Размещено на http://www.allbest.ru/

Лазерные диоды

Под термином «лазерный диод» понимается лазер полупроводникового типа, основа конструкции которого представлена диодом. Принцип работы такого лазера строится на том, что после того, как в диод были инжектированы носители заряда, в зоне p?n -- перехода возникает инверсия населённостей. Излученный при спонтанном переходе 2?1 фотон вызывает вынужденное испускание дополнительных фотонов, соответствующих переходу , которые в свою очередь вызовут также вынужденное излучение и т.д.

Полученное таким образом вынужденное излучение будет использовано для генерации когерентных световых волн. Чтобы активное вещество превратить в генератор световых колебаний, надо осуществить обратную связь. Необходимо, чтобы часть излученного света все время находилась в зоне активного вещества и вызывала вынужденное излучение все новых и новых атомов.

Инверсия населенностей ? неравновесное состояние вещества, при котором населенность верхнего уровня из пары уровней энергии одного типа атомов (ионов, молекул), входящих в состав вещества, превышает населенность нижнего. Инверсия населенностей лежит в основе работы лазеров и других приборов квантовой электроники. Чтобы понять концепцию инверсии населённостей, необходимо сначала пояснить некоторые моменты термодинамики и законы взаимодействия света с веществом. Для примера представим, что рабочее тело лазера состоит из нескольких атомов, каждый из которых может находиться в одном из двух или нескольких энергетических состояний:

1)Основное состояние, с энергией

2)Возбуждённое состояние, с энергией , причём

Количество атомов, находящихся в основном состоянии, примем равным , а количество возбуждённых атомов -- .

Таким образом, общее число атомов будет = + .

Разница между энергетическими уровнями = ? определяет характерную частоту света, который взаимодействует с атомами. Найти её можно из следующего выражения: =, где -- постоянная Планка.

Если группа атомов находится в термодинамическом равновесии, то число атомов, находящихся в каждом состоянии, можно найти с помощью распределения Больцмана:

где -- температура группы атомов, -- постоянная Больцмана.

Таким образом, мы можем рассчитать населённость каждого энергетического уровня для комнатной температуры ( ? 300K) для энергии , соответствующей видимому свету (н ? 5· Гц). Так как -- >> , показатель степени в вышеприведённом выражении представляет собой большое отрицательное число, т. е. / крайне мало, а число возбуждённых атомов практически равно нулю.

Таким образом, в случае термодинамического равновесия, состояние с низкой энергией намного популярней возбуждённого состояния, и это является нормальным состоянием системы. Если удастся каким-либо способом обратить ситуацию, т. е. сделать / > 1, то тогда можно будет сказать, что система перешла в состояние с инверсией электронных населённостей.

Анализ этих утверждений показывает, что в случае термодинамического равновесия, согласно распределению Больцмана, для любых положительных значений и температуры, всегда будет значительно превышать . Отсюда следует, что для получения инверсии населённостей система не может находиться в термодинамическом равновесии (в квантовой статистике инверсия населенностей может осуществляться при отрицательной абсолютной температуре).

Инжекция -- физическое явление, наблюдаемое в полупроводниковых или гетеропереходах, при котором при пропускании электрического тока в прямом направлении через p-n-переход в прилежащих к переходу областях создаются высокие концентрации неравновесных («инжектированных») носителей заряда. Явление инжекции является следствием уменьшения высоты потенциального барьера в p-n-переходе при подаче на него прямого смещения.

Принцип работы лазерного диода

лазерный диод полупроводник

Принцип работы диода с первого взгляда достаточно простой: диод ? полупроводниковый прибор с односторонней проводимостью электрического тока.

Вывод диода подключенный к положительному полюсу источника питания называют анодом, к отрицательному ? катодом. Кристалл диода в основном изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки из германия или кремния, одна область которого обладает электропроводимостью p ? типа, то есть дырочной. Она содержит искусственно созданный недостаток электронов. Другая область ? проводимости n ? типа, то есть содержит избыток электронов, границу между ними называют p ? n переходом, p ? в латыни первая буква слова позитив, n ? первая буква в слове негатив. Если к аноду диода подать положительное напряжение, а к катоду отрицательное ? то диод будет пропускать ток, это называют прямым включением, в таком положении диод открыт, если подать обратное ? диод ток пропускать не будет, в таком положении диод закрыт, это называют обратным подключением.

Всегда необходимо помнить, что при формировании излучения больше важен не ток лазерного диода, а напряжение. В момент подачи на анодный конец диода положительного потенциала, наблюдается смещение диода по прямому направлению. Это подразумевает инжекцию дырок из p?области в n?область и аналогичную инжекцию электронов в обратном направлении. Расположение электрона и дырки в достаточной близости для проявления эффекта туннелирования делает возможной их рекомбинацию.

Данное действие сопровождается образованием:

· Фотонов, имеющих определённую длину волны (результат принципа сохранения энергии);

· Фононов (компенсируют забираемые фотонами импульсы).

