Полупроводникови лазери: видове и принцип на работа

Веднъж производството на лазер беше свързано със сериозни затруднения, тъй като изискваше наличието на малък кристал и развитието на верига за нейното функциониране. За обикновен човек на улицата подобна задача беше невъзможна. С развитието на технологиите, възможността за получаване на лазерен лъч, дори и в домашни условия. Миниатюрен полупроводник лазери (лазерни диоди) които днес се произвеждат доста широко от електронната индустрия, могат да генерират стабилен лазерен лъч. Днес ще говорим за тях.

Общи характеристики

Полупроводникови или диодни лазери са лазери, които имат усилваща среда на базата на полупроводници. Генерирането в него се осъществява по време на междубанковия преход на електроните, с ниска концентрация на носителя в зоната на проводимост, главно поради стимулирано излъчване на фотони. Формално, такива лазери могат да се класифицират като твърдо състояние, но поради различен принцип на действие, те се разделят на отделна група.

Благодарение на увеличената оптична сила и отличните функционални свойства на полупроводниците, те могат да се използват в измервателни уреди с повишена точност не само в производството, но и в ежедневието, и дори в медицината. Полупроводниковият лазер е основата за четене и писане на компютърни дискове. Благодарение на него работят лазерни указатели, измервателни уреди, разходомери и други полезни за хората устройства.

Появата на такъв електронен компонент е революция в проектирането на електрически уреди с различна сложност. Лъчът, образуван от мощни диоди, се използва в медицината при извършване на всякакви хирургически процедури, включително възстановяване на зрението. Лазерният лъч е способен за кратък период от време, за да направи корекцията на очната леща.

В ежедневието и индустрията, използването на полупроводникови лазери се свързва предимно измервателни уреди. Мощността на тези устройства може да варира в много широк диапазон. По този начин мощността от 8 вата е достатъчна за сглобяване на преносим нивомер в условията на живот. В този случай устройството ще работи надеждно и ще създаде много дълъг лазерен лъч. Между другото, получаването на такъв лъч в очите е опасно, тъй като на малко разстояние може да увреди меките тъкани.

Принципът на работа на полупроводникови лазери

В светодиодите основният източник на енергия е процесът на спонтанно излъчване. Неговата същност е, че към анода се прилага положителен заряд и диодът се измества в посока напред. В този случай дупките се инжектират от област p до област n на p-n-прехода и от област n до област p на полупроводника. Следователно такива устройства често се наричат ​​инжекционни полупроводникови лазери. Когато една дупка и един електрон са един до друг, те рекомбинират, излъчвайки фотонна енергия със специфична дължина на вълната и фонон.

В някои случаи един електрон и дупка могат да бъдат на едно и също място за дълго време (микросекунди) преди рекомбинацията. Ако в този момент близо до тях преминава фотон с резонансна честота, тогава ще настъпи принудителна рекомбинация с освобождаването на втория фотон. Той ще има точно същата посока, фаза и вектор на поляризация като първия фотон.

Полупроводниковият кристал е тънка правоъгълна плоча. В действителност той служи като оптичен вълновод, в който количеството на радиацията е ограничено. Повърхностният слой на кристала може да бъде модифициран, създавайки областта n. Долният слой служи за образуване на областта на r.

Резултатът е pn кръстовище, което има плоска форма и голяма площ. Двойка странични краища на кристала са подложени на полиране, насочено към създаване на паралелни гладки повърхности, които образуват оптичен резонатор. Случайният фотон преминава през целия оптичен вълновод перпендикулярно на равнината на спонтанно излъчване. Преди да излезе навън, тя се отразява няколко пъти от краищата и, минавайки покрай резонаторите, създава принудителна рекомбинация, генерирайки нови фотони със същите характеристики. Така радиацията се увеличава. В момента, когато усилването започне да надвишава загубата, се появява лъч.

