтому перед подключением лазера необходимо тщательно подобрать драйвер.

Виды драйверов

Существуют два главных вида драйверов, способных обеспечить нормальный режим эксплуатации лазерных диодов.

Импульсный драйвер выполнен по аналогии импульсного преобразователя напряжения, способного повышать и понижать этот параметр. Мощности выхода и входа такого драйвера примерно равны. Однако, существует некоторое выделение тепла, на которое расходуется незначительное количество энергии.

Линейный драйвер действует по схеме, которая чаще всего подает напряжение на диод больше, чем требуется. Для его снижения необходим транзистор, преобразующий излишнюю энергию в теплоту. Драйвер имеет малый КПД, поэтому не нашел широкого применения.

При применении линейных микросхем в качестве стабилизаторов, при уменьшении напряжения на входе диодный ток будет снижаться.

Так как питание лазеров выполняется двумя видами драйверов, схемы подключения имеют отличия.

Схема также может содержать источник питания в виде батареи или аккумулятора.

Аккумуляторы должны выдавать напряжение 9 вольт. Также в схеме должен быть резистор, ограничивающий ток, и лазерный модуль. Лазерные диоды можно найти в неисправном приводе дисков от компьютера.

Лазерный диод имеет 3 вывода. Средний вывод подключается к минусу (плюсу) питания. Плюс подключается к правой, либо левой ножке, в зависимости от фирмы изготовителя. Чтобы определить нужную ножку для подключения, необходимо подать питание. Для этого можно взять две батарейки по 1,5 В и сопротивление 5 Ом. Минус источника подключают к средней ножке диода, а плюс сначала к левой, затем к правой ножке. Путем такого эксперимента можно увидеть, какая из этих ножек является «рабочей». Таким же методом диод подключают к микроконтроллеру.

Лазерные диоды могут работать от пальчиковых батареек, аккумулятора сотового телефона. Однако нельзя забывать, что дополнительно требуется ограничивающий резистор номиналом 20 Ом.

Подключение к бытовой сети

Для этого нужно обеспечить вспомогательную защиту от всплесков напряжения высокой частоты.

Стабилизатор и резистор создают блок предотвращающий перепады тока. Для выравнивания напряжения применяют стабилитрон. Емкость предотвращает возникновение скачков напряжения высокой частоты. При правильной сборке обеспечивается стабильная работа лазера.

Порядок подключения

Наиболее удобным для работы будет красный диод мощностью около 200 мВт. Такие лазерные диоды установлены на дисковые приводы компьютеров.

Перед подключением с помощью батарейки проверить работу лазерного диода.
Выбрать необходимо самый яркий полупроводник. Если диод взят из дискового привода компьютера, то он светит инфракрасным светом. Луч лазера запрещается наводить на глаза, так как это приведет к повреждению глаз.
Диод монтировать на радиатор для охлаждения, в виде алюминиевой пластины. Для этого предварительно сверлить отверстие.
Между диодом и радиатором промазать термопастой.
Резистор на 20 Ом и 5 ватт подключить по схеме с батарейками и лазером.
Диод шунтировать керамическим конденсатором любой емкости.
Отвернуть от себя диод и проверить его работу, подключив питание. Должен появиться красный луч.

При подключении следует помнить о безопасности. Все соединения должны быть качественными.

виды и принцип работы :: SYL.ru

Когда-то изготовление лазера было связано с серьезными трудностями, так как оно требовало наличия меленького кристалла и разработки схемы для его функционирования. Для простого обывателя такая задача была невыполнимой. С развитием технологий, появилась возможность получения лазерного луча даже в бытовых условиях. Миниатюрные полупроводниковые лазеры (лазерные диоды), которые на сегодняшний день производятся электронной промышленностью довольно широко, могут генерировать стабильный луч лазера. О них мы с вами сегодня и поговорим.

Общая характеристика

Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов. Формально такие лазеры можно отнести к твердотельным, однако в силу иного принципа работы их выделяют в отдельную группу.

Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине. Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Появление такого электронного компонента стало революцией в конструировании электрических устройств разной сложности. Луч, образованные диодами высокой мощности, используется в медицине при выполнении всяческих хирургических процедур, в том числе по восстановлению зрения. Лазерный луч способен за незначительный промежуток времени произвести коррекцию глазного хрусталика.

