Параметры лазерных диодов: Лазерный диод-принцип работы, ток лазерного диода

Содержание

Тематические статьи по фотонике

Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленных и коммерческих применений

Авторы: Winfried Reeb, Laser Components GmbH

Использование импульсных лазерных диодов и лавинных фотодиодов позволяет быстро, точно и бесконтактно измерить расстояние в различных оптоэлектронных применениях. В зависимости от требований к производительности и сроку службы системы в качестве излучателя могут использоваться как одноэлементные, так и многоэлементные импульсные лазерные диоды (стеки), в то время как в качестве фотоприемника применяются лавинные фотодиоды разной внутренней структуры.

Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды берут свое начало в военных применениях. Благодаря пиковой мощности импульсных лазерных диодов более 200 Вт и высокой чувствительности лавинных фотодиодов они идеально подходят для дальнометрии основанной на «времяпролетном» методе. Развитие технологии и уменьшение себестоимости открыли для данных устройств новые области промышленных, коммерческих и автомобильных применений.

Импульсные лазерные диоды

Большинство лазерных диодов предназначены для работы в режиме непрерывного излучения с мощностью от нескольких мВт до нескольких Вт. Такие лазерные диоды нельзя перегружать, т.к. если напряжение питания будет превышено даже на короткое время, резонатор лазера может выйти из строя, и как следствие излучение прекратится.

Импульсные лазерные диоды, в свою очередь, предназначены для перегрузки по питанию на короткие промежутки времени. Для достижения максимальной пиковой мощности необходимой для конкретного применения, коэффициент заполнения может принимать очень маленькие значения, обычно он составляет 0,1%. Например, после импульса длительностью 100 нс идет пауза 100 мс, это означает, что очень короткие импульсы могут идти с частотой следования на уровне кГц. Максимальная длительность импульса находится на уровне нескольких сотен нс. Для получения таких импульсов лазерные токи могут достигать уровня нескольких десятков ампер, что требует применения быстро переключающихся транзисторов и подходящей схемы с минимально допустимыми электрическими соединениями для снижения индукционных потерь.


Рис.1. Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды фирмы Laser Components в различных вариантах корпусов.

Важным критерием для выбора лазерных диодов является длина волны излучения. В первую очередь она зависит от материала активного и пассивного слоя полупроводника. Для большинства коммерческих применений доступны следующие длины волн излучения - 850-870 нм, 905 нм, 1550 нм. Структура AlGaAs лазеров на 905 нм широко известна за свою надежность, качество пучка и температурную стабильность. Высокая эффективность (порядка 1 Вт/А) позволяет получить пиковую мощность до 40 Вт с одного эмиттера и до 220 Вт с многоэлементного (несколько эмиттеров - стэковый) лазерного диода при длительности импульса 100 нс. При меньше длительности импульса достижима пиковая мощность более 500 Вт. Преимуществом длины волны излучения 905 нм является то, что максимум спектральной чувствительности кремниевых лавинных фотодиодов как раз лежит в этой области. Лазерные диоды с длиной волны, лежащей в средней ИК области - 1550 нм, доступны с более высокой выходной мощностью по сравнению с диодами на 905 нм, тем не менее они также безопасны для человеческого глаза ввиду того, что излучение не фокусируется непосредственно на сетчатку.

Лазерные диоды на 1550 нм основаны на материале InP с дополнительными слоями InGaAs, которые можно получить как путем молекулярно-лучевой эпитаксии, так и путем осаждения металлорганических соединений из паровой фазы. Благодаря эффективности на уровне 0,35 Вт/A выходная пиковая мощность излучения многоэлементных лазерных диодов может достигать 50 Вт при длительности импульса 150 нс. Из-за необходимости использования теплоотвода эти лазерные диоды в большинстве своем доступны в корпусе 9-мм и TO-18, в то время как импульсные лазерные диоды с длинами волн 850-870 нм и 905 нм также доступны в недорогих пластиковых корпусах.

Наряду с длиной волны излучения и электрооптическими характеристиками, надежность является еще одним важным критерием при выборе прибора. Как и для большинства источников излучения, особенно это касается полупроводниковых лазеров, срок службы импульсных лазерных диодов сильно зависит от условий эксплуатации. Лазерные диоды могут подвергаться значительному перенапряжению на короткие промежутки времени, а также уменьшению энергии импульса за счет сокращения длительности импульса до единиц нс без угрозы повреждения. Пользователь должен выбирать подходящий лазерный диод и настройку драйвера исходя из требований применения и необходимого срока службы устройства. В то время как для некоторых военных применений требуемый срок службы лазерного диода может составлять менее часа, например, в тиристорном зажигании, для таких применений как промышленный сканер безопасности, работающий круглосуточно, надежность диода должна составлять десятки тысяч часов.

Многолетний опыт в области работы с импульсными лазерными диодами помог составить формулу средней наработки на отказ в качестве функции нескольких характеристик:

MTTF = k · (P/L)-6 · tw-2 · F-1 · f(T),

где MTTF – средняя наработка на отказ в часах, k – константа, зависящая от материала, которая составляет 1.

14 · 1020 для импульсного лазерного диода фирмы Laser Components с длиной волны излучения 905 нм, P – выходная оптическая мощность в мВт, L – длина эмиттера в мм, tw – длительность импульса в нс, F – частота следования импульсов в кГц, f(T) – температурно-зависимый коэффициент усиления (равен 1 при 25°С).

Лавинные фотодиоды

Для распознавания коротких импульсов лазерных диодов измерительные системы используют как PIN фотодиоды, так и лавинные фотодиоды (ЛФД) в качестве фотоприемника. Срок службы данных компонентов не столь важен, т.к. при правильной эксплуатации они могут работать практически вечно. В обычных фотодиодах поступающие фотоны образуют электронно-дырочные пары, также называемые носителями заряда, что в свою очередь отражается на измеряемом фототоке. Мощность регистрируемых фотонов преобразуется в электрическую энергию. В данном случае лавинные фотодиоды пошли гораздо дальше. Лавинные фотодиоды отличаются от «обычных» PIN фотодиодов тем, что регистрируемые фотоны внутри фотодиода вызывают лавину зарядов.

Она возникает вследствие приложения к лавинному фотодиоду обратно смещённого напряжения для расширения слоя поглощения «А». В лавинных фотодиодах носители заряда, высвобожденные светом, ускоряются в электрическом поле таким образом, что образуют дополнительные электронно-дырочные пары за счет ударной ионизации. Если напряжение обратного смещения ниже, чем напряжение пробоя, лавина утихнет из-за потери на трение внутри полупроводника. Таким образом единичный фотон может возбудить сотни или даже тысячи электронов. При напряжении выше напряжения пробоя ускорение носителей заряда находится на достаточном уровне для поддержания лавины. Единичный фотон может генерировать постоянный ток, который, в свою очередь, можно измерить внешним электронным оборудованием. Сгенерированный ток рассчитывается следующим образом:

I = R0 · M · Ps ,

где R0 (А/Вт) – это спектральная чувствительность лавинного фотодиода, М – это внутренний коэффициент усиления, Ps (Вт) – оптическая мощность падающего излучения. Коэффициент усиления лавинного фотодиода зависит от приложенного напряжения обратного смещения (см. рис. 2).


Рис. 2. Типовая зависимость коэффициента усиления от рабочего напряжения для кремниевых лавинных фотодиодов при разных температурах, где активная область D = 500 мкм.

Наиболее важными параметрами лавинного фотодиода, которые необходимо учитывать при выборе, являются - спектральный диапазон, размер активной области, внутренние шумы и полоса пропускания. Лавинные фотодиоды доступны в спектральном диапазоне от 300 нм до 1700 нм. Кремниевые лавинные фотодиоды, в зависимости от их структуры, подходят для диапазона от 300 нм до 1100 нм, германиевые фотодиоды от 800 нм до 1600 нм, фотодиоды на основе InGaAs от 900 нм до 1700 нм. Кремниевые лавинные фотодиоды представлены наибольшим количеством моделей. Для конкретных применений возможно получение специальных параметров лавинных фотодиодов в зависимости от процесса изготовления. Обзор наиболее важных параметров представлен в Таблице 1.

Таблица 1. Сравнительный обзор различных структур и характеристик кремниевых лавинных фотодиодов

Типы кремниевых лавинных фотодиодов

Со скошенным краем

Эпитаксиальный

Сквозной

Структура

Область «поглощения»

большая

малая

средняя

Область «умножения»

большая

малая

малая

Типовой размер (диаметр)

до 16 мм

до 5 мм

до 5 мм

Коэффициент усиления

от 50 до 1000

от 1 до 1000

от 10 до 300

Фактор «избыточного шума»

очень хороший

хороший

от хорошего до очень хорошего

(k = 0. 0015)

(k = 0.03)

(k = 0.02 до 0.002)

Рабочее напряжение

от 500 до 2000 В

от 80 до 300 В

от 150 до 500 В

Время нарастания

медленное

быстрое

быстрое

Емкость

малая

большая

малая

Чувствительность к синему спектру (400 нм)

хорошая

слабая

слабая

Чувствительность к красному спектру (650 нм)

хорошая

хорошая

хорошая

Чувствительность в ближнем ИК спектре (905 нм)

очень хорошая

хорошая

очень хорошая

По сравнению с германиевыми лавинными фотодиодами лавинные фотодиоды на основе InGaAs имеют значительно меньшие шумы, более широкую полосу пропускания относительно активной области и расширенную спектральную чувствительность до 1700 нм. Как бы то ни было, лавинные фотодиоды на основе InGaAs имеют один недостаток - они дороже германиевых лавинных фотодиодов. Германиевые лавинные фотодиоды в первую очередь рекомендуется использовать в недорогих применениях или в системах подвергающихся электромагнитному воздействию, и в которых вторичный шум усилителя значительно выше. Очевидно, что лавинные фотодиоды с меньшей активной областью имеют меньшую стоимость по сравнению с детекторами с большой активной областью, т.к. в этом случае при производстве чипов на одной пластине изготавливается большее количество изделий. Поэтому в первую очередь необходимо определить минимально допустимую активную область для получения оптической структуры. Иногда более предпочтительными в использовании могут оказаться лавинные фотодиоды с большей активной областью, т.к. специальная оптика, фокусирующая излучение на малую активную область может быть дороже чем использование детектора с первоначально большей активной областью. Для сравнения эффективности лавинных и PIN фотодиодов недостаточно просто сравнить шумовые характеристики детекторов. Решающее значение имеет отношение сигнал-шум всей системы. В случае с PIN фотодиодами необходимо также учитывать соответствующий предусилитель. Его шумовые характеристики, помимо всего прочего, зависят от частоты. Лавинные фотодиоды превосходят PIN фотодиоды, т.к. они могут значительно увеличить уровень сигнала без серьезного увеличения шумов всей системы. Таким образом, ЛФД предпочтительно использовать там, где необходимо регистрировать световой сигнал низкой интенсивности на средних или высоких частотах. Оптимальный внутренний коэффициент усиления выбирается тогда, когда шум детектора приблизительно равен входному шуму вторичного усилителя (или сопротивлению нагрузки). В таком случае лавинный фотодиод не влияет на шум системы. Независимо от того какой детектор используется, лавинный или PIN фотодиод, шум увеличивается пропорционально пропускной способности системы. Следовательно, очень важно уменьшить пропускную способность настолько, на сколько это практически возможно.

Применения

Самое распространенное применение оптопары в виде импульсного лазерного диода + лавинного фотодиода — это дальнометрия, основанная на «времяпролетном» методе. Один из вариантов применения – измеритель скорости автомобиля. Используя импульсы длительностью в несколько нс и мощностью в десятки Вт, можно легко измерить скорость транспортного средства, движущегося со скоростью до 250 км/ч. Расстояние между лазерным устройством измерения скорости (будь то базовая станция или полицейский с ручным измерителем скорости) и движущимся транспортным средством может достигать 1000 м. Точность таких измерений лежит в пределах 1-3%.

Охотники используют безопасные для глаза дальномеры для определения расстояния до цели. Ни оленю, в которого целится охотник, ни кому-либо другому, находящемуся рядом не стоит беспокоиться о своем зрении. В этом случае лазерный дальномер первого класса предоставляет точную информацию в течение 1 секунды с точностью до 2 м на расстоянии 600 м. Также данные полученные с помощью дальномера используются в гольфе для улучшения результатов игрока, или в автомобилестроении для предупреждения об опасном приближении к препятствию или впереди идущему автомобилю (рис. 3).


Рис. 3. Измерение расстояния и относительной скорости в автомобильной промышленности с использованием импульсных лазерных диодов и лавинных фотодиодов.

Лазерные устройства детектирования также широко используются в навигационных целях для кораблей, в особенности в портах и гаванях, для измерения высоты облаков в аэропортах, а также в области геодезии и строительства, когда необходимо провести обмеры карьера или отвала, измерить высоту зданий, деревьев или других объектов. Лазерные сканеры безопасности, построенные на импульсных лазерных диодах и высокочувствительных лавинных фотодиодах, создают завесу лазерного излучения, которая регистрирует наличие человека или объекта в потенциально опасных областях, например, на автоматизированной производственной линии (рис. 4).


Рис. 4. Лазерные сканеры безопасности, создают завесу лазерного излучения, которая регистрирует наличие человека или объекта в потенциально опасных областях.

Выводы

Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды идеально подходят для применений связанных с дальнометрией. Комбинации различных длин волн и мощности излучателя найдут соответствующие оптимальные аналоги среди различных структур лавинных фотодиодов исходя из требований применения. Прогресс в области производства открыл возможности для ряда новых коммерческих и промышленных применений.