Има различни видове полупроводникови лазери. Основният им брой се извършва на особено тънък слой. Тяхната структура позволява да се образува само паралелна радиация. Въпреки това, ако вълноводът е широк по отношение на дължината на вълната, то той ще работи в различни напречни режими. Такива диоди се наричат ​​мулти-дом. Използването на тези лазери ви позволява да създавате повишена мощност на радиация без правилно сближаване на лъча. Част от неговата дисперсия е допустима. Този ефект се използва за "изпомпване" на други лазери в лазерни принтери и химическо производство. Обаче, ако има нужда от специфично фокусиране на лъча, вълноводът е с такава широчина, която може да бъде сравнима с дължината на вълната.

В последния случай широчината на лъча ще зависи от границите, наложени от пречупването. Инструментите, работещи на този принцип, се използват в оптични устройства за съхранение, лазерни указатели и оптични технологии. Заслужава да се отбележи, че те не могат да поддържат няколко надлъжни режима и да създават лъч при различни едновременни дължини на вълните. Дължината на лъча се влияе от забранената зона, разположена между енергийните нива p и n региони.

Тъй като излъчващият компонент е много тънък, лазерният лъч веднага се отклонява на изхода. За да се компенсира дивергенцията на полупроводниковия лазер и да се създаде тънък лъч събиране на лещи. Цилиндричните лещи се използват в многобройни устройства. При лазерите с единични лещи, използващи симетрични лещи, лъчът в участъка ще има елиптична форма, тъй като вертикалната дивергенция надвишава нейния размер в хоризонталната равнина. Добро доказателство за това е лазерната показалка.

класификация

Полупроводниковите лазери, чиято физика беше разгледана по-горе, имат n-p структура. Те имат ниска ефективност, изискват висока мощност на входа и работят изключително в импулсен режим. Поради бързото прегряване те не могат да работят по различен начин. В тази връзка обхватът на такива лазери е ограничен. На тяхна основа бяха създадени устройства с по-впечатляващи параметри. Разгледайте видовете полупроводникови лазери.

Двоен хетеро лазер

Структурата на това устройство осигурява слой от вещество с тясна зона на забрана. Тя е разположена между материалите, в които тази зона е много по-широка. Като правило за производството на такива лазери се използват арсенид галий и алуминиев галий. Такива съединения се наричат ​​хетероструктури.

Предимството на този полупроводников лазер е, че активната област (областта на електроните и дупките) е в средния слой. От това следва, че силата се създава от много по-голям брой двойки електрони и дупки. В област с малко усилия тези двойки са почти изчезнали. В допълнение към това, светлината се отразява от хетероперехода. По този начин излъчването е изцяло в областта на най-ефективното усилие.

Лазер за квантова ямка

Когато средният слой на диода е по-тънък, той започва да работи като квантова ямка. Ето защо енергията на електрона се квантува вертикално. Разликата между количеството енергия на квантовите ямки се използва за образуване на радиация, вместо бариера. Това е много ефективно по отношение на контролирането на вълната на лъча, която пряко зависи от дебелината на средния слой. Този тип лазер е много по-продуктивен от еднослойния аналог, тъй като в него плътността на електроните и дупките се разпределя по-равномерно.

Хетероструктурен лазер с отделно задържане

Главната характеристика на тънкослойния лазер е, че не е в състояние ефективно да задържа светлинния лъч. За да се реши този проблем, от двете страни на кристала се прилага двойка допълнителни слоеве, които имат по-ниска пречупване от централните слоеве. Такава структура прилича на светлинен водач. Тя държи лъча много по-ефективно и се нарича хетероструктура с отделно задържане. Полупроводниковият хетероструктурен лазер е масово произведен през 2000 година.

Лазери за обратна връзка

Този дизайн се използва главно за оптични комуникации. За стабилизиране на вълната се прилага напречен зъб към pn-прехода, в резултат на което дифракционна решетка. Поради това само една дължина на вълната се връща към резонатора, който се усилва в него. В полупроводниковите лазери с обратна връзка, вълната има постоянна дължина, която се определя от височината на самия прорез. Под въздействието на температурата е възможно да се промени прорезът. Принципът на работа на полупроводниковите лазери от този модел е в основата на телекомуникационните оптични системи.

VCSEL и VECSEL

VCSEL е повърхностно излъчващ лазерен модел с вертикален резонатор, който излъчва светлина в посока, перпендикулярна на равнината на кристала, докато емисията на конвенционалните лазерни диоди е успоредна на тази равнина.

