Prevádzka laserovej diódy a jej aplikácie

Vyskúšajte Náš Nástroj Na Odstránenie Problémov





Prirodzené biele svetlo je tvorené všetkými farbami VIBGYOR spektra viditeľného svetla, čo je široké široké pásmo mnohých rôznych frekvencií. Bežné LED diódy poskytujú svetelný výstup, ktorý sa často skladá z jednej farby, ale aj toto svetlo obsahuje elektromagnetické vlny, ktoré pokrývajú pomerne široké pásmo frekvencií. Systém šošoviek zamerajúci svetlo má pevnú ohniskovú vzdialenosť, ale ohnisková vzdialenosť potrebná na zaostrenie rôznych vlnových dĺžok (farieb) svetla je iná. Preto bude každá farba zaostrovať na rôzne body, čo spôsobí „chromatickú aberáciu“. The laserové diódové svetlo obsahuje iba jednu frekvenciu. Môže byť preto zaostrený dokonca aj jednoduchým systémom šošoviek na extrémne malý bod. Neexistuje žiadna chromatická aberácia, pretože existuje iba jedna vlnová dĺžka, taktiež sa všetka energia zo svetelného zdroja koncentruje na veľmi malú svetelnú škvrnu. LASER je skratka pre zosilnenie svetla stimulovanou emisiou žiarenia.

Chromatická aberácia

Chromatická aberácia



Konštrukcia laserovej diódy

Vyššie uvedený obrázok ukazuje zjednodušenú konštrukciu laserovej diódy, ktorá je obdobou a svetelná dióda (LED) . Na výrobu typu P a N používa arzenid gália dotovaný prvkami ako selén, hliník alebo kremík. polovodičové materiály . Zatiaľ čo laserová dióda má ďalšiu aktívnu vrstvu nedopovaného (vnútorného) arzenidu gália, má hrúbku iba niekoľko nanometrov, vložených medzi vrstvu P a N, čím účinne vytvára PIN dióda (typ P - vnútorný - typ N) . Práve v tejto vrstve sa produkuje laserové svetlo.


Konštrukcia laserovej diódy

Konštrukcia laserovej diódy



Ako funguje laserová dióda?

Každý atóm podľa kvantovej teórie môže energie iba v rámci určitej diskrétnej energetickej úrovne. Atómy sú zvyčajne v stave s najnižšou energiou alebo v základnom stave. Keď môže byť zdroj energie daný atómom v základnom stave vzrušený, môže ísť na jednu z vyšších úrovní. Tento proces sa nazýva absorpcia. Po veľmi krátkom zotrvaní na tejto úrovni sa atóm vráti do pôvodného základného stavu a emituje fotón v procese. Tento proces sa nazýva spontánna emisia. Tieto dva procesy, absorpcia a spontánna emisia, prebiehajú v konvenčnom svetelnom zdroji.

Princíp laserového pôsobenia

Princíp laserového pôsobenia

V prípade, že na atóm, ktorý je stále v excitovanom stave, dopadá vonkajší fotón s energiou presne potrebnou na spontánnu emisiu, vonkajší fotón sa zvýši o ten, ktorý sa vzdá excitovaným atómom. Okrem toho sa oba fotóny uvoľnia z rovnaký excitovaný stav v rovnakej fáze. Tento proces, nazývaný stimulovaná emisia, je zásadný pre laserové pôsobenie (zobrazené na obrázku vyššie). V tomto procese je kľúčom fotón, ktorý má presne rovnakú vlnovú dĺžku ako vyžarované svetlo.

Amplifikácia a inverzia populácie

Ak sa vytvoria priaznivé podmienky pre stimulovanú emisiu, čoraz viac atómov je nútených emitovať fotóny, čím sa spustí reťazová reakcia a uvoľní sa obrovské množstvo energie. To vedie k rýchlemu nárastu energie vyžarujúcej jednu konkrétnu vlnovú dĺžku (monochromatické svetlo), ktorá sa pohybuje koherentne v konkrétnom pevnom smere. Tento proces sa nazýva zosilnenie stimulovanou emisiou.

Počet atómov na ľubovoľnej úrovni v danom čase sa nazýva populácia tejto úrovne. Normálne, ak materiál nie je excitovaný zvonka, je populácia na nižšej úrovni alebo v základnom stave vyššia ako populácia na hornej úrovni. Keď populácia na vyššej úrovni prekročí populáciu na nižšej úrovni, čo je obrátením normálneho obsadenia, proces sa nazýva inverzia populácie. Táto situácia je nevyhnutná pre zásah laserom. Pre akékoľvek stimulované emisie.