Дополнительные ссылки:

Более подробную информацию о продукции, описываемой в данной статье можно найти, перейдя по следующим ссылкам:

Импульсные лазерные диоды

Лавинные фотодиоды

 

Лазерные диоды - Научно-технический центр

Лазерный диод - полупроводниковая гомо- или гетероструктура, выращенная на подложке MOCVD, VCSEL или другим методом. Индуцированное излучение возникает при инжекции электрического заряда в p-n переход. Резонатор выполнен в виде сколов по краям активной среды, лазерные диоды обладают высоким КПД преобразования электрической энергии в оптическую, порядка 50%. Из-за малых размеров излучающей площадки излучение лазерных диодов имеет большую расходимость, особенно вдоль быстрой оси, т. е. направления с минимальным размеров излучающей зоны. Лазерные диоды получили широкое применение в медицинской технике, системах передачи данных, целеуказания и подсветки, научных исследованиях. Мощные ИК лазерные диоды широко используются для накачки твердотельных лазеров.

Линейки и решетки лазерных диодов используются преимущественно для поперечной накачки твердотельных лазеров. Высокая плотность мощности на длине волны 808нм позволяет получать дифференциальный КПД накачки более 50%.Поперечная накачка позволяет использовать более простые схемы резонаторов, уменьшить влияние тепловой линзы, использовать более длинный активные элемент, а значит и получить более высокие выходные мощности.

Наша компания поставляет широкую номенклатуру лазерных диодов, различных мошностей, длин волн и конструктивного исполнения. На излучающую площадку мощных ИК лазерных диодов по заказу может быть приклеена цилиндрическая линза, для уменьшения расходимости по быстрой оси. Все ЛД красного диапазона поставляются с распиновкой "плюс на корпусе" (Схема 1), по заказу возможна поставка другой распиновки ЛД.

Модель
Длина волны
Мощность
Темп. диапазон
Тип корпуса
Включение
RLD-635(5)X 635 нм 5 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-635(10)X 635 нм 10 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-650(5)X 650 нм 5 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-650(10)X 650 нм 10 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-650(30)X 650 нм 30 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-650(40)X 650 нм 40 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-650(80)X 650 нм 80 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-650(100)X 650 нм 100 мВт -10~40 TO-18 Схема 1
RLD-808(500) 808 нм 500 мВт -10~40 TO-18, TO-5
TO-3, c-mount
Схема 1
RLD-808(1000) 808 нм 1000 мВт -10~40 TO-5, TO-3,
c-mount
Схема 1
RLD-808(2000) 808 нм 2000 мВт -10~40 TO-3, c-mount Схема 1
RLD-808(3000) 808 нм 3000 мВт -10~40 TO-3, c-mount Схема 1
RLD-808(5000) 808 нм 5000 мВт -10~40 TO-3, c-mount Схема 1
RLD-808(7000) 808 нм 7000 мВт -10~40 TO-3, c-mount Схема 1
RLD-830(200) 830 нм 200 мВт -10~40 TO-18, TO-5
TO-3, c-mount
Схема 1
RLD-830(500) 830 нм 500 мВт -10~40 TO-18, TO-5
TO-3, c-moun
Схема 1
RLD-980(50) 980 нм 50 мВт -10~40 TO-18, TO-5 Схема 1
RLD-980(200) 980 нм 200 мВт -10~40 TO-18, TO-5 Схема 1

Корпусировка поставляемых нашей компанией ЛД может быть четырех видов: TO-18, TO-5, TO-3, c-mount. Ниже представлены габаритные чертежи этих корпусировок.

 Рис. 1. Габаритные размеры корпуса ТО-18

 

Рис. 2. Габаритные размеры корпуса ТО-5

 

 

 Рис. 3. Габаритные размеры корпуса ТО-3

 

 

Рис. 4. Габаритные размеры корпуса c-mount

Лазерный диод может иметь различную распиновку корпуса, что определяет способ его включения в электрическую цепь.

Схема 1 Схема 2 Схема 3
Схема 4 Схема 5
Схема 6

Лазерные диоды должны включаться в очень надежную цепь питания, без бросков тока и напряжения. При работе лазерного диода, если не обеспечивается должный контроль температуры и прямого тока, лазерный диод может выйти из строй из-за перегрева. Повышение температуры приводит к повышению тока, повышение тока в свою очередь в большей рассеиваемой мощность и так далее до выхода из строя. В блоке питания используют цепи с демпфирующими цепочки для нейтрализации бросков напряжения и плавного выхода на рабочий режим, а для контроля тока - обратную связь. Обратная связь реализуется схемотехнически либо по прямому току лазерного диода, либо по току фотодиода обратной связи, при его наличии в корпусе ЛД.

По вопросам приобретения лазерных диодов, а также за технической консультацией обращайтесь к специалистам нашей компании.

Лазерный светодиод

Лазерный светодиод принципиально отличается обычного светодиода наличием встроенного резонатора, который позволяет получить индуцированное излучение высокой степени когерентности (согласованности между фазами оптических колебаний).

В полупроводниковом лазере  излучение вызывается вынужденной рекомбинацией.  Это дает возможность управлять излучением с помощью электромагнитных волн и генерировать когерентный поток света.

Разберемся: как это работает?

Представим себе плоский p-n-переход, смещенный в прямом направлении (рисунок 1). В этом случае происходит инжекция дырок в область n и наоборот – электронов в область p. Во время этого перехода в граничной (активной) области может произойти рекомбинация, которая будет сопровождаться испусканием кванта. Такое излучение называется спонтанным. На основе спонтанного излучения работают обычные светодиоды. Если же электрон и дырка находятся на близком расстоянии в активной зоне и через эту область пройдет квант света определенной (резонансной) частоты, то рекомбинация произойдет вынужденно. При этом выделится еще один квант света, с такими же параметрами, как и квант, вызвавший рекомбинацию. Для того чтобы увеличить вынужденную рекомбинацию торцы полупроводникового кристалла делаются параллельными и полируются (на рисунке 1 они обозначены как «оптически ровная грань»). Таким образом, создается так называемый оптический резонатор. Кванты, многократно отражаясь от полированных поверхностей, «летают» вдоль перехода, провоцируя процессы вынужденной рекомбинации. В конце концов, они выходят наружу в направлении строго перпендикулярном оптически ровным граням. Когда количество квантов появившихся в результате такой стимуляции значительно превысит количество появившихся спонтанно – начнется лазерная генерация.

Рисунок 1

Интенсивность излучения зависит от силы тока, протекающего через p-n-переход. При малых токах лазер работает, как малоэффективный обычный светодиод, поскольку происходят только спонтанные излучения. Когда ток превышает некоторое пороговое значение – излучение становится вынужденным и его мощность резко вырастает. Этот способ стимуляции лазерного излучения часто называют накачкой электрическим током. Существует также метод оптической накачки, когда атомы полупроводника возбуждаются квантами от мощного (не обязательно когерентного) излучателя.

Выходя из кристалла полупроводника когерентный свет, вследствие дифракции, рассеивается во все стороны. Поэтому для формирования узконаправленного пучка приходится применять собирающие линзы.

Диапазон длин волн, в котором возможно создание полупроводникового лазера охватывает большую часть видимого спектра, а также ближнюю и среднюю область инфракрасного диапазона.

Конечно, лазерный светодиод на сегодняшний день претерпел множество изменений и улучшений в своей конструкции, он уже представляет собой более сложную структуру, а не простой p-n-переход, но основной принцип его работы остался таким как описано выше.

Основными материалами, используемыми при производстве лазерных диодов, являются арсенид галлия GaAs, арсенид галлия алюминия AlGaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, нитрид галлия индия InGaN и другие.

Рисунок 2

Лазерные светодиоды или полупроводниковые лазеры находят широкое применение в самых различных областях. Они применяются в волоконно-оптических системах связи, в считывателях штрих-кода. В различных бытовых устройствах: компьютерных мышках, проигрывателях компакт дисков, проекторах, ну и, конечно, в лазерных указках.

Лазерные мощные светодиоды используются для накачки твердотельных лазеров, позволяя получать очень высокий КПД.

Еще одно применение – лазерная спектроскопия, где применение лазеров дало возможность использования принципиально новых методов исследования веществ. Лазеры незаменимы в научных исследованиях, активно внедряются в медицине, как для диагностических, так и для терапевтических целей.

Типы лазерных диодов

Полупроводниковые лазеры

Полупроводниковые материалы принадлежат в основном III-VI группам периодической таблицы. Лазеры на основе полупроводников имеют большой диапазон излучения, компактны, имеют низкий рабочий ток, малые эксплуатационные расходы, при этом высокоэффективны и применяются практически повсеместно, от науки до медицины. Это один из самых широких классов лазерных источников. В статье будут рассматриваться свойства и преимущества лазеров и лазерных диодов Thorlabs.

Лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо

Самым распространенным подвидом полупроводниковых лазеров являются лазерные диоды с резонатором Фабри-Перо (FP). Лазеры с резонатором Фабри-Перо работают в многомодовом режиме, генерируя излучение с отличными оптическими характеристиками в ближнем и среднем ИК диапазонах. Варьируя ширину гребня можно получить источник с одной поперечной модой.  

Конфигурация резонатора Фабри-Перо содержит два взаимопараллельных отражающих зеркала, полупроводник выступает в качестве усилительной среды. На зеркала наносятся оптические покрытия, позволяющие оптимизировать выходную мощность, причем одно из них имеет низкий коэффициент отражения, другое - высоким коэффициентом отражения, чтобы снизить общие потери зеркала.

Резонатор Фабри-Перо изготовлен так, что расстояние между продольными модами определяется формулой Δv = c/2nL, где c - скорость света, L - длина чипа лазерного диода, а n - групповой показатель преломления полупроводникового волновода. Часто удобно выражать интервал мод в длинах волн (Δλ = λ2/2nL).

Например, возьмем типичные значения группового показателя преломления n = 3,5 и длины резонатора L = 1 мм. По формуле получим расстояние между продольными модами Δλ = 0,05 нм при 635 нм и Δλ = 0,3 нм при 1550 нм. На количество продольных мод и их мощность влияет компоненты соединения, используемого для формирования полупроводниковой усилительной среды (AlGaAs, InGaAsP, AlGaInP и др.), а также ток смещения и температура. У лазеров с резонаторами Фабри-Перо на основе GaAs можно регулировать ток смещения и температуру таким образом, чтобы мощность продольной моды излучения доходила до 5-10 дБ.

Можно сказать, выходная мощность и длина волны излучения настраиваются путем изменения температуры и/или тока. Это характерно для лазерных диодов ИК диапазона, в котором небольшие изменения температуры влияют на параметры выходного излучения. Почти все лазерные диоды поддаются температурной перестройке, либо перестройки мощности на основе тока. Увеличение входного тока увеличивает стимулированное излучение до заданного значения; однако при превышении этого значения спонтанное излучение начинает «конкурировать» с вынужденным, растет расходимость и снижается степень поляризации. Для высокой эффективности поляризации (50:1 или более) рекомендуется поддерживать входной ток в заданном диапазоне, установленном технической документацией.

В первых лазерных диодах с резонатором Фабри-Перо использовали один полупроводниковый материал для формирования p-n перехода (GaAs). Эти устройства впоследствии получили название «лазеры на гомопереходе». Первые полупроводниковые лазеры выходили из строя буквально через несколько минут, имели очень высокие параметры порогового тока, обладали низкой надежностью и КПД. Ввиду перегрева данный вид лазеров не отличался долговечностью, и не мог нормально функционировать, кроме как при температуре ниже комнатной. Для успешного функционирования при комнатной температуре нужно было снижать пороговый ток, Увеличение срока эксплуатации устройства потребовало создание лазеров на основе многослойных полупроводниковых структурах (они же лазеры на гетероструктуре), которые впоследствии вытеснили своих предшественников.

Рисунок 1. Микросхема чипа лазерного диода Фабри-Перо

На рис. 1 показан чип лазерного диода Фабри-Перо в корпусе (FPL2000C). Этот чип используется в конструкции резонаторов. Резонатор, оснащенный таким чипом, имеет спектральную полосу пропускания ~15 нм, мощность непрерывного излучения может достигать 30 мВт на длине волны 2000 нм.

Лазерные диоды на гетеросктруктуре

С введением гетероструктур лазеры могли работать непрерывно при комнатной температуре, отличались меньшим пороговым током и имели более высокий КПД. В результате лазеры на гетероструктурах вытеснили своих предшественников. Гетеролазеры вступили в массовое производство и нашли широкое применение в информатике и IT-технологиях. Еще больший результат показали лазеры на двойной гетероструктуре (см. рис.2).

Рисунок 2. Структура лазерного диода на двойной гетероструктуре

Лазерные диоды с двойной гетероструктурой состоят из тонкого активного слоя (толщиной 100-200 м), окруженного двумя более толстыми (1-2 мкм) слоями. В примере на рис. 2 активная область (GaAs) имеет толщину 0,15 мкм, обкладки - по 1 мкм (активный слой р Al0.3Ga0.7As и слой n Al0.3Ga0.7As). Многослойная конструкция на толстой подложке GaAs. Активный слой двойного гетеролазера на основе контакта двух полупроводников способен создавать потенциальные ямы.

Существенным недостатком лазерного диода на двойной гетероструктуре является строгое условие согласованности периодов решеток. Рассогласование решеток, превышающее 0,1%, может привести к межфазной деформации между активным слоем и слоем оболочки, вызывая безыизлучательную рекомбинацию «электронов» и «дырок». Это приводит к ограничению диапазона длин волн.

Лазерные диоды на квантовой яме

Лазерные диоды на квантовой яме - отдельный класс лазерных диодов с двойной гетероструктурой, в которых толщина активной области D приближается к длине волны де Бройля.