VECSEL се различава от предишния модел само с това, че има външен резонатор и може да се изпълнява с токова или оптична помпа.

Импулсен изход

Принципът на работа на полупроводникови лазери включва генерирането на непрекъснат лъч. Поради факта, че електроните не остават на нивото на проводимост дълго време, такива устройства са неподходящи за генериране на Q-превключен импулс. Въпреки това, благодарение на използването на квазинепрекъснат режим на работа, е възможно значително да се увеличи мощността на квантовия генератор. В допълнение, лазерни диоди могат да се използват в случаите, когато е необходимо да се формира свръхкорен импулс с превключване на коефициента на сила или блокиране на режима. Силата на късите импулси обикновено е ограничена до няколко mW. Единственото изключение са VECSEL лазерите, изходът на който се измерва в множество високочестотни импулси.

Калъфи за полупроводникови лазери

С разпространението на лазерните диоди се увеличиха различни случаи, всеки от които беше проектиран за специфичен тип работа. Няма официални стандарти в тази посока, но големите производители често сключват споразумения за унифициране на техните продукти. Предлагат се и услуги за опаковане на лазери според индивидуалните изисквания на клиента. По този начин, да се изброят всички видове заграждения, ако е възможно, е доста проблематично.

Пинутът на контактите във всеки случай може да бъде уникален, така че винаги трябва да посочвате назначението на пин преди да го закупите. Освен това си струва да се отбележи, че външният вид на случая не винаги има пряка връзка с дължината на вълната.

Лазерният модул се състои от следните елементи:

1. Емитер.
2. Елемент на Пелтие.
3. Термистор.
4. Фотодиод.
5. Оптичен изолатор.
6. Обектив за събиране.

Накратко анализирайте моделите на сградите, които са най-често срещани.

С изходна радиация

TO - CAN . Този тип корпус е проектиран да излъчва малки и средни мощности (до 250 mW), тъй като няма специални повърхности, разсейващи топлината. Неговият размер варира от 4 до 10 мм, а броят на краката от 3 до 4. Те могат да бъдат превключвани по различни начини, формирайки 8 вида щифтове.

По-малко популярни са черупките с изходна радиация, моделите C-MOUNT и D-MOUNT.

С влакно изход

Това са следните типове:

• DIL . Този корпус е предназначен за лазери с мощност над 10 mW, чиято повърхност не е достатъчна за разсейване на топлината. По-ефективно охлаждане се извършва с помощта на вградения охладител Пелтие. Прехвърля топлината към ръба на алуминиевия корпус, противоположен на изхода на влакното. Чрез поставяне на краката в два реда с стъпка 2,5 мм, заедно с запояване, можете да използвате разглобяема електрическа връзка.
• DBUT - Dual-Butterfly. Това е най-популярният случай за полупроводникови лазери до 10-800 mW. Основното предимство на този модел е по-ефективното отвеждане на топлината поради увеличената контактна площ на елемента Пелтие с лазерния модул. Долната повърхност на устройството е основната по отношение на топлопредаването. Електрическите терминали са разположени на страничните повърхности, което усложнява свързването на модула с контролната платка.
• SBUT - единична пеперуда. Това е едностранна версия на предишния случай. Тъй като броят на щифтовете е намален наполовина, няма възможност за използване на вътрешен фотодиод.

шофьор

Полупроводникови лазери се използват в много устройства, които изискват насочен лъч светлина. Правилната връзка е най-важната точка в сглобяването на устройството.

Лазерът се различава от моделите Led чрез наличието на миниатюрен кристал. Има много мощност и високо напрежение, което може да изключи устройството. За да се улесни работата на полупроводникови лазери, използвайте специални схеми на устройството, наречени водачи.

Лазерите се нуждаят от стабилен източник на захранване. Въпреки това, някои модели с червен лъч могат да работят нормално с нестабилна мрежа. По един или друг начин не можете да свържете лазера директно, дори ако имате драйвер. Поради тези причини се използва токов сензор което е подходящо като прост резистор. Той се поставя между лазера и водача.