В быту и промышленности, применение полупроводникового лазера в основном связано с измерительными приборами. Мощность таких устройств может варьироваться в весьма широком диапазоне. Так, мощности в 8 Вт достаточно для сборки портативного уровнемера в бытовых условиях. При этом прибор будет надежно работать, и создавать очень длинный лазерный луч. Кстати говоря, попадание такого луча в глаза опасно, так как на малом расстоянии он способен повредить мягкие ткани.

Принцип действия полупроводникового лазера

В светодиодах, главным источником энергии является процесс спонтанного излучения. Его суть состоит в том, что на анод подается положительный заряд, и диод смещается в прямом направлении. При этом дырки инжектируются из области р в область n р-n перехода, а из области n в область р полупроводника. Поэтому такие устройства часто называют инжекционными полупроводниковыми лазерами. Когда дырка и электрон находятся рядом друг с другом, они рекомбинируют, выделяя фотонную энергию с определенной длиной волны и фонона.

В некоторых случаях электрон и дырка могут продолжительное время (микросекунды) перед рекомбинацией находиться в одном месте. Если в этот момент около них пройдет фотон с частотой резонанса, то произойдет вынужденная рекомбинация с выделением второго фотона. Он будет иметь абсолютно такое же направление, фазу и вектор поляризации, как первый фотон.

Кристалл полупроводника представляет собой тонкую пластину прямоугольной формы. По сути, она служит оптическим волноводом, в котором ограничен объем излучения. Поверхностный слой кристалла может модифицироваться, создавая область n. Нижний же слой служит для образования области р.

В результате получается переход р-n, которые имеет плоскую форму и значительную площадь. Пара боковых торцов кристалла подвергается полировке, нацеленной на создание параллельных гладких поверхностей, представляющих собой оптический резонатор. Случайный фотон проходит по всему оптическому волноводу перпендикулярно плоскости спонтанного излучения. Перед выходом наружу он несколько раз отражается от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создает вынужденную рекомбинацию, порождая новые фотоны с такими же характеристиками. Так излучение усиливается. В момент, когда усиление начинает превосходить потери, появляется луч.

Существуют разные виды полупроводниковых лазеров. Основное их количество выполняется на особо тонком слое. Их структура позволяет формировать лишь параллельное излучение. Однако если выполнить волновод широким относительно длины волны, то он будет работать в разных поперечных режимах. Такие диоды называют многодомовыми. Применение этих лазеров позволяет создать повышенную мощность излучения без надлежащей сходимости луча. Некоторое его рассеивание допустимо. Данный эффект применяется для «накачки» других лазеров в лазерных принтерах и химическом производстве. Тем не менее, если есть необходимость в определенной фокусировке луча, волновод выполняется такой ширины, которая могла бы быть сравнимой с длиной волны.

В последнем случае ширина луча будет зависеть от наложенных рефракцией границ. Приборы, работающие по этому принципу, используются в оптических запоминающих устройствах, лазерных указателях и оптоволоконной технике. Стоит отметить, что они не могут поддерживать несколько продольных режимов и создавать луч на разных длинах волн одновременного. На длину луча влияет запрещенная зона, расположенная между уровнями энергии р и n областей.

Так как излучающий компонент очень тонкий, на выходе лазерный луч сразу же расходится. Для компенсации расходимости полупроводникового лазера и создания тонкого луча используются собирающие линзы. В многодомовых устройствах используют цилиндрические линзы. В однодомовых лазерах при использовании симметричных линз луч в разрезе будет иметь эллиптическую форму, так как вертикальное расхождение превосходит его размер в горизонтальной плоскости. Наглядным тому доказательством служит лазерная указка.

Классификация

Полупроводниковые лазеры, физика которых была рассмотрена выше, обладают n-р структурой. Они имеют невысокую эффективность, требуют большой мощности на входе и работают исключительно в режиме импульсов. Из-за быстрого перегрева они не могут работать по-другому. В этой связи сфера применения таких лазеров ограничена. На их основе были созданы устройства с более внушительными параметрами. Рассмотрим типы полупроводниковых лазеров.

Лазер с двойной гетероструктурой

В конструкции данного устройства предусмотрен слой вещества с узкой зоной запрета. Он находится между материалами, у которых эта зона значительно шире. Как правило, для изготовления таких лазеров используют арсениды галия и алюминия-галия. Такие соединения называют гетероструктурами.