D = λde Broglie h/p

Лазеры на квантовых ямах имеют некоторые преимущества по сравнению с гетеролазерами. Например, благодаря изменению числа квантовых ям, возможно уменьшение порогового тока до его минимального значения. Имея большой КПД и маленькую мощность, они используются в волоконно-оптических линиях связи и оптических приборах.

Рисунок 3. Структура лазерного диода на квантовых ямах

На рис. 3 представлен лазер на квантовых ямах. Средний тонкий слой активной среды между слоями (AlGaAs) полупроводникового волновода представляет собой квантовые ямы. Она основана на полупроводниковых наноструктурах. Лазеры с квантовыми ямами имеют высокий КПД и маленькую мощность, широко используются в волоконно-оптических линиях связи и оптических приборах.

Рисунок 4. Энергетическая диаграмма лазера с множественными квантовыми ямами

Если в лазере присутствует более одного слоя, содержащего квантовые ямы, то его называют лазером с множественными квантовыми ямами. Значительно влияет на КПД лазерного диода с множественными квантовыми ямами ширина запрещенной зоны.

Лазерный диод с распределенной обратной связью (DFB – лазеры, РОС - лазеры)

В лазере с распределенной обратной связью (DFB) пропускающая дифракционная решетка установлена внутри самого лазерного диода (см. рис.5). Гофрированная периодическая структура, расположенная в непосредственной близости к активной среде, работает как отражатель Брэгга. Обратная связь, создаваемая периодической решеткой, является селективной, таким образом в лазере обеспечивается режим одномодовой генерации.

 

Рисунок 5. Структура лазерного диода с распределенной обратной связью

Лазерный диод с распределенной обратной связью показан на рис. 5. Активный слой InGaAsP, имеющий запрещенную зону λ = 1550 нм, окружен оболочкой из InGaAsP, имеющей несколько большую запрещённую зону (λ = 1300 нм). Один из слоев оболочки имеет переменную толщину периода Λ.

В слое оболочки показатель преломления neff меняется вдоль z-направления:

neff (z) = <n(x, z)>x

В скобках обозначено среднее значение координаты x. Поперечный профиль пучка по координате x имеет узкую ширину, почти полностью заключенную в пределы активной зоны. Можно наложить периодичность вдоль оси z на показатель преломления:

neff(z) = n0 +n1sin[(2πz/Λ) + φ]

где n0 и n1 - показатели преломления слоев оболочки и подложки, Λ - шаг изменения показателя преломления вдоль границы раздела, φ - фазовый коэффициент. Исходя из закона Брэгга, прямо и обратно распространяющиеся пучки от решетки или других периодических элементов связаны при условии:

λ = λB= 2<neff >Λ

где <neff> - средний показатель преломления вдоль оси Z. В рамках этой упрощенной модели наблюдается, что для заданного шага может существовать только одна длина волны Λ.

Thorlabs производит лазерные диоды с распределенной обратной связью, излучающих волны 1310 нм и 1550 нм.

Лазерные диоды с вертикальным резонатором и поверхностным излучением

Рисунок 6. Энергетическая диаграмма лазерного диода с вертикальным резонатором и поверхностным излучением

Вертикально-излучающие диоды - это уникальный класс лазерных диодов, где излучение происходит перпендикулярно плоскости активного слоя (перехода). Максимальное усиление обеспечивается в направлении, перпендикулярном гетеропереходу, а в плоскости перехода подавляется. Поскольку эффективный показатель усиления активной среды должен превышать 1000 см–1, то в активной области используются двойные гетероструктуры, содержащие набор квантовых ям, квантовых нитей или квантовых точек. Применение квантовых нитей потенциально очень перспективно, так как может обеспечить большой коэффициент усиления в направлении их осей. Однако технология получения активных сред на основе квантовых нитей требуемого качества пока не отработана. Поэтому активная область лазеров с вертикальным резонатором, как правило, содержит или набор квантовых ям, или квантовые точки, которые часто группируют в вертикальносвязанные квантовые точки.

Поскольку излучение этих лазерных диодов перпендикулярно плоскости перехода, высокая плотность излучателей может быть получена на небольшой площади. Кроме того, эти устройства могут быть сконфигурированы для применения с очень высокой плотностью упаковки, так как излучатели могут быть очень близко расположены по сравнению с типичными лазерными диодами Фабри-Перо. Рис. 7а показывает структуру формирования активной области вертикально-излучающего диода.

Рисунок 7а. Активная область вертикально-излучающего диода

Рисунок 7б. Резонатор вертикально-излучающего диода

 

Рисунок 7в. Структура вертикально-излучающего диода

Квантовые ямы, содержащиеся внутри слоев оболочки, показаны на рис. 7б. Толщина лазерного резонатора составляет примерно одну длину волны. Вертикально-излучающие диоды, работающие в ближнем ИК (λ = 1-3 мкм) имеют модовое расстояние Δλ ≈ 100 - 300 нм. Такое расстояние между модами позволяет лазеру излучать одиночную продольную моду при различных входных токах.

©Thorlabs

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Thorlabs на территории РФ 

Высокие токи диода с ультракороткими импульсами, генерируемые высокопроизводительным драйвером лазерного диода

Керстен Штёбе, MESSTEC Power Converter, www.powerconverter.eu

 

Для многих прикладных лазерных приложений, таких как маркировка, аддитивные технологии, обработка материалов, научные исследования и т.д. [1] требуется лазерное излучение с короткими импульсами, генерируемое диодами с использованием высоких токов. Для этих условий часто требуются диодные токи от 100 А до 200 А и более с длительностью времени нарастания импульса 20 – 50 нс. Кроме того, импульсы должны иметь четкую прямоугольную форму с коротким временем нарастания импульса, крутым передним фронтом импульса, без выбросов или пульсаций. В данной статье обсуждаются физические ограничения на получение таких форм тока и объясняются технические решения, реализуемые с помощью драйверов лазерных диодов. Такие драйверы обеспечивают работу лазерных диодов с высокими токами в режиме сверхкоротких импульсов излучения.

 

На рис. 1 представлена принципиальная схема источника питания S1, высокопроизводительного диодного драйвера (модулятора) M1 и лазерного диода D1.

 

Рис. 1: Принципиальная схема электрических соединений

 

Над пороговой точкой оптическая мощность увеличивается в основном пропорционально току через лазерный диод. Только при использовании реального источника тока ток диода и его оптическая мощность могут регулироваться максимально точно [2]. Измененные стандартные источники напряжения никогда не смогут управлять током диода должным образом, и обладают риском возникновения высоких пиков тока, которые разрушают лазерный диод. Прямой источник тока имеет изначальное преимущество, состоящее в том, что выходное напряжение драйвера автоматически адаптируется к напряжению диода.

Поэтому все следующие объяснения, приведенные в данной статье, относятся к драйверам, представляющим собой прямые источники тока.

 

 

 

Рис. 2: Высокопроизводительный диодный драйвер

 

Самое большое физическое ограничение, накладываемое на длительность быстрого времени нарастания импульса

 

Следующая формула показывает расчет индуктивности для двух параллельных кабелей [4]:

 

 

Показано, что индуктивность в основном растет в  зависимости от увеличения длины кабелей (l) и расстояния между кабелями (d).

Чтобы снизить величину этой индуктивности, нужно стремиться сделать расстояние между драйвером и диодом минимальным. Это означает, что диод должен быть вмонтирован непосредственно в драйвер. Кроме того, кабели должны быть заменены параллельными проводящими пластинами, расположенными как можно ближе, и размещены таким способом, чтобы индуктивность была компенсирующей.

 

Быстрое управление током диода требуется для сверхкороткой длительности времени нарастания импульса 20 – 50 нс, а также для высоких частот до 30 МГц или для быстрого чередования пиков. Другим требованием является четкая форма сигнала без выбросов за пределы пика, которые могут разрушить лазерный диод. Сверхбыстрые импульсы используются, например, для медицинского оборудования.

Лучшая техническая реализация для точного управления током – сверхбыстрая аналоговая схема без микропроцессора в контуре управления, который обладает недостатком в виде задержек, вызванных временем внутреннего цикла, и колебаниями задержки.

 

Высокоточное управление тока диода необходимо для преобразования входного сигнала в точный ток диода, а также для быстрой компенсации пульсаций.

Также для этого требования предпочтительней использовать аналоговый контроллер с высокоточными электронными компонентами, потому что именно так можно избежать ограничений, вызванных цифровым битовым разрешением аналоговых/цифровых конвертеров. Кроме того, оптимизированное расположение разводки на  печатной плате защищает от помех и отклонений сверхбыстрых электронных сигналов.

 

Высокие токи диода с сверхкороткими импульсами >200 А могут быть сгенерированы специальными мощными транзисторами с быстрым временем переключения, низким внутренним сопротивлением, хорошим лавинными характеристиками и хорошей теплоотдачей. Высокие токи с ультракороткими импульсами требуются, например, для обработки материалов.

 

Емкости на выходной стороне драйвера могут вызвать энергетические пики, которые возникают, например, в случае дефекта единственного диода в диодном блоке, или если диод был отключен и подключен к драйверу снова. Эти энергетические пики повреждают лазерный диод. Чтобы поддерживать неизменный ток диода, присутствие емкости на выходной стороне драйвера не допускаются.

 

Другим физическим ограничением является поверхностный эффект (скин-эффект) [5], который является контрпродуктивным, особенно для высоких токов. Постоянный или переменный ток с низкими частотами использует все поперечное сечение провода. Однако из-за скин-эффекта электроны проводимости при высокочастотных токах локализуются в приповерхностном слое проводника. Поэтому вся площадь поперечного сечения не используется для всего тока диода, а только площадь поверхности проводника, что приводит к более высокому омическому сопротивлению.

Требуемые прямоугольные сигналы для импульсов являются причиной этого эффекта. Согласно анализу Фурье, эти сигналы состоят из наложения многих высокочастотных гармонических синусоидальных волн.

 

 

 

Рис. 3: Гармонические синусоидальные волны

 

Это дополнительное омическое сопротивление зависит от частоты; например, глубина скин тока с частотой 10 МГц всего 21 мкм.         

Поэтому должны использоваться плоские металлические пластины (полосковые линии) [6] со специальным покрытием для достижения более высокого поверхностного поперечного сечения для прохождения электрического тока.

 

При более детальном рассмотрении также наблюдается индуктивность и емкость в лазерном диоде, вызванная внутренней электропроводкой и сборкой диодных компонентов, а также индуктивность и емкость в соединении между драйвером и лазерным диодом.

Эти физические эффекты влияют на режим управления током диода. Поэтому в сочетании с параметром управления драйвера, существует высокий риск того, что вся система «высокопроизводительный диодный драйвер - лазерный диод» будет демонстрировать серьезные колебания, которые могут повредить драйвер и / или лазерный диод. Следующие данные показывают чистый, не зашумлённый сигнал и выходной сигнал с колебаниями. 

 

 

 

Рис. 4: Чистый сигнал

Рис. 5: Сигнал с колебаниями

 

Поэтому контур управления высокопроизводительных диодных драйверов должен быть адаптирован и оптимизирован к ситуации с индуктивной и емкостной нагрузкой.

 

Эта адаптация и оптимизация осуществляется в два этапа. На первом этапе должно быть оптимизировано короткое механическое соединение согласно вышеупомянутым описанным мерам. Далее, на втором шаге необходимо адаптировать параметры управления, такие как P- компоненты и I-компоненты, к характеристикам управления всей системы “высокопроизводительный диодный драйвер - лазерный диод”. Цель – добиться сверхбыстрых динамических характеристик с сверхкороткой длительностью времени нарастания и среза импульса, крутым передним и задним фронтом импульса, а также с предотвращением выбросов.

 

Индуктивность и омические сопротивления длинных кабелей питания между источником питания S1 и драйвером M1 (см. рис. 1) могут привести к пробоям напряжения на входной стороне драйвера во время высоко-энергетических импульсов или высокоскоростной модуляции. Необходимо дополнительно рассматривать эти характеристики для оценки переменного/постоянного тока источника питания S1. 

Кроме кабелей с большим поперечным сечением, буферный конденсатор с дополнительной внешней емкостью СEXTобеспечивает энергию кратковременного действия.

 

На Рис. 6 и Рис. 7 показаны целые установки, состоящие из лазерного диода, высокопроизводительного диодного драйвера и буферного конденсатора, полностью собранного на теплоотводе.

 

 

 

 

Рис. 6:

Установка с буферным конденсатором

и диодом DILAS 

 

Рис. 7: 

 Установка с диодом BWT

Пульсация в токе диода будет преобразована в пульсацию излучения лазерного света. Это нежелательный эффект, который отрицательно сказывается на лазерной генерации. Стандартные драйверы вызывают переменный выходной сигнал на вершине тока диода из-за внутренней технологии коммутируемого режима. Напротив, драйверы на основе технологии линейного контроллера тока не имеют этого эффекта. Входной сигнал управления точно преобразовывается в выходной ток без сбоев и изменений.

 

К сожалению, недостаток линейных контроллеров тока состоит в большем рассеянии мощности. Но для коротких импульсов с низким рабочим циклом этим рассеянием мощности можно управлять.

 

Формула для коротких импульсов с рабочим циклом, см. рис. 1:

 

Pv <= (U2 – U3) x I2 х рабочий цикл

 

Пример:

Pv <= (12В– 9В) x 200A x 0.05 = 30Вт

 

Механически шлифованная порошком тонкого помола и полированная пластина, используемая в драйвере в сочетании с термопастой и теплоотводом, сделанная из меди, гарантирует достаточную теплопередачу от диодного драйвера к теплоотводу, который охлаждается воздухом или водой.