Недостатък на такава връзка е фактът, че отрицателният полюс на захранването не е свързан с минуса на веригата. В допълнение, това е придружено от спад на мощността на резистора. Ето защо, преди да свържете лазера, трябва внимателно да изберете драйвера.

Видове шофьори

Обикновено се използват два типа устройства, за да се гарантира нормалната работа на лазера:

• Импулсен . Извършва се по аналогия с импулсен преобразувател на напрежение, способен да променя този параметър. Изходната мощност и входът на този драйвер са приблизително равни. Малко количество енергия се изразходва за топлина.
• Линейно . Работи по схемата, която включва честото (по-често от необходимото) подаване на напрежение към диода. За да намалите това напрежение, трябва допълнително да използвате транзистор, който преобразува излишната енергия в топлина. Поради ниската ефективност линейните драйвери не се използват широко.

връзка

Дизайнът на полупроводникови лазери предполага наличието на три извода. Средната им стойност се свързва с минус (плюс). Плюс се свързва с левия или десния крак, в зависимост от модела. За да разберете кой крак е подходящ за свързване, трябва да приложите мощност. За тази цел е подходяща 1,5-волтова батерия със съпротивление от 5 ома. Източникът минус трябва да бъде свързан със средния крак на диода, плюс плюс към десния крак, а след това към левия крак. Чрез тази селекция можете да разберете кой от страничните крака е “работещ”. По същия начин лазерът е свързан с микроконтролера.

Диодите могат да работят с батерии на мобилен телефон и батерии с пръсти. Основното нещо - не забравяйте, че трябва допълнително да се използва ограничаващ резистор от 20 ома.

Свързване с битова мрежа

За да се свържете към битова мрежа, трябва да осигурите допълнителна защита на системата от високочестотни напрежения. Резисторът и стабилизаторът създават блок, който предотвратява падането на тока. За изравняване на напрежението използвайте ценерови диоди. При правилно сглобяване лазерът ще работи стабилно и ще продължи дълго време.

Най-удобният начин за работа с червения диод е около 200 mW. Тези полупроводникови лазери оборудват компютърни дискови устройства.

Процедурата за свързване към битова мрежа:

1. Проверете работата на диода с батерия.
2. Изберете най-яркия полупроводник. Диод от компютърно устройство свети с инфрачервена светлина. В никакъв случай не може да го насочи към очите.
3. Монтирайте диода върху алуминиевата плоча, която ще служи като радиатор за охлаждане. За да направите това, той е предварително пробит отвор.
4. Разпределете пространството между термична паста между лазера и диода.
5. Свържете 5 W и 20 ohm резистор към лазера и батерията.
6. Шунтирайте диода с керамичен кондензатор. Капацитетът на последния е безпринципен.
7. Ако изключите лазера, свържете захранването и проверете работата. Трябва да се появи постоянен червен лъч.

По време на връзката си струва да си припомним сигурността и че само с висококачествени връзки всичко ще работи както трябва.

Приложение на полупроводникови лазери

Време е да разберете къде се използват тези прости, но много полезни устройства. Мощните полупроводникови лазери с високоефективна електрическа помпа се използват при умерено напрежение като средство за подаване на енергия към лазери на твърдо гориво. Те могат да работят в широк диапазон от честоти, включително видими и близки и средни инфрачервени зони на спектъра. Някои устройства могат да променят честотата на излъчване. Полупроводниковият лазер, чието устройство научихме днес, може бързо да модулира и да превключва оптичната сила. Тази характеристика се използва при производството на предаватели с оптични влакна.

Поради своите характеристики полупроводниковите лазери са най-важният клас квантови генератори.

Те се използват в такива области:

1. Производство на телеметрични сензори, оптични висотомери, мерници, далекомери, пирометри.
2. Производство на оптични системи, кохерентни комуникационни системи, както и системи за предаване и съхранение на данни.
3. Системи за сигурност, квантова криптография, автоматизация.
4. Производство на видеопроектори, лазерни принтери, лазерни указатели, скенери, CD плейъри.
5. Оптична метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, козметология, терапия.
6. Обработка на материали, пречистване на вода, контрол на химични реакции.
7. Промишлено инженерство и промишлено сортиране.
8. Производство на системи за запалване и системи за противовъздушна отбрана.