Je nevyhnutné, aby horná energetická úroveň alebo splnený stabilný stav mali dlhú životnosť, to znamená, že atómy by sa mali v splnenom stabilnom stave pozastaviť dlhšie ako na nižšej úrovni. Pre laserovú akciu by teda čerpací mechanizmus (vzrušujúci s externým zdrojom) mal byť taký, aby udržiaval vyššiu populáciu atómov v hornej energetickej úrovni v porovnaní s nižšou úrovňou.

Je nevyhnutné, aby horná energetická úroveň alebo splnený stabilný stav mali dlhú životnosť, to znamená, že atómy by sa mali v splnenom stabilnom stave pozastaviť dlhšie ako na nižšej úrovni. Pre laserovú akciu by teda čerpací mechanizmus (vzrušujúci s externým zdrojom) mal byť taký, aby udržiaval vyššiu populáciu atómov v hornej energetickej úrovni v porovnaní s nižšou úrovňou.

Ovládanie laserovej diódy

Laserová dióda pracuje pri oveľa vyššom prúde, zvyčajne asi 10-krát väčšom ako normálna LED. Na nasledujúcom obrázku je porovnaný graf svetelného výkonu normálnej LED diódy a laserovej diódy. V LED dióde sa svetelný výkon stabilne zvyšuje so zvyšujúcim sa prúdom diódy. V laserovej dióde sa však laserové svetlo neprodukuje, kým súčasná úroveň nedosiahne prahovú úroveň, keď začne dochádzať k stimulovanej emisii. Prahový prúd je zvyčajne viac ako 80% maximálneho prúdu, ktorým zariadenie prejde pred zničením! Z tohto dôvodu je potrebné starostlivo regulovať prúd prechádzajúci laserovou diódou.

Porovnanie medzi LED

Porovnanie medzi LED

Ďalším problémom je, že emisia fotónov veľmi závisí od teploty, dióda už pracuje takmer na hranici svojich možností, a preto sa zahrieva, čo mení množstvo emitovaného svetla (fotónov) a prúd diódy. V čase, keď laserová dióda pracuje efektívne, pracuje na hranici katastrofy! Ak prúd klesne a klesne pod medzný prúd, stimulovaná emisia prestane prúdiť len o málo a dióda sa zničí.

Keď je aktívna vrstva naplnená oscilujúcimi fotónmi, časť (typicky asi 60%) svetla uniká v úzkom, plochom lúči od okraja diódového čipu. Ako je znázornené na obrázku nižšie, zvyškové svetlo uniká aj z opačného okraja a je zvyknuté aktivovať fotodiódu , ktorá premieňa svetlo späť na elektrický prúd. Tento prúd sa používa ako spätná väzba do obvodu budiča automatickej diódy na meranie aktivity v laserovej dióde a pomocou kontroly prúdu cez laserovú diódu sa tak uistite, že prúd a svetelný výstup zostávajú na konštantnej a bezpečnej úrovni.

Ovládanie laserovej diódy

Ovládanie laserovej diódy

Aplikácie laserovej diódy

Laserové diódové moduly sú ideálne pre aplikácie ako sú biologické vedy, priemyselné alebo vedecké prístrojové vybavenie. Laserové diódové moduly sú k dispozícii v širokej škále vlnových dĺžok, výstupných výkonov alebo tvarov lúčov.

Nízkoenergetické lasery sa používajú v čoraz väčšom počte známych aplikácií vrátane prehrávačov a rekordérov CD a DVD, čítačiek čiarových kódov, bezpečnostných systémov, optickej komunikácie a chirurgických nástrojov.

Priemyselné aplikácie: Gravírovanie, rezanie, čiarkovanie, vŕtanie, zváranie atď.
Lekárske aplikácie odstraňujú nežiaduce tkanivá, diagnostika rakovinových buniek pomocou fluorescencie, zubné liečenie. Všeobecne sú výsledky pomocou laserov lepšie ako výsledky pri použití chirurgického noža.

Laserové diódy používané pre telekomunikácie: V telekomunikačnom poli majú laserové diódy 1,3 μm a 1,55 μm používané ako hlavný zdroj svetla pre lasery z kremičitých vlákien menšie straty prenosom v pásme. Laserová dióda s iným pásmom sa používa na čerpanie zdroja na optické zosilnenie alebo na optické spojenie na krátku vzdialenosť.

Toto je teda všetko o Konštrukcia laserovej diódy a jeho použitie. Ak máte záujem o budovanie projektov založených na LED sami, potom nás môžete kontaktovať uverejnením svojich otázok alebo inovatívnych myšlienok v sekcii komentárov nižšie. Tu je otázka na vás, Aká je funkcia laserovej diódy?