 

Следуя вышеупомянутым описанным принципам и правильной электронной конструкцией, могут быть выполнены следующие технические требования:

  • Драйверу не нужен вентилятор. Вентиляторы являются дополнительным источником шума и часто имеют низкую надежность.
  • Габаритные размеры драйвера являются малыми (приблизительно 100 мм x 60 мм x 20 мм), как и вес (приблизительно 250 г), так, что драйвер может быть смонтирован непосредственно на диоде даже в движущейся лазерной головке.
  • Драйвер имеет два перекрывающихся входа установки и один потенциометр BIAS так, чтобы обеспечить возможность непрерывной, импульсной работы, модуляции или любых смешанных сигналов с произвольными кривыми.
  • Высокопроизводительная точная аналоговая электронная схема позволяет контролировать фактический ток диода в режиме реального времени.

 

В следующей таблице представлены основные модели высокопроизводительных диодных драйверов

 

1) макс. ток, доступны модели с меньшим током

2) зависит от лазерного диода и конфигурации системы «высокопроизводительный диодный драйвер – лазерный диод», упомянутая длительность времени нарастания импульса и частота могут варьироваться в большую и меньшую сторону, соответственно

 

Рис. 8: Основные модели высокопроизводительных драйверов

 

Компания «MESSTECPowerConverter» разработала высокопроизводительные драйверы лазерного диода, в которых интегрированы лучшие технические решения и описанные выше преимущества. Они могут работать в непрерывном, модулируемом или импульсном режиме с любыми произвольными кривыми и могут использоваться в сочетании с лазерными диодами любых производителей. 

MESSTEC также поставляет полные установки и электромеханические модули с диодным драйвером, лазерным диодом, теплоотводом и оптимизированным контуром управления.

 

Список отраслей, в которых используются драйверы компании MESSTEC:

  • Аддитивные технологии
  • Обработка сапфирового стекла
  • Железнодорожная отрасль
  • Полиграфия
  • Маркировка, гравировка, штампы
  • Производство печатных плат
  • Нагревание материалов
  • Поверхностная обработка
  • Медицинские устройства
  • Накачка для твердотельных лазеров с диодной накачкой
  • Нано-обработка
  • Ультрабыстрая пульсация
  • Сварка пластмасс
  • Военная промышленность
  • Технология безопасности
  • Научно-исследовательские институты
  • Университеты

 

Ссылки

 

1. Sugioka, Koji, и Ya Cheng. «Ультрабыстрые надежные лазерами инструменты для усовершенствованной обработки материалов». Light: Science & Applications 3.4 (2014): e149.

2.   Schubert, E. Fred. Светодиоды. E. Fred Schubert, 2018.

3.   Mead, C. «Фундаментальные ограничения в микроэлектронике-I. Технологии МОS». Solid State Electronics 15 (1972): 819-829.

4. Deyo, Eric. «Метод для вычисления индуктивности в системах параллельных проводов». arXivpreprintarXiv:1612.02471 (2016).

5. Dyson, Freeman J. «Резонансное поглощение спинов электронов в металлах. II. Теория электронной диффузии и поверхностного эффекта». PhysicalReview 98.2 (1955): 349.

6. Scogna, A. Ciccomancini и M. Schauer. «Имитационная модель полосковых линий с клиновидным поперечным сечением и профилем поверхности проводника». ElectromagneticCompatibility, 2007. EMC 2007. IEEE Международный Симпозиум по. IEEE, 2007.

 

Messtec Power Converter (Германия)

www.powerconverter.eu

 

 

Производитель драйверов для лазерных диодов с более 25-летним опытом работы. Компания имеет собственный завод с полным циклом производства, на котором осуществляется электронное и механическое производство компонентов, а также сборка и тестирование устройств и модулей. Ассортимент продукции включает в себя готовые устройства, блоки питания, системы охлаждения, панели управления.

 

Компания ОЭС «Спецпоставка» представляет весь спектр продукции MESSTEC силовой преобразователь на территории РФ и предлагает наиболее выгодные условия поставки продукции, полную техническую поддержку, а также поставку образцов.


ГОСТ 17490-77 Лазеры и излучатели инжекционные, диоды лазерные. Основные параметры

Текст ГОСТ 17490-77 Лазеры и излучатели инжекционные, диоды лазерные. Основные параметры

БЗ 5-99

ГОСТ 17490-77

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ЛАЗЕРЫ И ИЗЛУЧАТЕЛИ ИНЖЕКЦИОННЫЕ, ДИОДЫ ЛАЗЕРНЫЕ

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ

Издание официальное

ИПК ИЗДАТЕЛЬСТВО СТАНДАРТОВ Москва

МЕЖГОСУДАРСТВЕННЫЙ СТАНДАРТ

ЛАЗЕРЫ И ИЗЛУЧАТЕЛИ ИНЖЕКЦИОННЫЕ, ДИОДЫ ЛАЗЕРНЫЕ

Основные параметры

ГОСТ

17490-77

Injection lasers and radiators, laser diodes. Key parameters

Дата введения 01.01.79

1. Настоящий стандарт распространяется на инжекдионные лазеры и лазерные диоды импульсного режима работы, а также на излучатели инжекционных и сверхлюминесцентных лазеров и лазерные диоды непрерывного режима работы.

Стандарт устанавливает допускаемые сочетания значений основных параметров для инжекционных лазеров, излучателей и лазерных диодов импульсного режима работы, ряды основных параметров и присоединительные размеры элементов сопряжения (при использовании их в волоконно-оптических системах передачи (ВОСП) для излучателей инжекционных и сверхлюминесцентных лазеров и лазерных диодов непрерывного режима работы.

Пояснения терминов, применяемых в настоящем стандарте, приведены в приложении.

2. Допускаемые сочетания минимальных значений средних мощностей импульса лазерного излучения и максимальных значений частот повторения импульсов лазерного излучения должны соответствовать указанным в табл. 1 (кроме ВОСП).

В качестве основного параметра для лазеров, излучателей и лазерных диодов импульсного режима работы допускается использовать среднюю мощность лазерного излучения или энергию лазерного излучения. Минимальные значения средней мощности лазерного излучения и энергия лазерного излучения должны соответствовать ряду R 40 ГОСТ 8032.

Издание официальное Перепечатка воспрещена

© Издательство стандартов, 1977 © ИПК Издательство стандартов, 2000 Издание с Изменениями

Таблица 1 Р

Максимально?

значение

Минимальное значение средней мощности импульса лазерного излучения, Вт

частоты

повторения

импульсов

излучения,

кГц

0,00025

0,0005

0,001

0,005

0,01

0,02

0,04

0,08

0,12

0,25

0,5

1

2

4

8

16

30

60

125

250

500

1000

2000

5000

10000

0,05

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

0,10

+

+

+

+

+

+

+

0,20

+

+

+

+

+

+

+

0,40

+

I

1

+

I

+

+

0,80

+

+

+

+

+

+

+

+

1,60

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

3,00

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

6,00

1

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

12,00

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

25,00

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

+

50,00

+

+

+

+

+

+

+

+

+

100,00

+

I

1

1

+

+

+

+

200,00

+

+

+

+

+

+

#,00

+

+

I

+

+

+

1

800,00

+

+

+

+

+

+

+

10000,00

+

+

+

+

+

+

50000,00

+

+

+

+

+

I

100000,00

+

+

+

+

500000,00

+

+

+

+

1000000,00

+

+

+

10000000,00

+

+

+

+

Примечание. Допускаемые сочетания параметров отмечены знаком«+».

ГОСТ 17490-77

3. Длительность импульсов излучения по уровню 0,5 устанавливается:

в пределах 0,02—2000 нс — для значений минимальной средней мощности импульса излучения до 0,08 Вт включительно;

в пределах 1—200 нс —для значений минимальной средней мощности импульса излучения более 0,08 Вт.

4. Длина волны излучения излучателей полупроводниковых, сверхлюминесцентных лазеров и лазерных диодов непрерывного режима работы должна соответствовать ряду: 0,63; 0,68; 0,70; 0,73; 0,76; 0,78; 0,80; 0,83; 0,85; 0,90; 1,06; 1,30; 1,55; 1,60; 1,80 мкм.

Допуски на длины волн устанавливают в техническом задании на разработку (ТЗ), стандартах и технических условиях (ТУ) на конкретные изделия.

Примечание. Допускается расширять ряд в сторону увеличения длин волн.

(Измененная редакция, Изм. № 1).

5. Минимальные значения средней мощности лазерного излучения излучателей инжекцион-ных, сверхлюминесцентных лазеров и лазерных диодов непрерывного режима работы должны соответствовать ряду: 0,025; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 3; 5; 10; 20; 30; 40; 50; 80; 100; 150; 200; 300; 400; 800; 1000 мВт (кроме ВОСП).

Указанные мощности установлены для излучателя (диода) без согласователя.

Минимальные значения средней мощности лазерного излучения после согласователя должны быть в К раз меньше, чем на выходе излучателя (диода) без согласователя. Значение коэффициента К устанавливают в ТЗ, стандартах и ТУ на конкретные изделия.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2).

5а. Допускаемые сочетания диаметров оптического сопряжения, числовой апертуры, минимальных значений средней мощности лазерного излучения (средней мощности импульса лазерного излучения), максимальных значений длительности фронта импульса лазерного излучения, номинальных значений длины волны излучения для излучателей, лазерных диодов и излучателей сверхлюминесцентных лазеров, применяемых в ВОСП, должны соответствовать указанным в табл. 1а.

Таблица 1а

Диаметр оптического сопряжения, мкм, не менее

Числовая апертура, не менее

Минимальное значение средней мощности лазерного излучения в непрерывном режиме работы или средней мощности импульса лазерного излучения, мВт

Максимальное значение длительности фронта импульса лазерного излучения, нс**

Номинальное значение длины волны ла-зерного излучения, мкм

Излучатели инжекционных лазеров и лазерные диоды

Излучатели сверхлюминесцентные инжекционных лазеров

Излучатели инжекционных лазеров и лазерные диоды

Излучатели сверхлюминесцентные инжекционных лазеров

8

0,1

1,0; 2,0

0,002;

0,005;

0,010;

0,050*;

0,100*;

0,200*;

0,500*

0,25; 0,50; 1,00

1,0; 3,0; 5,0; 10,0

1,30; 1,55

50

0,2

1,0; 2,0; 5,0; 10,0*

0,010;

0,030;

0,050;

0,100

1,00; 3,0

5,0; 10,0; 15,0

0,83; 1,30

200

0,3

3,0; 5,0; 10,0

ОД00; 0,200

3,00; 5,00

10,0; 15,0

0,83

* Допускаемые сочетания параметров для контрольно-измерительной аппаратуры.

** По согласованию с заказчиком в ТЗ и ТУ на конкретные изделия аналоговых передающих оптоэлектронных модулей допускается устанавливать другие параметры (максимальную частоту модуляции или полосу модулирующих частот), соответствующие и не ухудшающие значений настоящего стандарта.

(Введен дополнительно, Изм. № 2).

6. Присоединительные размеры элементов сопряжения излучателей инжекционных и сверхлюминесцентных лазеров непрерывного режима работы для соединения с оптическим кабелем и их значения должны соответствовать чертежу и табл. 2,

Примечание. Элемент сопряжения — сопрягаемая часть излучателя с оптическим кабелем или оптическим прибором.

4

1 — лазерный диод; 2 — излучатель; 3 — согласователь; 4 — элемент сопряжения; 5 — оптический кабель

Таблица 2

мм

Диаметр элемента сопряжения

Диаметр сердечника оптического волокна

Рабочая длина элементов сопряжения

Номин.

Поле допуска

Номин.

Поле допуска

h5

От 0,04 до 0,4 включ.

1,5

h6

От 0,04

3

Н17

h8

Св. 0,15

h5

От 0,04 до 0,4 включ.

2,5

h6

От 0,04

5

Н12

h8

Св. 0,15

h5

От 0,04 до 0,4 включ.

3,6

h6

От 0,04

7,1

Н12

h8

Св. 0,15

Примечания:

1. Допускаемые сочетания размеров отмечены знаком «+».

2. Остальные размеры излучателей инжекционных и сверхлюминесцентных лазеров, а также размеры лазерных диодов устанавливают в ТЗ, стандартах и ТУ на конкретные изделия.

(Измененная редакция, Изм. № 1, 2).

ПРИЛОЖЕНИЕ

Справочное

Пояснение терминов, применяемых в настоящем стандарте

Термин

Пояснение

Диаметр оптического сопряжения

Диаметр поперечного сечения пучка лазерного излучения на выходе оптического соединителя или согласователя, внутри которого проходит определенное значение мощности лазерного излучения. В случае когда согласователем является отрезок оптического кабеля (оптического волокна), за диаметр оптического сопряжения принимается диаметр сердцевины оптического волокна

Согласователь

Устройство, предназначенное для оптического согласования компонентов ВОСП

Числовая апертура

Числовая апертура соответствует sin ~ ,

Диаметр сердцевины оптического волокна

где а — угол при вершине конуса, внутри которого находится определенное значение мощности лазерного излучения

По ГОСТ 26599

(Введено дополнительно, Изм. № 2).