Преимуществом этого полупроводникового лазера является то, что активная область (область электронов и дырок) находится в среднем слое. Из этого следует, что усилие создается намного большим количеством пар электронов и дырок. В области с малым усилием, этих пар практически не остается. В дополнение к этому, свет отражается от гетеропереходов. Таким образом, излучение полностью находится в области наиболее эффективного усилия.

Лазер с квантовыми ямами

Когда средний слой диода выполнен более тонким, он начинает работать как квантовая яма. Следовательно, электронная энергия в таком случае квантуется вертикально. Разница между количеством энергии квантовых ям используется для формирования излучения, вместо барьера. Это весьма эффективно с точки зрения управления волной луча, которая прямо зависит от толщины среднего слоя. Этот вид лазера намного продуктивнее, нежели однослойный аналог, так как в нем плотность электронов и дырок распределяется более равномерно.

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием

Основная особенность тонкослойного лазера состоит в том, что он не способен к эффективному удержанию светового луча. Чтобы решить эту проблему, с обеих сторон кристалла прикладывают пару дополнительных слоев, обладающих более низким преломлением, нежели центральные слои. Такая структура напоминает световод. Она гораздо эффективнее удерживает луч и называется гетероструктурой с отдельным удержанием. Полупроводниковый лазер на гетероструктуре массово производился в 2000 годах.

Лазеры с обратной связью

Такая конструкция преимущественно используется для волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать волну, на р-n переходе наносят поперечную насечку, в результате чего получается дифракционная решетка. Из-за этого, обратно в резонатор возвращается лишь одна длина волны, которая в нем усиливается. У полупроводниковых лазеров с обратной связью волна имеет постоянную длину, которая определяется шагом той самой насечки. Под действием температуры, возможно изменение насечки. Принцип работы полупроводниковых лазеров этой модели лежит в основе телекоммуникационных оптических систем.

VCSEL и VECSEL

VCSEL представляет собой поверхностно-излучающую модель лазера с вертикальным резонатором, которая излучает свет в направлении, перпендикулярном плоскости кристалла, в то время как излучение обычных лазерных диодов параллельно этой плоскости.

VECSEL отличается от предыдущей модели только тем, что он имеет внешний резонатор и может выполняться с токовой или оптической накачкой.

Импульсный выход

Принцип работы полупроводникового лазера предполагает генерирование непрерывного пучка. В силу того, что электроны пребывают на уровне проводимости не долго, такие устройства непригодны для генерации импульса с модуляцией добротности. Тем не менее благодаря использованию квазинепрерывного режима работы, можно в значительной степени повысить мощность квантового генератора. Кроме того, лазерные диоды можно использовать в случаях, когда необходимо сформировать сверхкороткий импульс с переключением коэффициента усилия или синхронизацией мод. Мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими мВт. Исключение составляют разве что VECSEL-лазеры, выход которых исчисляется многоваттными высокочастотными импульсами.

Корпуса для полупроводниковых лазеров

По мере распространения лазерных диодов росло разнообразие корпусов, каждый из которых предназначен под определенный тип работ. Официальных стандартов в этом направлении нет, однако крупные производители часто заключают договора об унификации своей продукции. Существуют также услуги по корпусированию лазеров по индивидуальным требованиям заказчика. Таким образом, перечислить все типы корпусов если и возможно, то довольно проблематично.

Распиновка контактов в каждом корпусе может быть уникальной, поэтому назначение пинов всегда стоит уточнять перед его покупкой. Кроме того, стоит отметить, что внешний вид корпуса далеко не всегда имеет прямую корреляцию с длиной волны.

Лазерный модуль состоит из таких элементов:

Излучатель.
Элемент Пельтье.
Термистор.
Фотодиод.
Оптический изолятор.
Коллумирующая линза.

Кратко разберем модели корпусов, которые имеют наибольшее распространение.

С излучением на выходе

TO—CAN. Этот тип корпусов предназначен для излучения малого и среднего диапазонов мощности (до 250 мВт), так как не имеет специальных теплоотводящих поверхностей. Его размеры варьируются от 4 до 10 мм, а количество ножек от 3 до 4. Они могут быть коммутированы разными способами, образуя 8 типов распиновки.

Менее популярными являются корпуса с излучением на выходе, моделей C-MOUNT и D-MOUNT.