Явление носит название спонтанного излучения и применительно к светодиодам считается главным методом создания излучения. Кристалл ? пластинка, по сути, является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n?области, а в нижнем слое создают p?область. В результате получается плоский p?n переход большой площади. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдёт через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Особенности конструкции

Кристалл полупроводника лазерного диода представляет собой весьма тонкую прямоугольную пластинку. Деление на p и n области здесь происходит по принципу не лево?право, а верх?низ. То есть, вверху расположена p?область, а внизу -- n-область.

Как результат: площадь p?n -- перехода достаточно велика. Для торцевых (боковых) сторон обязательна полировка, поскольку формирование оптического резонатора (Фабри-Перо) требуются наличие параллельных плоскостей абсолютной гладкости. Перпендикулярно направленный в отношении одной из таких плоскостей случайный фотон (сформированный спонтанным излучением) будет двигаться по всему оптическому волноводу, периодически отражаясь от боковых граней, пока, наконец, не покинет резонатор.

Во время движения этот фотон станет причиной нескольких актов вынужденной рекомбинации, формирования подобных фотонов и усиления излучения. В момент, когда усиление достаточно для перекрытия потерь, происходит лазерная генерация.

Разновидности лазерных диодов

1. P-n гомоструктурный диод

В большинстве случаев слой лазерного диода весьма тонок и генерация фотонового потока происходит параллельно структуре этого слоя. Однако, при конструкции достаточной ширины, диод может функционировать в поперечном варианте. Это многомодовые диоды, и их использование демонстрирует высокую мощность излучения в комбинации с высокой его расходимостью.

С целью обеспечения лучшей фокусировки по ширине волновод должен сопоставляться с длиной волны излучения.

Ввиду малой толщины излучающего элемента и дифракции наблюдается сильное расхождение луча в момент выхода. Компенсировать данный эффект можно при помощи собирающих линз. В случае с многомодовыми лазерами обычно используют линзы цилиндрического типа. А если для стандартного лазера применить симметричные линзы, то луч в сечении приобретёт форму эллипса поскольку в вертикальном направлении луч расходится сильнее, чем в горизонтальном.

Лазерные диоды данного типа не отличаются эффективностью. Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительное рассеивание). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров.

2. Лазерный диод с двойной гетероструктурой (ДГС)

Особенностью диодов данного типа является то, что в них кристаллический слой, имеющий более узкую запрещённую зону, фиксируется между двух кристаллических слоёв, имеющих более широкую запрещённую зону.

Большим плюсом моделей данного типа является увеличение активной области (распространяющейся практически на весь средний слой) и усиление потока фотонов (благодаря дополнительному отражению света от гетеропереходов).

3. Лазерный диод с квантовыми ямами

При более сильном истончении среднего слоя в диодах ДГС-типа, его свойства изменяются таким образом, что он превращается в квантовую яму. Таким образом по вертикали электронная энергия будет подвергаться квантованию. Разность энергетических уровней квантовых ям может быть использована излучения взамен возможного барьера. Это позволяет регулировать длину волны при излучении, определяемую толщиной среднего слоя. Более эффективный вариант ввиду равномерности распределения электронов и дырок.

4. Лазерный диод с гетероструктурой и раздельным удержанием

Гетероструктурные лазеры с тонким слоем имеют один весомый недостаток -- они не в состоянии эффективно удерживать свет. Для разрешения проблемы к двум сторонам кристалла крепится по дополнительному слою. По коэффициенту преломления эти слои уступают центральным. Общая конструкция при этом становится подобна световоду. Наибольший процент лазерных диодов сформирован по данной технологии.

5. Лазерные диоды с распределением обратной связи (РОС)

Лазеры РОС ? типа применяются для многочастотных волоконно-оптических связей. При помощи поперечной насечки в области p-n -- перехода, необходимой для формирования дифракционной решётки, становится возможной стабилизация длины волны. Конкретное её значение зависит от параметров насечки, однако возможны некоторые деформации под действием температурных всплесков. Лазеры данного типа применяются преимущественно для телекоммуникаций и оптики.

6. VCSEL

Лазер поверхностного излучения, снабжённый вертикальным резонатором. Это означает, что свет будет направлен перпендикулярно относительно грани кристалла, в то время как лазеры других типов излучают свет параллельно кристаллу.

7. VECSEL

Аналогичен по свойствам предыдущему варианту, но оснащён внешним резонатором.

Драйвер для лазерного диода

Выходная оптическая мощность лазерного диода (являющая одной из основных оптических характеристик) находится в зависимости от тока, проходящего по p-n -- переходу. Ввиду этого драйвер лазерного диода обязательно должен соотноситься с источником тока. Все характеристики, относящиеся к источнику тока, отражаются на параметрах оптической мощности.

В сферу «обязанностей» драйвера входит не только регулировка мощности, но и терморегуляция, осуществляемая через охладитель. Конструкция управляющего блока при этом может быть как совмещённой, так и раздельной.

Как подключить лазерный диод?