ИНФОРМАЦИОННЫЕ ДАННЫЕ

1. УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 22.12.77 № 3006

2. ВЗАМЕН ГОСТ 17490-72

3. ССЫЛОЧНЫЕ НОРМАТИВНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОКУМЕНТЫ

Обозначение НТД, на который дана ссылка

Номер пункта, подпункта, приложения

ГОСТ 8032-84

2

ГОСТ 26599-85

Приложение

4. Ограничение срока действия снято по протоколу № 3—93 Межгосударственного Совета по стандартизации, метрологии и сертификации (ИУС 5-6—93)

5. ПЕРЕИЗДАНИЕ (ноябрь 1999 г.) с Изменениями № 1, 2, утвержденными в декабре 1984 г., апреле 1988 г. (ИУС 3-85, 7-88)

Редактор Л В Каретникова Технический редактор Л А Кузнецова Корректор В С Черная Компьютерная верстка В И Грищенко

Изд лиц № 021007 от 10 08 95 Сдано в набор 14 12 99 Подписано в печать 21 01 2000 Уел печ л 0,93

Уч-изд л 0,50 Тираж 103 экз С4221 Зак 47

ИПК Издательство стандартов, 107076, Москва, Колодезный пер , 14 Набрано в Издательстве на ПЭВМ

Филиал ИПК Издательство стандартов — тип “Московский печатник”, 103062, Москва, Лялин пер , 6

Плр № 080102

RP Photonics Encyclopedia - лазерные диоды, полупроводники, усиление, индексирование, высокая мощность

Энциклопедия> буква L> лазерные диоды

можно найти в Руководстве покупателя RP Photonics. Среди них:

Найдите более подробную информацию о поставщиках в конце этой статьи энциклопедии или посетите наш

Вас еще нет в списке? Получите свою заявку!

Акроним: LD

Определение: полупроводниковые лазеры с токонесущим p – n переходом в качестве активной среды

Более общий термин: полупроводниковые лазеры

Более конкретные термины: лазерные диоды с широким сечением, лазерные диоды высокой яркости, диодные линейки, диодные стопки, конические лазерные диоды, лазерные диоды Фабри – Перо

Немецкий: Laserdioden

Категории: лазеры, оптоэлектроника

Как цитировать статью; предложить дополнительную литературу

Автор: Dr.Rüdiger Paschotta

Лазерные диоды - это полупроводниковые лазеры с электрической накачкой, в которых усиление создается за счет электрического тока, протекающего через p − n-переход или (чаще) p − i − n-структуру. В такой гетероструктуре биполярного межзонного лазера электроны и дырки могут рекомбинировать, высвобождая части энергии в виде фотонов. Этот процесс может быть спонтанным, но также может быть стимулирован падающими фотонами, что в действительности приводит к оптическому усилению, и с помощью оптической обратной связи в лазерном резонаторе к лазерным колебаниям.В статье о полупроводниковых лазерах более подробно описывается, как работает процесс лазерного усиления в полупроводнике.

Лазеры диодные - лазеры на основе одного или нескольких лазерных диодов.

Большинство полупроводниковых лазеров основано на лазерных диодах, но есть также некоторые типы полупроводниковых лазеров, не требующие диодной структуры и, следовательно, не принадлежащие к категории диодных лазеров. В частности, это квантовые каскадные лазеры и полупроводниковые лазеры с оптической накачкой.Последние могут быть изготовлены из нелегированных полупроводниковых материалов, которые не могут проводить значительные электрические токи.

Типы лазерных диодов

Рисунок 1: Схема установки маломощного лазерного диода с торцевым излучением. Показаны волновод и выходной пучок, выходящий на один край пластинчатого кристалла, но не структуры электродов.

Большинство лазерных диодов (ЛД) построены как лазеры с торцевым излучением, в которых резонатор лазера образован торцевыми гранями (сколами) полупроводниковой пластины с покрытием или без него.Часто они основаны на двойной гетероструктуре, которая ограничивает генерируемые носители узкой областью и в то же время служит волноводом для оптического поля ( двойное ограничение, ). Ток ограничен той же областью, иногда с использованием изолирующих барьеров. Такие устройства обеспечивают относительно низкую пороговую мощность накачки и высокий КПД. Активная область обычно довольно тонкая - часто настолько тонкая, что действует как квантовая яма. В некоторых случаях используются квантовые точки.

Некоторые современные типы ЛД относятся к типу поверхностного излучения (см. Ниже), где направление излучения перпендикулярно поверхности пластины, а усиление обеспечивается несколькими квантовыми ямами.

Существуют очень разные типы ЛД, которые работают в очень разных режимах выходной оптической мощности, длины волны, полосы пропускания и других свойств:

  • Маленькие светодиоды с торцевым излучением генерируют выходную мощность от нескольких милливатт до примерно половины ватта в луче с высоким качеством луча.Выходной сигнал может выводиться в свободное пространство или соединяться с одномодовым волокном. Такие лазеры могут быть сконструированы как с направлением индекса (со структурой волновода, направляющей лазерный свет внутри LD) или с направлением усиления (где профиль луча сохраняется узким за счет преимущественного усиления на оси луча).
  • Для небольших диодов, сделанных как лазерные диоды Фабри – Перо или, более конкретно, как лазеры с распределенным брэгговским отражателем (лазеры DBR) с короткими резонаторами, можно достичь одночастотного режима.Более надежная работа на одной частоте может быть достигнута с помощью лазеров с распределенной обратной связью (DFB-лазеры). В некоторых случаях также достигается значительная перестройка длины волны.
  • Диодные лазеры с внешним резонатором содержат лазерный диод в качестве усиливающей среды более длинного лазерного резонатора, дополненный дополнительными оптическими элементами, такими как лазерные зеркала или дифракционная решетка. Они часто перестраиваются по длине волны и имеют небольшую ширину линии излучения.
  • Лазерные диоды с широкой полосой (также часто называемые лазерными диодами с широкой полосой , или лазеры с широкой полосой , ) генерируют до нескольких ватт выходной мощности.Качество луча значительно хуже, чем у маломощных ЛД, но лучше, чем у диодных стержней (см. Ниже).
  • Лазерные диоды высокой яркости - это лазерные диоды, которые оптимизированы для получения особенно высокой яркости. Могут использоваться разные технологии, и такие лазеры доступны с совершенно разными уровнями мощности.
  • Лазеры на оптических волноводах с пластинчатой ​​связью (SCOWL), содержащие область усиления с несколькими квантовыми ямами в относительно большом волноводе, могут генерировать выходную мощность в ваттном уровне в ограниченном дифракцией пучке с почти круглым профилем.
  • Полосы мощных диодов содержат массив эмиттеров большой площади, генерирующих десятки ватт при плохом качестве луча. Несмотря на большую мощность, яркость ниже, чем у широкополосного LD.
  • Мощные многослойные диодные линейки (→ диодные стеки ) представляют собой стопки из нескольких диодных линейок для генерации чрезвычайно высоких мощностей в сотни или тысячи ватт.
  • Монолитные полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением (VCSEL) обычно генерируют несколько милливатт с высоким качеством луча.Существуют также версии таких лазеров с внешним резонатором (VECSEL), которые могут генерировать гораздо более высокие мощности при отличном качестве луча.

Лазерные диоды могут излучать луч в свободное пространство, но многие светодиоды также доступны в оптоволоконной форме. Последнее делает их особенно удобными для использования, например, в качестве источников накачки для волоконных лазеров и волоконных усилителей.

Длины волн излучения

Длина волны излучения лазерного диода в основном определяется шириной запрещенной зоны лазерно-активного полупроводникового материала: энергия фотонов близка к энергии запрещенной зоны.В лазерах с квантовыми ямами есть также некоторое влияние толщины квантовой ямы. Разнообразие полупроводниковых материалов позволяет покрывать широкие спектральные области. В частности, существует множество тройных и четверных полупроводниковых соединений, в которых запрещенная зона может регулироваться в широком диапазоне, просто изменяя детали состава. Например, повышенное содержание алюминия (увеличенное x) в Al x Ga 1-x As вызывает увеличение ширины запрещенной зоны и, следовательно, более короткую длину волны излучения.Таблица 1 дает обзор типичных систем материалов.

Материал лазерного диода
(активная область / подложка)
Типичные длины волн излучения Типовое применение
InGaN / GaN, SiC 380, 405, 450, 470 нм хранилище данных
AlGaInP / GaAs 635, 650, 670 нм лазерные указки, DVD-плееры
AlGaAs / GaAs 720–850 нм CD-плееры, лазерные принтеры, твердотельные лазеры накачки
InGaAs / GaAs 900–1100 нм накачки EDFA и прочие волоконно-оптические усилители; высокомощные VECSEL
InGaAsP / InP 1.2–2,0 мкм волоконно-оптическая связь, зондирование, спектроскопия
AlGaAsSb / GaSb 1,8–3,4 мкм защита, зондирование, спектроскопия

Таблица 1: Длины волн излучения различных распространенных типов лазерных диодов.

Обратите внимание, что некоторые лазерные диоды работают вне спектральных областей, указанных в таблице. Например, лазеры InGaN могут быть оптимизированы для более длинных волн излучения, достигая зеленой области спектра, хотя обычно с более низкими характеристиками.Кроме того, есть, например, свинцово-солевые диоды для генерации среднего инфракрасного света.

Большинство лазерных диодов излучают в ближней инфракрасной области спектра, но другие могут излучать видимый (особенно красный или синий) свет или средний инфракрасный свет.

Ширина полосы излучения и настройка длины волны

Большинство ЛД излучают луч с шириной оптического диапазона в несколько нанометров. Эта полоса пропускания является результатом одновременной генерации множества продольных (и, возможно, поперечных) мод резонатора (многомодовые лазерные диоды , ).Некоторые другие типы ЛД, особенно лазеры с распределенной обратной связью, работают в режиме одного резонатора (→ одночастотный режим ), так что ширина полосы излучения намного уже, обычно с шириной линии в мегагерцовом диапазоне. Дальнейшее сужение ширины линии можно с внешними полостями и, в частности с узкополосным оптической обратной связью от опорного резонатора (→ стабилизации лазеров ).

Длина волны излучения (центр оптического спектра) многомодовых ЛД обычно чувствительна к температуре, обычно с увеличением ≈ 0.3 нм на 1 К повышения температуры, что является результатом температурной зависимости максимума усиления. (Температура влияет на распределение тепловой населенности в валентной зоне и зоне проводимости.) По этой причине температура перехода ЛД для диодной накачки твердотельных объемных лазеров должна быть стабилизирована, если ширина полосы поглощения лазерного кристалла узкая (например, всего несколько нанометров). Также возможно настроить длину волны излучения через температуру перехода.

Одномодовые диоды могут иметь значительно меньший температурный коэффициент длины волны излучения, поскольку резонансные частоты меньше реагируют на изменения температуры, чем оптическое усиление.Для применений в сканирующей лазерной абсорбционной спектроскопии длина волны иногда сканируется с помощью прерывистого включения лазера. Затем температура повышается во время каждого импульса тока и вызывает падение оптической частоты. Длину волны лазеров с внешним резонатором также можно настраивать, например вращением дифракционной решетки в резонаторе лазера.

Вольт-амперные характеристики

Лазерные диоды имеют вольт-амперные характеристики, как и другие диоды. Существенный ток течет только выше для определенного критического напряжения, которое зависит от используемой системы материалов.(Критическое напряжение примерно пропорционально ширине запрещенной зоны материала, а также несколько зависит от температуры устройства.) Выше критического напряжения ток быстро возрастает с увеличением напряжения.

Фигура 2: Зависимость тока от приложенного напряжения для лазерного диода с длиной волны 808 нм. Для тока 1,2 А, необходимого для номинальной выходной мощности 1 Вт, необходимое напряжение составляет примерно 1,8 В. (Для сравнения, энергия фотона для 808 нм составляет 1,53 эВ.) Обратите внимание, что эта кривая смещена вправо при увеличении температуры устройства; тогда при том же напряжении получается более высокий ток.

Лазерные диоды обычно , а не , работают с приложением фиксированного напряжения, потому что протекающий ток может тогда очень чувствительно зависеть от этого напряжения, а также может существенно зависеть от температуры устройства. Может даже возникнуть катастрофический эффект разгона: сильный ток может привести к сильному повышению температуры, что может еще больше увеличить ток и, наконец, разрушить диод. Поэтому на практике обычно используется драйвер лазерного диода, который стабилизирует определенный ток; это означает, что он автоматически регулирует напряжение так, чтобы получить желаемый ток.В качестве альтернативы можно использовать режим постоянной мощности , в котором ток возбуждения автоматически регулируется для достижения желаемой выходной мощности.

Обратите внимание, что ток, а не напряжение, определяет скорость, с которой носители вводятся в лазерный диод. Следовательно, существует сильная связь между протекающим током и излучаемой оптической мощностью. Фактически отсутствует выходная мощность ниже определенного порогового тока, а выше порога лазера выходная мощность растет примерно пропорционально току минус пороговый ток.

КПД преобразования мощности

Диодные лазеры могут достигать высокой эффективности преобразования электричества в оптику - обычно порядка 50%, иногда даже выше 60% или даже выше 70% [7]. Эффективность обычно ограничивается такими факторами, как электрическое сопротивление, утечка носителей, рассеяние, поглощение (особенно в легированных областях) и спонтанное излучение. Особенно высокий КПД достигается при использовании лазерных диодов, излучающих, например, около 940–980 нм (например, для накачки мощных волоконных устройств, легированных иттербием), тогда как диоды с длиной волны 808 нм несколько менее эффективны.

Наивысшая эффективность преобразования мощности обычно достигается не при максимальной выходной мощности, а при несколько сниженной выходной мощности, поскольку в этом случае требуется меньшее напряжение.

Качество луча и форма луча

Некоторые маломощные ЛД могут излучать лучи с относительно высоким качеством луча (даже если большая расходимость луча требует некоторой осторожности, чтобы сохранить это во время коллимации). Однако большинство мощных ЛД демонстрируют относительно низкое качество луча в сочетании с другими неблагоприятными свойствами, такими как большая расходимость луча, высокая асимметрия радиуса луча и качество луча между двумя перпендикулярными направлениями, а также астигматизм.Не всегда тривиально найти лучшую конструкцию оптики для формирования луча, которая будет компактной, простой в изготовлении и юстировке, сохраняя качество луча и избегая интерференционных полос, устраняя астигматизм, имеющую низкие потери и т. Д. Типичными частями такой оптики для формирования луча диодного лазера являются коллимирующие линзы (сферические или цилиндрические), апертуры и пары анаморфных призм.