С волоконным выходом

Это следующие виды:

DIL. Данный корпус создан для лазеров мощностью более 10 мВт, поверхности которых недостаточно для отведения тепла. Более эффективное охлаждение производится с помощью встроенного холодильника Пельтье. Он отводит тепло на грань алюминиевого корпуса, противоположную волоконному выходу. Благодаря размещению ножек в два ряда с шагом в 2,5 мм, наряду с впаиванием можно использовать разъемное электрическое соединение.
DBUT — Dual-Butterfly. Это наиболее популярный корпус для полупроводниковых лазеров мощностью до 10-800 мВТ. Главное преимущество этой модели заключается в более эффективном отводе тепла за счет увеличенной площади контакта Пельтье-элемента с лазерным модулем. Нижняя поверхность устройства является основной в плане теплоотдачи. Электрические выводы расположены на боковых гранях, что усложняет разъемное соединение модуля с платой для управления.
SBUT — Single-Butterfly. Представляет собой односторонний вариант предыдущего корпуса. Так как количество выводов уменьшено вдвое, возможность использования внутреннего фотодиода отсутствует.

Драйвера

Полупроводниковый лазер используется во многих устройствах, в которых необходим направленный луч света. Правильное подключение является самым важным моментом в сборке устройства.

От Led-моделей лазерные отличаются наличием миниатюрного кристалла. В нем много мощности и высокое напряжение, которое может вывести прибор из строя. Чтобы облегчить работу полупроводникового лазера, используют специальные схемы устройств, называемые драйверами.

Лазеры нуждаются в стабильном источнике питания. Однако некоторые модели с красным лучом могут нормально работать и с нестабильной сетью. Так или иначе, подключать лазер напрямую даже при наличии драйвера нельзя. Из этих соображений используется датчик тока, в качестве которого подходит простой резистор. Его ставят между лазером и драйвером.

Недостатком такого подключения является тот факт, что отрицательный полюс питания не соединяется с минусом схемы. Кроме того, он сопровождается падением мощности на резисторе. Именно поэтому, прежде чем подключить лазер, необходимо внимательно подобрать драйвер.

Виды драйверов

Обычно используется два типа устройств, обеспечивающих нормальную работу лазера:

Импульсный. Выполняется по аналогии с импульсным преобразователем напряжения, способного к варьированию данного параметра. Мощность на выходе и входе у этого драйвера примерно равна. Незначительное количество энергии уходит на выделение тепла.
Линейный. Работает по схеме, предполагающей частую (чаще, чем нужно) подачу напряжения на диод. Для снижения этого напряжения необходимо дополнительно использовать транзистор, преобразующий излишек энергии в тепло. Из-за малого коэффициента полезного действия, линейные драйверы не нашли широкого применения.

Подключение

Конструкция полупроводникового лазера предполагает наличие трех выводов. Средний из них подключается к минусу (плюсу). Плюс подключается к левой или правой ножке, в зависимости от модели. Чтобы выяснить, какая ножка подходит для подключения, необходимо подать питание. Для этого подойдет 1,5-вольтная батарейка, с сопротивлением в 5 Ом. Минус источника нужно подключать к средней ножке диода, а плюс – к правой, а потом к левой ножке. Путем такого подбора можно узнать, какая из боковых ножек «рабочая». Таким же путем лазер подключается к микроконтроллеру.

Диоды могут работать от аккумулятора мобильного телефона и пальчиковых батареек. Главное — не забывать, что дополнительно необходимо использовать ограничивающий резистор на 20 Ом.

Подключение к бытовой сети

Для подключения к бытовой сети нужно вспомогательно обезопасить систему от всплесков высокочастотного напряжения. Резистор и стабилизатор создают блок, который предотвращает перепады тока. Чтобы выровнять напряжение, используют стабилитрон. При правильной сборке лазер будет работать стабильно и прослужит долго.

Удобнее всего работать с красным диодом примерно на 200 мВт. Такими полупроводниковыми лазерами оснащают дисководы компьютеров.

Порядок подключения к бытовой сети:

Проверить работу диода с помощью батарейки.
Выбрать самый яркий полупроводник. Диод, взятый из компьютерного дисковода, светит инфракрасным светом. Ни в коем случае нельзя наводить его на глаза.
Смонтировать диод на алюминиевую пластину, которая будет служить радиатором для охлаждения. Для этого на ней предварительно просверливается отверстие.
Промазать термопастой пространство между лазером и диодом.
Подключить резистор на 5 Вт и 20 Ом к лазеру и батарейке.
Шунтировать диод керамическим конденсатором. Емкость последнего непринципиальна.
Отвернув от себя лазер, подключить питание и проверить работу. Должен появиться устойчивый красный луч.