Лазерные диоды находят применение в самых различных радиолюбительских конструкциях. Питание лазерного диода может осуществляться, как от батареи или аккумуляторного источника питания, так и от стационарной сети промышленным напряжением 220 вольт. В последнем случае необходима более тщательная защита от всплесков тока или напряжения, поскольку лазерный диод представляет собой довольно чувствительный к таким явлениям элемент и может выйти из строя даже при очень кратковременном превышении тока или напряжения.

В состав схемы входят батарея или аккумулятор напряжением девять вольт, токоограничивающий резистор и непосредственно лазерный модуль. При неимении отдельного лазерного диода, взять оный можно из DVD привода. При этом следует помнить, что в данном случае имеется в виду компьютерный, а никак не обычный проигрыватель. С большой осторожностью лазер извлекается из него, после чего требуется определиться с подключением питания. Как правило, производитель снабжает лазерные диоды тремя выводами, двумя по краям и одним посредине. В большинстве случаев именно средний электрод подключается к минусовой клемме источника питания. К положительному полюсу необходимо подключить либо правый, либо левый, здесь всё зависит от производителя и марки лазерного оборудования. Для того чтобы определить какой именно вывод является положительным, следует подать питание на диод. Для этой цели используются две батарейки по 1,5 вольта и резистор в пять Ом. Минусовые выводы батареек напрямую подключаются к центральному минусовому выводу диода. Плюсовая сторона батареек, через резистор, поочерёдно подключается к каждой из двух оставшихся клемм диода. Как только лазер слегка засветится, это значит, что плюсовой полюс найден. Таким способом весьма быстро и просто можно определить полярность, поскольку принцип работы лазерного диода идентичен работе обычного вентиля. Питание будущего лазера организовывается от двух или трёх пальчиковых батареек, однако при желании для этой цели можно использовать и аккумулятор мобильного телефона. В последнем случае необходимо использовать дополнительный ограничительный резистор на двадцать пять Ом, а в случае с батарейками применять резистор в пять Ом.

Подключение лазерного диода к сети на 220 вольт опасно выбросами напряжения и высокочастотными всплесками. В таком случае следует обеспечить дополнительную защиту чувствительному элементу, дабы избежать его поломки. Схема состоит из стабилизатора напряжения, конденсатора, токоограничивающих резисторов и непосредственно лазерного диода. Стабилизатор напряжения и сопротивления, образуют блок, препятствующий токовым выбросам. От бросков напряжения, устанавливается стабилитрон, а конденсатор поможет препятствовать высокочастотным всплескам. В результате использования такой схемы, стабильная работа лазерного диода полностью гарантирована.

При использовании всех приведённых компонентов можно гарантировать безопасность эксплуатации диода.

Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод?

Единица измерения длины волны, которую может продуцировать лазерный диод -- нм, иначе «нанометры». Благодаря этому значению можно определить цветовой спектр испускаемого светового луча:

· 650 нанометров

Поток фотонов красного цвета наиболее часто используется в конструкциях дисководов. При дневном свете луч этого лазера виден не очень хорошо, но причина этому только невосприимчивость человеческого зрения. При мощности от 20-50 мВт и фокусировки светового пятна в минимально возможную по площади точку проявляется эффект «жжения». Мощность на 200 мВт при правильной фокусировке позволяет резать бумагу различной плотности.

· 532 нанометра

Зелёный поток. Лазеры данного типа очень хрупки и чувствительны к температурным всплескам, требуют крайне осторожного обращения. К тому же обладают сложным устройством и до недавнего времени были крайне дорогими.

Главный положительный момент их применения: зрительно излучение на 532 нм наиболее хорошо различимо. Поэтому использовать лазер зелёного цвета мощнее, чем на 5мВт будет небезопасно для зрения. Кроме того, в силу особенностей конструкции вместе с зелёным спектром лазер поставляет и инфракрасный с длиной волны на 808 нм и 1064 нм, а это только повышает травмоопасность такого прибора. Правда, в более дорогих экземплярах стоят специальные фильтры, но это обязательно нужно проверять.

· 405 нанометров

Фиолетовое излучение. Опасно тем, что слабо различимо для человеческого глаза и кажется слабым по мощности, хотя на деле ситуация строго противоположная. Его трудно сфокусировать. В общем, в целях эксплуатации не самый удобный вариант. Может быть актуален разве что при работе с фоторезисторами.

· 780 нанометров

Инфракрасное излучение. Опасно в силу того, что не воспринимается человеческим зрением от слова совсем. А это грозит различными травмами зрения. Работа возможна только при отсутствии инфракрасного фильтра, что обеспечит хотя бы относительную видимость луча.

· 10 микрометров

Излучение также инфракрасное с надбавкой CO2. Наиболее широко применяется в промышленности. Подобные лазеры имеют низкую стоимость, высокую мощность и отличаются высоким КПД. Используются данные лазерные диоды для резки металла или фанеры. С их помощью выполняется гравировка.

Размещено на Allbest.ru