Объединение балок

Поскольку свет, излучаемый лазерным диодом, имеет линейную поляризацию, можно объединить выходы двух диодов с поляризационным светоделителем, чтобы получить неполяризованный луч с удвоенной мощностью одного диода, но с таким же качеством луча. ( поляризационное мультиплексирование ).В качестве альтернативы можно комбинировать пучки ЛД с немного разными длинами волн, используя дихроичные зеркала (→ спектральное объединение пучков ). Более систематические подходы к объединению лучей позволяют комбинировать большее количество излучателей с хорошим качеством выходного луча.

Генерация импульсов

Хотя наиболее распространенным режимом работы LD является непрерывный режим работы, многие LD также могут генерировать оптические импульсы. В большинстве случаев принцип генерации импульсов заключается в переключении усиления, т.е.е. модуляция оптического усиления путем переключения тока накачки. Маленькие диоды также могут иметь синхронизацию мод для генерации пикосекундных или даже фемтосекундных импульсов. Лазерные диоды с синхронизацией мод могут быть устройствами с внешним резонатором или монолитными, в последних случаях часто содержат разные секции, работающие с разным током.

Свойства шума

Диоды разных типов имеют очень разные шумовые свойства. Шум интенсивности обычно близок к квантово-ограниченному только намного выше частоты релаксационных колебаний, которая очень высока (часто несколько гигагерц).Однако было продемонстрировано, что некоторые маломощные ЛД, работающие при криогенных температурах, демонстрируют даже значительное сжатие амплитуды, то есть шум интенсивности значительно ниже предела дробового шума. Во всех полупроводниковых лазерах шум интенсивности обычно связан с фазовым шумом, что делает эти шумовые свойства сильно коррелированными.

Как упоминалось выше, значения ширины линии сильно различаются. Многомодовые LD демонстрируют много избыточного шума, связанного со скачками режимов. Шум в разных режимах может быть сильно антикоррелирован, так что шум интенсивности в отдельных режимах может быть намного сильнее, чем шум объединенной мощности.Это имеет важное последствие: шум интенсивности может быть увеличен, когда луч, например, диодной полосы усекается на апертуре или спектрально фильтруется.

Драйвер диода также может вносить большой вклад в шум лазера, потому что даже очень быстрые колебания тока могут трансформироваться в флуктуации интенсивности и фазы генерируемого света.

Срок службы устройства

При правильной эксплуатации диодные лазеры могут быть очень надежными в течение десятков тысяч часов.Однако гораздо меньший срок службы может быть результатом ряда факторов, таких как работа при слишком высоких температурах (например, из-за недостаточного охлаждения) и скачков тока или напряжения, например от электростатического разряда или плохо спроектированных лазерных драйверов.

Существуют различные режимы отказа, включая катастрофическое оптическое повреждение (COD) (с полным разрушением устройства в течение миллисекунд или меньше) и устойчивую деградацию. Помимо условий эксплуатации, на срок службы сильно влияют различные конструктивные факторы.Например, было обнаружено, что конструкции с активными областями, не содержащими алюминия, обладают превосходной надежностью и сроком службы, а некоторые покрытия (или просто дополнительные полупроводниковые слои) на оптической поверхности также могут быть очень полезными. Детали некоторых усовершенствованных конструкций диодов не разглашаются производителями в целях сохранения конкурентного преимущества.

Чтобы продлить срок службы устройства, LD часто работают при пониженных уровнях тока (и, следовательно, выходной мощности). Умеренное снижение мощности может в то же время увеличить эффективность розетки из-за более низкого напряжения перехода, тогда как более сильное снижение снижает эффективность.

Приложения

Лазерные диоды используются в очень широком диапазоне приложений. В следующем списке приведены некоторые важные примеры:

  • Маломощные одномодовые LD с высоким качеством луча используются для записи и чтения данных на CD-ROM, DVD, Blu-ray и голографические носители данных. Такие лазеры могут работать в различных спектральных областях, от инфракрасной до синей и фиолетовой области, с более короткими длинами волн, что обеспечивает более высокую плотность записи.
  • Одномодовые LD широко используются в волоконно-оптических системах связи, особенно в передатчиках данных. В некоторых случаях модуляция данных осуществляется напрямую через ток возбуждения.
  • Одномодовые ЛД также применяются в лазерной спектроскопии (TDLAS) с очень компактными маломощными измерительными устройствами.
  • Маленькие красные лазерные диоды (→ красные лазеры ) используются в качестве лазерных указателей.
  • Измерения расстояний часто выполняются с помощью модулированных маломощных диодных лазеров. Подобные лазеры используются в лазерных принтерах, сканерах и считывателях штрих-кода.
  • Широкоугольные лазерные диоды, диодные линейки и диодные пакеты часто используются для диодной накачки твердотельных лазеров. Волоконно-связанные ЛД большой площади также служат источниками накачки волоконных усилителей.
  • Некоторые виды хирургических вмешательств (например, лечение увеличенной простаты) и дерматологические методы лечения могут проводиться с использованием излучения диодных стержней.
  • Мощные диодные стеки используются непосредственно при обработке материалов в тех случаях, когда не требуется высокое качество луча, например для поверхностной закалки, сварки и пайки.По сравнению с другими мощными лазерами они проще и имеют гораздо лучшую эффективность подключения к розетке.

По объемам продаж приложения для оптического хранения данных и телекоммуникаций очень доминируют. Третья по важности область применения - накачка твердотельных лазеров - уже имеет объемы продаж, которые почти на порядок ниже, чем в ранее упомянутых секторах.

Маломощные лазерные диоды приносят наибольшую прибыль из всех типов лазеров - в основном за счет приложений в области связи и хранения данных.Мощные лазерные диоды имеют гораздо меньшие объемы продаж и продаж и используются в основном для дисплеев (с быстрым ростом), медицинских и военных приложений. Прямое использование мощных лазерных диодов для обработки материалов пока невелико, но демонстрирует быстрый рост.

Сопутствующие устройства

Поставщики

Справочник покупателя RP Photonics содержит 124 поставщика лазерных диодов. Среди них:

Lumibird

Lumibird производит широкий спектр лазерных диодов и лазерных диодных модулей.Мы предлагаем пакеты QCW-диодов, модули CW-лазерных диодов, волоконно-оптические блоки QCW-диодов, лазерные диодные осветители с короткими импульсами, а также диодный источник высокой яркости, IALDA и драйверы импульсных источников питания для QCW-диодов.

Sheaumann Laser

Sheaumann Laser предлагает широкий спектр лазерных диодов, от маломощных одномодовых излучателей до многомодовых высокомощных лазеров. Доступно множество различных вариантов упаковки (с выходом в свободном пространстве или с оптоволоконной связью). Длины волн излучения колеблются от 785 нм до 1064 нм.

Frankfurt Laser Company

Frankfurt Laser Company предлагает самый широкий на мировом рынке диапазон длин волн для лазерных диодов от 370 нм до 12 мкм, одномодовые и многомодовые, широкополосные, DFB и DBR, стабилизированные волоконной решеткой Брэгга, квантовые каскадные лазеры и VCSEL. Мы предлагаем выбор длины волны и индивидуальную упаковку; свяжитесь с нами, чтобы обсудить ваши требования.

eagleyard Photonics

Наши полупроводниковые лазерные диоды, изготовленные на основе материала GaAs, работают в диапазоне длин волн от 630 до 1120 нм.Если вам нужна высокая мощность и превосходная яркость - и все это в конфигурации с одним излучателем - вы найдете орловые лазерные диоды на переднем крае технологий.

Наш ассортимент продукции включает пять основных типов лазерных диодов, каждый из которых оптимизирован для удовлетворения конкретных требований:

Одномодовые лазерные диоды

Одночастотные лазерные диоды
многомодовые лазерные диоды
Конические усилители
Чипы усиления

Аэродиоды

волоконно-оптических лазерных диодов, излучающих около 808 нм, 915 нм, 980 нм, 1064 нм или 1550 нм.Выходная мощность составляет до 150 Вт в многомодовом режиме (в свободном пространстве или с оптоволоконным соединением), другие модели представляют собой одномодовые излучатели для работы в непрерывном или наносекундном импульсном режиме.

Alpes Lasers

Alpes Lasers предлагает лазерные диоды SWIR, излучающие на длинах волн от 1,45 до 2,15 мкм с мощностью до 50 мВт. Они предлагаются либо в виде микросхемы на носителе, либо в маломощном корпусе TO-66 с коллимированным или расходящимся выходным пучком в свободном пространстве.

Лазеры RPMC

Лазеры RPMC предлагают один из самых широких вариантов длины волны полупроводниковых лазерных диодов, от УФ до ИК, и доступны с выходной мощностью от милливатт до киловатт, в зависимости от типа и конфигурации диодов.Наши предложения включают одномодовые и многомодовые излучатели с одним излучателем, модули с несколькими излучателями с волоконной связью, линейки лазерных диодов, пакеты лазерных диодов, квантовые каскадные лазерные диоды, суперлюминесцентные лазерные диоды и лазеры VCSEL. Мы также предлагаем лазерные диоды с узкой шириной линии, использующие DFB и VBG. Эти различные диоды доступны в различных корпусах, включая TO-can, Butterfly, модули, системы под ключ и многое другое.

TOPTICA Photonics

TOPTICA предлагает широкий выбор одномодовых лазерных диодов с выбранной длиной волны.Среди более стандартных лазерных диодов вы также найдете «раритеты», то есть диоды с выходной длиной волны, которую обеспечивает только TOPTICA. Диоды можно приобрести отдельно. Кроме того, TOPTICA может интегрировать любой диод из складских списков в настраиваемую диодную лазерную систему: лазерные диоды с покрытием Фабри-Перо или AR могут быть интегрированы в диодные лазерные системы, лазерные диоды DFB / DBR в DFB pro и конический усилитель в Система ТА.

Каждый тип диода тщательно тестируется в конфигурации лазера с внешним резонатором в отношении диапазона грубой настройки, диапазона настройки без скачков мод и ограничений мощности.Результаты раскрываются по запросу заказчику в подробном техническом описании. Если вы все еще не можете сопоставить выбранную длину волны, свяжитесь с TOPTICA - и очень высоки шансы, что мы сможем предоставить ее

Вопросы и комментарии пользователей

Здесь вы можете оставлять вопросы и комментарии. Если они будут приняты автором, они появятся над этим абзацем вместе с ответом автора. Автор принимает решение о приеме на основании определенных критериев. По сути, вопрос должен представлять достаточно широкий интерес.

Пожалуйста, не вводите здесь личные данные; в противном случае мы бы скоро удалили его. (См. Также нашу декларацию о конфиденциальности.) Если вы хотите получить личный отзыв или консультацию от автора, пожалуйста, свяжитесь с ним, например по электронной почте.

Отправляя информацию, вы даете согласие на возможную публикацию ваших материалов на нашем веб-сайте в соответствии с нашими правилами. (Если позже вы откажетесь от своего согласия, мы удалим эти данные.) Поскольку ваши материалы сначала рассматриваются автором, они могут быть опубликованы с некоторой задержкой.

Библиография

[1] R. N. Hall et al. , “Когерентное излучение света из переходов GaAs”, Phys. Rev. Lett. 9 (9), 366 (1962), doi: 10.1103 / PhysRevLett.9.366
[2] Н. Холоняк и С.Ф. Беваква, «Когерентное (видимое) излучение света Ga (AS 1 − x P x ) стыков », заявл. Phys. Lett. 1, 82 (1962), DOI: 10.1063 / 1.1753706
[3] J. F. Butler et al., «Свойства диодного лазера на PbSe», IEEE J. Quantum Electron. 1 (1), 4 (1965), doi: 10.1109 / JQE.1965.1072173
[4] CA Wang и SH Groves, «Новые материалы для диодной лазерной накачки твердотельных лазеров», IEEE J. Quantum Электрон. 28 (4), 942 (1992), DOI: 10,1109 / 3,135213
[5] P.J. Delfyett et al. , «Мощные сверхбыстрые лазерные диоды», IEEE J. Quantum Electron. 28 (10), 2203 (1992), DOI: 10.1109 / 3.159528
[6] J. G. Endriz et al. , «Матрицы диодных лазеров высокой мощности», IEEE J. Quantum Electron. 28 (4), 952 (1992), DOI: 10.1109 / 3.135214
[7] M. Kanskar et al. , «Эффективность преобразования мощности в непрерывном режиме 73% при 50 Вт от диодных лазерных стержней 970 нм», Электрон. Lett. 41 (5), 245 (2005), DOI: 10,1049 / el: 20058260
[8] J. V. Moloney et al. , «Квантовый дизайн полупроводниковых активных материалов: приложения для лазеров и усилителей», Laser & Photon.Ред. 1 (1), 24, DOI: 10.1002 / lpor.200610003
[9] J. Souto et al. , «Механизмы, вызывающие катастрофические оптические повреждения в мощных лазерных диодах», Proc. SPIE 9348 (2015), DOI: 10.1117 / 12.2079464
[10] WW Chow and SW Koch, Основы полупроводников и лазеров , Springer, Berlin (1999)
[11] LA Coldren and SW Corzine, Diode Lasers and Photonic Integrated Circuits , John Wiley & Sons, New York (1995)

(Предложите дополнительную литературу!)