Во время подключения стоит помнить о безопасности и о том, что лишь при качественных соединениях, все будет работать как следует.

Применение полупроводникового лазера

Пришло время узнать, где используются эти несложные, но очень полезные устройства. Мощные полупроводниковые лазеры, имеющие высокоэффективную электрическую накачку, при умеренном напряжении используют как средство подвода энергии твердотопливных лазеров. Они могут работать в широком диапазоне частот, включающем видимую, а также ближнюю и среднюю инфракрасные зоны спектра. Некоторые устройства способны менять частоту излучения. Полупроводниковый лазер, устройство которого мы сегодня узнали, может быстро модулировать и переключать оптическую мощность. Эта особенность используется в производстве передатчиков оптоволоконных линий.

Благодаря своим характеристикам, полупроводниковые лазеры на сегодняшний день являются самым важным классом квантовых генераторов.

Их используют в таких областях:

Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.
Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.
Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.
Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.
Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.
Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.
Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.
Производство систем зажигания и систем ПВО.

www.syl.ru

Лазерный диод — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Лазерный диод — полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населённостей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда.^[1]^[2]

Лазерный диод

Принцип действия

Лазерный диод

Когда на анод обычного диода подаётся положительный потенциал, то говорят, что диод смещён в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определённой длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.

Однако, при определённых условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдёт фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причём его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.

В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У осн

wiki2.red

Лазерный диод — Википедия

Лазерный диод

Принцип действия

Лазерный диод

Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных режимах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode»). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительная расходимость). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных режимов, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно.

Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещённой зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.

В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, вследствие дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.

В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными режимами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов — изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.

Виды лазерных диодов

Конструкция лазерного диода, описанная выше, имеет название «Диод с n-p гомоструктурой», смысл которого станет понятен чуть позже. Такие диоды крайне неэффективны. Они требуют такой большой входной мощности, что могут работать только в импульсном режиме; в противном случае они быстро перегреваются. Несмотря на простоту конструкции и историческую значимость, на практике они не применяются.

Лазеры на двойной гетероструктуре

В этих устройствах, слой материала с более узкой запрещённой зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется гетероструктурой, а устройство — «диод с двойной гетероструктурой» (ДГС). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». Описанная в начале статьи конструкция называется «диод на гомопереходе» как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.

Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами

Если средний слой диода ДГС сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение.

Гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием

Основная проблема гетероструктурных лазеров с тонким слоем — невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура, напоминающая световод, более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются гетероструктурами с раздельным удержанием («separate confinement heterostructure», SCH)

Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с 1990-го года, изготовлены по этой технологии.

Лазеры с распределённой обратной связью

Лазеры с распределённой обратной связью (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n перехода создаётся поперечная насечка, образующая дифракционную решётку. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры. Такие лазеры — основа современных оптических телекоммуникационных систем.

VCSEL

VCSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

VECSEL

VECSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором». Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой.

Типы корпусов для лазерных диодов

Широкое распространение лазерных диодов привело к появлению большого разнообразия корпусов, специализированных для определенных применений. Официальных стандартов по данному вопросу не существует, однако иногда крупные производители заключают соглашения об унификации корпусов^[3]. Кроме того существуют услуги по корпусированию излучателей по требованиям заказчика, поэтому перечислить все коруса затруднительно (miniBUT, miniDIL и т.д.). Точно также и распиновка контактов в знакомом корпусе может оказаться уникальной, поэтому назначение пинов перед покупкой у нового производителя всегда следует перепроверять. Также не следует ассоциировать внешний вид с длиной волны излучения, т.к. на практике излучатель с практически любой (в рамках ряда) длиной волны может быть установлен в любой из корпусов. Основные элементы лазерного модуля:

излучатель
термистор
элемент Пельтье
фотодиод
коллимирующая линза
оптический изолятор

Ниже перечислены корпуса, наиболее распространенные среди производителей.

С открытым излучением на выходе

TO-CAN

Корпуса данного типа предназначены для малого и среднего диапазона мощности излучения (до 250 мВт), т.к. не обладают специализированными теплоотводными поверхностями. Размеры варьируются от 3,8 до 10 мм. Число ножек от 3 до 4, коммутированы они могут быть различным образом, приводя в 8 типам распиновок.

C-mount

D-mount