См. Также: диодные лазеры, полупроводниковые лазеры, лазеры с распределенной обратной связью, лазеры с распределенным брэгговским отражателем, лазерные диоды с широким радиусом действия, диодные линейки, диодные стеки, лазерные диоды высокой яркости, диодные лазеры с внешним резонатором, полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением, модули лазерных диодов , диодные лазеры с волоконной связью, формирователи луча, прямые диодные лазеры, драйверы лазерных диодов
и другие товары в категориях оптоэлектроника, лазеры


Если вам нравится эта страница, поделитесь ссылкой со своими друзьями и коллегами, e.г. через соцсети:

Эти кнопки общего доступа реализованы с учетом конфиденциальности!

Код для ссылок на других сайтах

Если вы хотите разместить ссылку на эту статью на каком-либо другом ресурсе (например, на своем веб-сайте, в социальных сетях, дискуссионном форуме, Википедии), вы можете получить здесь необходимый код.

HTML-ссылка на эту статью:

   
Статья о лазерных диодах

в
Энциклопедия фотоники RP

С изображением предварительного просмотра (см. Рамку чуть выше):

   
alt = "article">

Для Википедии, например в разделе «== Внешние ссылки ==»:

  * [https://www.rp-photonics.com/laser_diodes.html 
, статья «Лазерные диоды» в энциклопедии RP Photonics]

Принципы лазерных диодов AlGaAs

В двойной гетероструктуре вынужденное излучение происходит только в тонком активном слое GaAs , который зажат между слоями AlGaAs , легированными p и n, с более широкой запрещенной зоной.В лазерных диодах используются гетеропереходы для одновременного удержания носителей и фотонов в активной области. Высокая эффективность лазера требует, чтобы свет и инжектированные носители заряда были как можно ближе к одному и тому же объему.

2.1 Гетероструктура лазерного диода

Гетероструктура лазерного диода

Как показано на рисунке 7, лазерный диод AlGaAs состоит из двойного гетероперехода, образованного нелегированной (или слегка легированной p-примесью) активной области, окруженной более высокой шириной запрещенной зоны p и n Al x Ga 1-x As слоев облицовки.Окружающие слои оболочки создают энергетический барьер для удержания носителей в активной области. Фактические рабочие длины волн могут находиться в диапазоне 750-880 нм из-за влияния примесей, размера активной области и составов активного и плакирующего слоев. Когда определенный параметр фиксирован, длина волны может изменяться на несколько нанометров из-за других переменных. Например, когда активный слой имеет запрещенную зону E g = 1,424 эВ, номинальная длина волны излучения составляет λ = hc / E g = 871 нм.Когда напряжение смещения прикладывается в прямом направлении, электроны и дырки инжектируются в активный слой. Поскольку энергия запрещенной зоны в слоях оболочки больше, чем в активном слое, инжектированные электроны и дырки не могут диффундировать через переход за счет потенциальных барьеров, образованных между активным слоем и слоями оболочки (рис. 7). Электроны и дырки, ограниченные активным слоем, создают состояние инверсии населенностей, позволяя усиление света за счет вынужденного излучения.[9]

Слои облицовки выполняют две функции. Во-первых, введите носители заряда. Во-вторых, световое заключение. Поскольку активная область имеет меньшую ширину запрещенной зоны, чем слои оболочки, ее показатель преломления будет немного больше, чем у окружающих слоев. Показатель преломления GaAs на этих длинах волн составляет n = 3,5, в то время как показатель преломления слоев оболочки Al x Ga 1-x As немного меньше. На рисунке 8 показано распределение электромагнитного поля из-за гетероструктуры.

лазерный диод электромагнитное поле

Для ограничения в горизонтальном (латеральном) направлении в реальных лазерных структурах всегда используется индекс или направление усиления, как указано в разделе 3.1.

Характеристики трехслойного пластинчатого волновода удобно описывать в терминах нормированной толщины волновода D, определяемой как

, где n a и n c - это показатели преломления активного и облицовочного слоев соответственно, а d - толщина активного слоя.

Фактор ограничения Γ, определяемый как доля электромагнитной энергии направленной моды, которая существует в активном слое, является важным параметром, представляющим протяженность активного слоя. Γ для основной моды приблизительно определяется как [1] ​​

2.2 Пороговый ток

Когда накапливается достаточное количество электронов и дырок, чтобы сформировать перевернутый населения, активная область демонстрирует оптическое усиление и может усиливать электромагнитное волны проходят через него, поскольку вынужденное излучение преодолевает межзонное поглощение.Волна совершает полный круговой обход в резонаторе без затухания, что означает, что оптическое усиление должно равняться потерям как внутри резонатора, так и через частично отражающие торцы. Таким образом, коэффициент усиления на пороге g th задается соотношением

Коэффициент усиления лазерного диода в точке порогового тока

Здесь α a и α c обозначают потери в активном слое и слое оболочки соответственно из-за поглощения свободных носителей. α s учитывает потери на рассеяние из-за гетероинтерфейсов между активным слоем и слоем оболочки. Первые три члена потерь в правой части вместе называются внутренними потерями α i и в сумме составляют от 10 до 20 см –1 . Потери на отражение 1/ L ln 1/ R ≈ 40 см -1 для L ≈ 300 мкм, R = 0,3) из-за выходной связи обычно являются самыми большими среди членов потерь.

Существует феноменологическая линейная зависимость между максимальным усилением g и введенная плотность носителей n, , предположим, и n, t , являются постоянными в хорошем приближении.

усиление с введенной плотностью тока

Здесь называется дифференциальным усилением, а n t обозначает плотность несущих, необходимую для достижения прозрачности, когда вынужденное излучение уравновешивается межзонным поглощением. соответствующий началу инверсии населения.Лазеры GaAs например, ≈ 3,5 x 10 -6 см 2 и n t ≈ 1,5 x 10 18 см -3 , и помните, что Γ = 0,27, α = 10 см -1 и L -1 ln R -1 = 40 см -1 , получаем пороговую плотность носителей n ≈ 2 x 10 18 см -3 . Пороговая плотность тока Дж th выражается как

, где Ts - время жизни носителей за счет спонтанного излучения.Предполагая, что Ts = 3 нс и d = 0,1 мкм , получаем пороговую плотность тока Дж th ≈ 1K Acm -2 [1]

2.3 Режимы колебаний

В лазерных диодах длина определяет продольные моды, при этом ширина и высота Полость определяет поперечные или боковые моды.

продольные моды лазерного диода

Продольная мода: продольные моды или оптические резонансы Фабри-Перо. образованные сколами торцевых зеркал, определяются длиной L резонатора и показателем преломления n полупроводника.Для электромагнитной волны с длиной волны λ полуволны в среде составляет λ / 2n , а для стоячей волны qλ / 2n = L , q является целым кратным. Изменение целого числа q на 1 вызывает изменение длины волны Δ λ на 0,35 нм, и лазерный резонатор может одновременно поддерживать несколько стоячих волн или продольных мод с немного разными длинами волн. В лазерном диоде колебание возникает на длине волны, соответствующей энергии запрещенной зоны полупроводника, интенсивность уменьшается по мере удаления длины волны от центральной длины волны, как показано на рисунке 9.Поскольку ширина запрещенной зоны изменяется в зависимости от температуры, длина волны с максимальной интенсивностью также зависит от температуры. Например, у лазерного диода AlGaAs длина волны увеличивается примерно на 0,23 нм для повышения температуры на 1 градус. Свободный спектральный диапазон f fsr определен как

Разделение пиков определяется как

На рисунке 9 показан пример с центральной длиной волны λ = 817,5 нм и расстоянием между пиками Δ λ = 0.45 нм, свободный спектральный диапазон f fsr = c Δλ / λ 2 = 200 ГГц . [9]

лазерный диод с индексом

Поперечные моды: Поперечная мода представляет состояние электромагнитного стоячая волна в направлении, перпендикулярном оптической оси резонатора лазера. Поперечная мода состоит из двух компонентов: одна параллельная, а другая перпендикулярная активному слою лазера. Как указано выше, существуют ступеньки показателя преломления на каждой стороне активного слоя, которые служат для ограничения света на активном слое.Лазерный луч демонстрирует расходящееся поле из-за дифракции на концах резонатора. На рис. 10 показана конструкция типичного лазерного диода с индексированным волноводом со слоями оболочки, электродами и активной областью GaAs . Зеркала лазерного резонатора - это торцы сколотого полупроводникового кристалла.

Лазерный диод с указателем профиля луча

Размеры кристалла определяют диаграмму направленности излучаемого луча (диаграмму поперечных мод), а также возможные частоты излучения лазера (диаграмму продольных мод).В выходной диаграмме преобладает дифракция, поскольку ширина W ≈ 10 µ м и высота H ≈ 2 µ м типичных ЛД сравнимы с длиной волны излучения. Угол расходимости излучения в этих двух направлениях обратно пропорционален размерам, показанным на рис. 11. Угловая ширина ϑ диаграммы направленности излучения из щели или прямоугольного отверстия шириной d составляет

Угол расхождения лазерного диода

Например, длина волны лазера 850 нм и ширина полосы W = 10 µ м имеет угол расходимости ϑ w ≈ 10 градусов, ϑ H ≈ 45 градусов, как показано на Рис. .Размеры W, и H, активной области лазерного диода могут быть определены путем измерения выходных углов конуса излучения. Чем меньше апертура, тем больше дифракция, при достаточно малых W и H выходит только самая низкая поперечная мода TEM 00 . [9]

Настройка лазерного диода

Настройка тока и температуры лазерных диодов

Эта статья поможет вам понять основные принципы, используемые для получения коэффициентов настройки тока и / или температуры.

Обновлено: 19 октября 2019 г.

Автор: Стивен Гвиннер, Laser Lab Source

ВВЕДЕНИЕ:

Одним из преимуществ полупроводниковых лазеров по сравнению с другими лазерными технологиями является их способность настраиваться на соседнюю длину волны. Важной характеристикой лазерных диодов, используемых в спектроскопии перестраиваемого диодного лазера (TDLAS), является коэффициент настройки лазера.Это указано в техническом паспорте в виде пикометров изменения на миллиампер изменения тока смещения и нанометров изменения на изменение в градусах Цельсия. Появляется все больше и больше приложений для измерения и спектроскопии, которые требуют настройки выходной мощности одномодовых полупроводниковых лазеров для измерения уровня поглощения лазерного света через образец газа. Этот уровень поглощения затем используется для определения концентрации интересующей молекулы газа в образце. Как только уровень концентрации установлен, можно внедрить системы мониторинга и контроля с обратной связью.Эта статья представляет собой обзор основных принципов настройки коэффициента, также известного как производная настройки.

газочувствительный лазерный диод с длинами волн


ПРИЛОЖЕНИЯ, ТРЕБУЮЩИЕ ХОРОШО ОПРЕДЕЛЕННЫХ КОЭФФИЦИЕНТОВ НАСТРОЙКИ ДЛИНЫ ВОЛНЫ (пм / мА и нм / ° C):

Источники лазера используются в широком спектре измерительных приложений, требующих настройки. Они используются для определения газов, таких как углекислый газ, аммиак, метан и фтористый водород, на основе абсорбции.Вы можете найти список популярных источников, используемых в перестраиваемой диодной лазерной абсорбционной спектроскопии, а также в лазерах TDLAS с фильтрацией по диапазону длин волн здесь » Они также используются в приложениях, которые требуют точной настройки и контроля частоты источника, такого как флуоресценция, для визуализации рака in vivo. При флуоресценции в ближнем инфракрасном диапазоне для возбуждения вида используется источник ближнего инфракрасного излучения, который, в свою очередь, излучает свет определенной частоты с большей длиной волны, чем исходная длина волны, которая использовалась для возбуждения вида.Вы можете узнать больше о неинвазивной флуоресцентной визуализации с использованием модулированного ICCD и лазерного диода в этой статье на OSA.org »

ФИЗИЧЕСКИЕ ИЗМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ИЗМЕНЕНИЯ ТЕМПЕРАТУРЫ И ПЛОТНОСТИ Вводимого тока:

Длина волны генерации лазерного диода обычно регулируется путем изменения температуры и вводимого тока возбуждения. Физические изменения лазерного диода в результате изменения этих двух параметров управления перечислены ниже и показаны на рисунке [1].
  • Энергия запрещенной зоны изменяется из-за изменений температуры и эффекта заполнения зоны, вызванного током возбуждения, вводимым в активный слой полупроводника.
  • Изменение показателя преломления в активном слое, которое вызвано изменениями температуры окружающей среды и изменениями температуры в результате джоулева нагрева, связанного с введенной плотностью тока возбуждения.

Параметры настройки лазерного диода


ИЗМЕРЕНИЕ ИЗМЕНЕНИЙ ДЛИНЫ ВОЛНЫ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ КОЭФФИЦИЕНТОВ НАСТРОЙКИ:

Изменение длины волны генерации лазерного диода в первую очередь является результатом изменения температуры в активном слое, также известного как температура pn-перехода или просто температура перехода.Это изменение температуры в основном является результатом контроля температуры окружающей среды устройства и подаваемого тока возбуждения. Измерение изменения длины волны генерации позволяет нам анализировать эффекты изменения температуры окружающей среды и подаваемого тока возбуждения, которые вызывают физические изменения, упомянутые выше. Впоследствии мы можем рассчитать коэффициенты настройки температуры и тока (пм / мА и нм / ° C). Чтобы увидеть настройку на практике, вот короткое видео, в котором показано влияние настройки температуры и плотности тока на длину волны:

температурная настройка лазерного диода видео


ИЗМЕНЕНИЯ ПЛОТНОСТИ ВНУТРЕННЕГО ТОКА (ПРИВОДНОЙ ТОК) И ВЛИЯНИЕ НА ДЛИНУ ВОЛНЫ:

Скорость изменения температуры в активном слое вызывается джоулевым нагревом, связанным с инжектируемой плотностью тока.На скорость сильно влияет теплопроводность. Тепло, генерируемое в активном слое, распространяется от активного слоя к окружающим областям. Результирующая скорость изменения длины волны сильно зависит от конфигурации установки лазерных диодов и конструкции корпуса, как показано на рисунке [2].

Эффект увеличения нагрева лазерного диода


ЗАКЛЮЧЕНИЕ:

Настроечные коэффициенты, указанные в паспорте лазерного диода, в первую очередь получены из изменения температуры в активном слое полупроводника и отслеживания возникающих в результате изменений длины волны.Коэффициенты настройки указаны в технических паспортах лазерных диодов в пм / мА и / или нм / ° C. Коэффициенты настройки будут варьироваться в зависимости от скорости сканирования, используемой для отслеживания изменений длины волны, связанных с изменениями температуры окружающей среды или подаваемого тока. Скорость сканирования обычно строго фиксирована, чтобы исключить ошибки мониторинга. Кроме того, хотя это не обсуждается в этой статье, важно отметить, что, поскольку изменение длины волны генерации в основном вызвано изменением температуры перехода, обычно сначала устанавливают базовую «известную» температуру перехода при заданном токе и температуре. контрольная уставка.Обычно это измерение изменений напряжения перехода и теплового сопротивления, связанных с изменением тока инжекции.

Ссылки:

  • Карл Хепберн. Британское руководство по физике полупроводников. http://www.britneyspears.ac/lasers.htm.
  • Nagaatsu Ogasawara. Лазеры полупроводниковые. Технический отчет, Университет электросвязи Нагаатсу Огасавара, www.pro-physik.de/Phy/pdfs/ OE042_1.pdf.
  • М. Фукуда, Т. Мисима, Н. Накаяма, Т.Масуда ,. Appl Phys B. Vol.100. 2010.
  • Sigrist MW, редактор. Appl Phys B. 2. Vol. 90. 2008.
  • Фукуда М. Оптические полупроводниковые приборы. Вайли; Нью-Йорк: 1999.
  • Нэш ФР. J Appl Phys. 1973; 44: 4696.
  • Ямамото Y. IEEE J Quantum Electron. 1983; QE-19: 34.

Все, что вам нужно знать о диодных лазерах и лазерных диодах - EnduranceLasers

В последнее время набирают популярность диодные лазеры.

Технология изготовления лазерных диодов достаточно сложна.Поскольку лазерный диод представляет собой ОЧЕНЬ МАЛЕНЬКУЮ деталь, он имеет многослойную структуру, что значительно усложняет процесс изготовления и требует большого мастерства. Качество является неотъемлемой частью всех типов лазеров, поэтому количество производителей высококачественных лазерных диодов ограничено.

Один из них - NICHIA (Япония).

Структура лазерного диода

Если вы посмотрите на вики-диаграмму, то заметите, что многослойная система довольно сложна.https://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/thumb/c/c6/Simple_sch_laser_diode.svg/800px-Simple_sch_laser_diode.svg.png

Большой проблемой и некоторым ограничением является теплопроводность. При генерации фотонов (света) лазерный диод также выделяет много тепла, которое необходимо отводить, поэтому на рынке не так много мощных лазерных диодов. Макс от NICHIA NUBM44 / 47 имеет выходную оптическую мощность всего 7 Вт в режиме CW.

Конечно, вы можете запустить его до 10 Вт в импульсном режиме, но это почти его физический предел.

Быстрая и безопасная оплата. Бесплатная доставка DHL по всему миру. Получите лазер через 3-5 дней.

Применение лазерных диодов

Область применения лазерного диода зависит от его длины волны. Например, 808 нм обычно используется для накачки лазерных модулей DPSS (твердотельных лазеров с диодной накачкой) на кристаллах Nd: YAG. В светодиодных проекторах используется много лазерных диодов.

Они также широко используются в спектрографии и в медицине.

На портале исследовательских ворот https://www.researchgate.net/ вы можете найти много интересных научных статей.

Преимущество

Самым большим преимуществом лазерных диодов является их размер.

Например, NUBM44 мощностью 7 Вт от NICHIA составляет всего 9 мм. Если вы хотите получить 10 ватт от Nd: YAG, вам нужно построить довольно большую и сложную машину, в отличие от диодных лазеров, поэтому они становятся все более популярными.

Недостаток

Одним из самых больших недостатков диодного лазера является качество луча. Большинство довольно мощных лазерных диодов с оптической мощностью более 1000 мВт (1 Вт) имеют довольно низкое качество луча, что затрудняет фокусировку. Таким образом, вы можете сфокусировать одномодовый лазерный луч в таком маленьком пятне, как длина волны, в то время как с многорежимным лазером может быть довольно сложно сфокусировать луч на действительно крошечном пятне.

Режим постоянной волны (CW) vs.импульсный режим

Большинство лазерных диодов отлично работают в непрерывном режиме. Для некоторых приложений это очень важно. Хотя общая мощность может достигать нескольких ватт, энергия единичного импульса очень мала.

Возможности лазерной гравировки и резки

Некоторые мощные лазеры с длиной волны 405/445 нм стали сегодня любимыми инструментами для гравировки и резки среди производителей и любителей.

Это потому, что мощность оптического лазера 5-7 Вт позволяет легко разрезать до 8 мм акрила и 6 мм дерева и фанеры https: // www.youtube.com/watch?v=7wN1fUY6KKE

All you need to know about wood and plywood laser cutting with video

Для лучшего процесса гравировки и резки вы можете использовать воздушный насос с подачей воздуха и получить довольно приличные результаты.

Диодный лазер - доступный инструмент, который можно установить практически на любой 3D-принтер или фрезерный станок с ЧПУ. Есть ряд надежных компаний, предлагающих довольно надежные и долговечные лазерные инструменты, но держитесь подальше от китайских поддельных лазеров.Они не принесут вам ничего, кроме плохих эмоций, абсолютного разочарования и нулевой поддержки. https://endurancelasers.com/my-experience-with-non-branded-chinese-made-lasers/

Если вы опытный инженер-электрик или у вас достаточно времени, вы можете создать свой собственный лазер на основе технологии с открытым исходным кодом.

The Endurance laser kit pack. Build your own laser module.

Таким образом, диодные лазеры - надежные универсальные инструменты для гравировки и резки самых разных материалов, кроме прозрачных и металлических.

Для резки металла необходима высокая энергия импульса, которую невозможно получить в непрерывном режиме, поэтому для этой цели в основном используются высокомощные модули Co2, Fiber или DPSS.

Видео, объясняющее, как работает диодный лазер

О применении диодных лазеров >>> https://endurancelasers.com/about-some-interesting-applications-of-diode-lasers/

Подробнее о диодных лазерах >>> https: // endurancelasers.ru / о-диодных-твердотельных-лазерах /

Узнайте больше о различных типах лазеров >>> https://endurancelasers.com/comparison-of-a-different-types-of-lasers-and-different-wavelength/

Измерение фактической мощности лазера. -9 сек.Для этого требуется сложное оборудование, и его нелегко обнаружить. Вот почему максимальная выходная импульсная мощность берется «как есть» у производителей лазерных диодов.

Здесь мы поговорим о постоянной выходной оптической мощности.
Мы знаем, что 100% китайских производителей лазеров на Ebay, Aliexpress и DHgate рекламируют фальшивые значения выходной мощности.
Вот почему большинство их лазеров умирают примерно через неделю после их использования ...

Многие поставщики постоянно говорят о выходной мощности 15 Вт, 20 Вт, в то время как максимальная мощность их лазеров составляет в лучшем случае 3-5 Вт.
Неверные данные вводят в заблуждение покупателей, которые ожидают, что лазеры от проверенных поставщиков и производителей действительно обладают заявленной мощностью.

Так что же делать?

Очень важно использовать соответствующее оборудование для измерения выходной мощности лазера.
Например, оборудование сверхвысокого качества производства российской компании «Ламет». Это оборудование преобразует световую энергию в электрическую.
Изюминкой этого прибора является большая апертура, позволяющая измерять выходную мощность лазера даже без сфокусированного луча.
Здесь мы показываем процесс измерения выходной мощности лазерных насадок Endurance на 3,5 Вт, 5,6 Вт, 8 Вт и 10 Вт.

Постоянная мощность лазера всегда ниже пиковой мощности лазера.
То же, что и с заявленной мощностью автомобиля: ее можно достичь за очень короткий промежуток времени (иногда - только один раз).

Что важно: температура наружного воздуха, источник питания, электронные компоненты и многое другое, в том числе индивидуальные характеристики каждого лазерного диода.

К сожалению, выходная оптическая мощность отдельных лазерных диодов может сильно различаться. Такие электронные компоненты, как: LM, DC / DC, транзисторы и т. Д. Также могут влиять на всю схему.

Для получения четкого результата повторите измерения не менее 20-30 раз.

С 1 июня 2018 года Endurance будет продавать лазеры только с индивидуально измеряемой номинальной мощностью. Мы стараемся максимально удовлетворить запросы каждого взыскательного покупателя.

Вы с нетерпением ждете обновления вашего 3D-принтера / фрезерного станка с ЧПУ или имеющегося у вас гравировального / режущего станка?

Если да, заполните форму, и мы поможем вам с передовыми решениями от Endurance.


Следуйте за нами в социальных сетях
Поделитесь с друзьями

Как правильно выбрать лазерный диод

Чтобы найти подходящий лазерный диод для вашего случая, вы, вероятно, начнете с набора параметров, заданных вашим приложением. Сделаем это здесь на примере.Предположим, мы хотим создать приличный лазерный интерферометр для измерения профиля поверхности или скорости.

Для этого устройства нам нужен лазерный диод с длиной когерентности 1-10 м, интерферометрическая картина должна оставаться стабильной при изменении температуры (<0,1 нм / K). Мне нужен коллимированный гауссов пучок, мощность которого должна быть выше 80 мВт. Детектор, который я использую, основан на Si, который работает только для длин волн <1100 нм. Сама центральная длина волны и поляризация в этом случае менее важны.На данный момент мы понятия не имеем о упаковке или закреплении.

Таблица 1: от технических характеристик до параметров лазера. Справочная таблица. Примеры данных жирным шрифтом
Требования к применению Параметры лазера
Длина когерентности L = 1-10 м

Спектральное разрешение

Полоса пропускания фильтров и т. Д.

Ширина линии Δν = 10 - 100 МГц

Допуск по длине волны

Стабильность длины волны <0.1 нм / K

Длина волны λ <1100 нм

Качество луча, расходимость, профиль и размер пятна луча и т. Д.

Гауссов луч

Поперечная мода, M² M² <1,1

Интенсивность, яркость и т. Д.

Мощность P> 80 мВт

В таблице 1 показаны данные, которые у нас есть на данный момент.Слева указаны чистые требования к применению, справа - параметры лазера. По длине когерентности я могу рассчитать ширину линии, используя Δν = c / πL = 9,6–95,5 МГц.

Для новичков в этой области мы объясним параметры более подробно. Большинство деталей основано на энциклопедии RP Photonics Encyclopedia Рюдигера Пашоттты, которая является отличным источником всевозможных базовых знаний.

Длина когерентности : Расстояние, на котором когерентность значительно уменьшается.Фактически, это даже относится к длине временной когерентности, но для наших целей достаточно приведенного выше определения. Дополнительные сведения и калькулятор можно найти на сайте www.rp-photonics.com/coherence_length.html. Позже в этом руководстве мы использовали следующую формулу: Δν = c / πL, где Δν - ширина полосы (или ширина линии), c - скорость света, а L - длина когерентности.

Спектральное разрешение : Спектральное разрешение обозначает соотношение между шириной полосы (в нм) и длиной волны: R = λ / Δ λ.В случае спектрографа или, в более общем смысле, частотного спектра, это мера его способности разрешать особенности в электромагнитном спектре.

Если вы хотите рассчитать полосу пропускания в МГц по значению в нм, вы можете использовать следующую формулу: Δν = Δλ * c / λ². Или вы используете один из интернет-калькуляторов, например, на www.photonicsolutions.co.uk/wavelengths.php, который даже предлагает преобразование в см -1 и четыре других единицы ширины полосы.

Bandpass Некоторые датчики для обнаружения лазерного сигнала используют интерференционные фильтры, чтобы блокировать посторонний свет.Таким образом, длина волны лазерного источника должна оставаться в пределах небольшого диапазона пропускания фильтра. Для производителя это важная информация, но в нашем примере ограниченным допуском центральной длины волны можно пренебречь.

Качество луча можно определить несколькими способами. Один из них - коэффициент M², который показывает, насколько близок луч к его идеальной гауссовой форме. Итак, 1.0 обозначает идеальный гауссов пучок. Другой - продукт параметра луча BPP , для которого мы должны умножить перетяжку луча в фокусе на расходимость дальнего поля.Для получения дополнительной информации см. Www.rp-photonics.com/beam_quality.html.

Интенсивность обозначает мощность лазера в области луча, предпочтительно в фокусе. Соответственно, его единица измерения - ватт / см². Вопрос в том, что вы берете за площадь луча. Подробное обсуждение можно найти на сайте www.rp-photonics.com/optical_intensity.html.

Профиль луча - это название распределения интенсивности в лазерном луче. В зависимости от этого распределения это может быть плоская вершина (прямоугольное распределение) или гауссово.Одномодовый луч обычно (близок к) гауссову, тогда как многомодовый луч обычно не гауссовский. Он может иметь различные формы в зависимости от количества и распределения интенсивности смешанных мод.

Brilliance или яркость лазерного источника дает возможность измерить его выходную мощность и качество луча одним числом. По сути, это мощность лазера, деленная на произведение параметров луча. Следовательно, его единица измерения - ватт / см² * стерадиан.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *