Полупроводнички ласери: типови и принципи рада

Једном је производња ласера ​​била повезана са озбиљним потешкоћама, јер је захтевала присуство малог кристала и развој кола за његов рад. За обичног човека на улици, такав задатак је био немогућ. Са развојем технологије, могућност добијања ласерског снопа, чак иу домаћим условима. Минијатурни полупроводник ласери (ласерске диоде) који се данас прилично широко производе у електронској индустрији, може генерисати стабилан ласерски зрак. Данас ћемо причати о њима.

Опште карактеристике

Полупроводнички или диодни ласери су ласери који имају појачавајућу подлогу на бази полупроводника. Генерација се јавља током међупросторног преласка електрона, уз ниску концентрацију носиоца у проводном појасу, углавном због стимулисане емисије фотона. Формално, такви ласери се могу класификовати као солид-стате, међутим, због различитог принципа рада, они се разликују у засебну групу.

Захваљујући повећаној оптичкој снази и одличним функционалним својствима полупроводника, могу се користити у мјерним уређајима повећане прецизности, не само у производњи већ иу свакодневном животу, па чак иу медицини. Полуводички ласер је основа за читање и писање компјутерских дискова. Захваљујући њему раде ласерски показивачи, мерачи нивоа, мерачи удаљености и други уређаји корисни за људе.

Појава такве електронске компоненте била је револуција у пројектовању електричних уређаја различите сложености. Греда коју формирају велике снаге користе се у медицини приликом извођења свих врста хируршких захвата, укључујући и обнову вида. Ласерски сноп је способан да кратко време изврши корекцију сочива ока.

У свакодневном животу и индустрији, употреба полупроводничког ласера ​​се углавном повезује мерни уређаји. Снага таквих уређаја може да варира у веома широком опсегу. Према томе, снага од 8 вати довољна је за састављање преносивог мерача нивоа у животним условима. У том случају, уређај ће радити поуздано и створити дугачки ласерски зрак. Иначе, преношење таквог снопа у очи је опасно, јер на малој удаљености може оштетити мека ткива.

Принцип рада полупроводничког ласера

Код ЛЕД диода, главни извор енергије је процес спонтаног зрачења. Његова суштина је да се на аноду примени позитиван набој, а диода се помера у правцу напред. У овом случају, рупе се убризгавају из региона п у регион н п - н споја, и од региона н до региона п полупроводника. Због тога се такви уређаји често називају ињекционим полуводичким ласерима. Када су рупа и електрон једно поред другог, они рекомбинују, емитујући енергију фотона са специфичном таласном дужином и фононом.

У неким случајевима, електрон и рупа могу бити на истом месту дуго времена (микросекунде) пре рекомбинације. Ако у овом тренутку прође близу њих фотон са резонантном фреквенцијом, онда ће доћи до присилне рекомбинације са ослобађањем другог фотона. Он ће имати исти правац, фазни и поларизациони вектор као први фотон.

Полупроводнички кристал је танка правоугаона плоча. Заправо, он служи као оптички таласовод, у којем је количина зрачења ограничена. Површински слој кристала може се модификовати, стварајући регион н. Доњи слој служи за формирање региона р.

Резултат је пн спој, који има раван облик и велику површину. Пар бочних крајева кристала је подвргнут полирању, с циљем стварања паралелних глатких површина које чине оптички резонатор. Случајни фотон пролази кроз читав оптички водовод окомито на раван спонтане емисије. Пре него што изађе ван, она се неколико пута рефлектује са крајева и, пролазећи дуж резонатора, ствара присилну рекомбинацију, стварајући нове фотоне са истим карактеристикама. Тако се радијација појачава. У тренутку када добитак почне да прелази губитак, појављује се сноп.

Постоје различити типови полупроводничких ласера. Њихов главни број се изводи на посебно танком слоју. Њихова структура омогућава да се формира само паралелно зрачење. Међутим, ако је таласовод широк у односу на таласну дужину, он ће радити у различитим трансверзалним режимима. Такве диоде се називају мулти-хоме. Употреба ових ласера ​​омогућава вам да створите повећану снагу зрачења без одговарајуће конвергенције снопа. Нека његова дисперзија је дозвољена. Овај ефекат се користи за "пумпање" других ласера ​​у ласерске штампаче и хемијску производњу. Међутим, ако постоји потреба за специфичним фокусирањем снопа, таласовод је такве ширине која може бити упоредива са таласном дужином.

У овом другом случају, ширина снопа ће зависити од граница наметнутих рефракцијом. Инструменти који раде на овом принципу користе се у оптичким уређајима за складиштење, ласерским показивачима и оптичкој технологији. Важно је напоменути да они не могу подржати више уздужних режима и створити сноп на различитим симултаним таласним дужинама. На дужину греде утиче забрањена зона која се налази између енергетских нивоа п и н региона.

Пошто је компонента која зрачи врло танка, ласерски сноп се одмах дивергира на излазу. За компензацију дивергенције полупроводничког ласера ​​и стварање танког снопа се користе прикупљање лећа. Цилиндрични објективи се користе у вишеструким уређајима. Код ласера ​​са једним сочивом који користе симетрична сочива, сноп ће имати елиптичан облик, јер вертикална дивергенција премашује његову величину у хоризонталној равни. Добар доказ за то је ласерски показивач.

Класификација

Полупроводнички ласери, чија је физика разматрана горе, имају н-п структуру. Они имају ниску ефикасност, захтевају велику снагу на улазу и раде искључиво у пулсном режиму. Због брзог прегријавања, не могу радити другачије. У том смислу, опсег таквих ласера ​​је ограничен. На њиховој основи креирани су уређаји са импресивнијим параметрима. Размотрите типове полупроводничких ласера.

Доубле Хетеро Ласер

Структура овог уређаја даје слој супстанце са уском зоном забране. Налази се између материјала у којима је ова зона много шира. По правилу, за производњу таквих ласера ​​користе се арсенид галијум и алуминијум галијум. Таква једињења се називају хетероструктуре.

Предност овог полупроводничког ласера ​​је у томе што је активни регион (подручје електрона и рупа) у средњем слоју. Из тога следи да се сила ствара много већим бројем парова електрона и рупа. У области са мало труда, ови парови су скоро нестали. Поред тога, светлост се рефлектује од хетеројункција. Дакле, зрачење је у потпуности у области најефикаснијег напора.

Ласерски квантни бунар

Када је средњи слој диоде тањи, он почиње да ради као квантна бунара. Стога се енергија електрона квантизује вертикално. Разлика између количине енергије квантних бунара се користи за формирање зрачења, умјесто баријере. Ово је веома ефикасно у смислу контроле таласа греде, која директно зависи од дебљине средњег слоја. Овај тип ласера ​​је много продуктивнији од једнослојног аналогног, јер је у њему густина електрона и рупа равномерније распоређена.

Хетероструктурирани ласер са одвојеним задржавањем

Главна карактеристика танкослојног ласера ​​је да није у стању да ефикасно држи светлосни сноп. Да би се решио овај проблем, на обе стране кристала, примењује се пар додатних слојева који имају мању рефракцију од централних слојева. Таква структура личи на светлосни водич. Он држи сноп много ефикасније и назива се хетероструктура са одвојеним држањем. Полупроводнички ласер је масовно произведен 2000. године.

Феедбацк Ласерс

Овај дизајн се углавном користи за оптичке комуникације. Да би се стабилизовао талас, примењен је попречни зарез на пн споју, као резултат тога дифракциона решетка. Због тога се само једна таласна дужина враћа у резонатор, који је појачан у њему. У полуводичким ласерима са повратном везом, талас има константну дужину, која се одређује висином самог зареза. Под утицајем температуре могуће је мењати зарезе Принцип рада полупроводничких ласера ​​овог модела је основа телекомуникационих оптичких система.

ВЦСЕЛ и ВЕЦСЕЛ

ВЦСЕЛ је ласерски модел са површинским емитовањем са вертикалним резонатором који емитује светлост у правцу који је окомит на раван кристала, док је емисија конвенционалних ласерских диода паралелна овој равни.

ВЕЦСЕЛ се разликује од претходног модела само по томе што има екстерни резонатор и може се изводити са струјним или оптичким пумпањем.

Пулсе оутпут

Принцип рада полупроводничког ласера ​​укључује стварање континуираног снопа. Због чињенице да електрони дуже вријеме не остају на нивоу проводљивости, такви уређаји су непогодни за генерисање К-комутираног импулса. Ипак, захваљујући употреби квази-непрекидног начина рада, могуће је значајно повећати снагу квантног генератора. Осим тога, ласерске диоде се могу користити у случајевима када је потребно формирати ултракратки пулс са укључивањем коефицијента силе или блокирања мода. Снага кратких импулса је обично ограничена на неколико мВ. Једини изузетак су ВЕЦСЕЛ ласери, чији се излаз мери у вишеструким високофреквентним импулсима.

Кућишта за полуводичке ласере

Како су се ласерске диоде шириле, растао је низ случајева, од којих је сваки дизајниран за одређени тип посла. Нема званичних стандарда у овом правцу, али велики произвођачи често склапају споразуме о уједињењу својих производа. Постоје и услуге за паковање ласера ​​према индивидуалним захтевима купаца. Дакле, пописивање свих врста ограђених простора, ако је могуће, је прилично проблематично.

Пиноут контаката у сваком случају може бити јединствен, тако да увијек треба одредити распоред пин прије купње. Поред тога, вреди напоменути да изглед случаја нема увек директну корелацију са таласном дужином.

Ласерски модул се састоји од следећих елемената:

1. Емиттер.
2. Пелтиер елемент.
3. Тхермистор
4. Пхотодиоде.
5. Оптички изолатор.
6. Цоллатинг ленс.

Укратко анализирајте моделе зграда које су најчешће.

Са излазним зрачењем

ТО - ЦАН . Овај тип кућишта је дизајниран тако да емитује мале и средње снаге снаге (до 250 мВ), јер нема посебне површине за дисипацију топлоте. Његова величина варира од 4 до 10 мм, а број ногу од 3 до 4. Могу се мијењати на различите начине, формирајући 8 типова пиноута.

Мање су популарне љуске са излазним зрачењем, Ц-МОУНТ и Д-МОУНТ модели.

Са излазом влакана

Ово су следећи типови:

• ДИЛ . Ово кућиште је дизајнирано за ласере снаге више од 10 мВ, чија површина није довољна за уклањање топлоте. Ефикасније хлађење се врши помоћу интегрисаног Пелтиер хладњака. Преноси топлоту на ивицу алуминијумског кућишта насупрот излазу влакана. Постављањем ногу у два реда са нагибом од 2,5 мм, заједно са лемљењем, можете користити одвојиви електрични прикључак.
• ДБУТ - Дуал-Буттерфли. Ово је најпопуларнији случај за полупроводничке ласере до 10-800 мВ. Главна предност овог модела је ефикасније одвођење топлоте због повећане контактне површине Пелтиер елемента са ласерским модулом. Доња површина уређаја је главна у смислу преноса топлоте. Електрични прикључци се налазе на бочним странама, што компликује прикључак модула са управљачком плочом.
• СБУТ - Сингле-Буттерфли. То је једнострана верзија претходног случаја. Пошто је број пинова преполовљен, не постоји могућност коришћења интерног фотодиода.

Возачи

Полупроводнички ласер се користи у многим уређајима који захтевају правац светлосног снопа. Правилно повезивање је најважнија тачка у монтажи уређаја.

Ласер се разликује од Лед-модела по присуству минијатурног кристала. Има много снаге и високог напона, што може онемогућити уређај. Да би се олакшао рад полупроводничког ласера, користити специјалне склопове уређаја, који се називају управљачки програми.

Ласери требају стабилан извор напајања. Међутим, неки модели са црвеним снопом могу нормално радити са нестабилном мрежом. На овај или онај начин не можете директно повезати ласер, чак и ако имате возача. Из тих разлога се користи струјни сензор који је погодан као једноставан отпорник. Налази се између ласера ​​и возача.

Недостатак овакве везе је чињеница да негативни пол напајања није повезан са минусом струјног круга. Поред тога, то је праћено падом снаге на отпорнику. Зато, пре него што спојите ласер, морате пажљиво одабрати управљачки програм.

Врсте возача

Обично се користе два типа уређаја како би се осигурао нормалан рад ласера:

• Пулсед . Изводи се по аналогији са импулсним претварачем напона који може варирати овај параметар. Излазна снага и улаз овог драјвера су приближно једнаки. Мала количина енергије се троши на топлоту.
• Линеар . Ради по схеми, која подразумева честе (чешће него неопходно) напајање диодом. Да бисте смањили овај напон, морате додатно користити транзистор који претвара вишак енергије у топлоту. Због ниске ефикасности, линеарни драјвери нису широко распрострањени.

Цоннецтион

Дизајн полупроводничког ласера ​​претпоставља постојање три закључка. Просек се повезује са минусом (плус). Плус се повезује са левом или десном ногом, у зависности од модела. Да бисте сазнали која је нога погодна за повезивање, морате примијенити снагу. За то је прикладна 1,5 волтна батерија са отпорношћу од 5 ома. Извор минус мора бити повезан са средњим крајем диоде, плус плус на десној нози, а затим на лијеву ногу. Кроз ову селекцију можете сазнати која од ножица је “радна”. На исти начин је и ласер прикључен на микроконтролер.

Диоде могу радити на батерији мобилног телефона и батеријама прстију. Главна ствар - не заборавите да морате додатно користити ограничавајући отпорник од 20 охма.

Повезивање са кућном мрежом

Да бисте се повезали са кућном мрежом, морате додатно да обезбедите систем од високофреквентних напонских шиљака. Отпорник и стабилизатор стварају блок који спречава пад струје. Да бисте изједначили напон, користите зенер диоду. Уз правилну монтажу, ласер ће радити стабилно и дуго ће трајати.

Најпогоднији начин рада са црвеном диодом је око 200 мВ. Ови полупроводнички ласери опремају компјутерске дискове.

Процедура за повезивање са кућном мрежом:

1. Проверите рад диоде са батеријом.
2. Изаберите најсветлији полупроводник. Диода узета из компјутерског погона блиста инфрацрвеном светлошћу. Ни у ком случају га не може усмјерити према очима.
3. Монтирајте диоду на алуминијску плочу, која ће служити као хладњак за хлађење. Да бисте то урадили, она је претходно избушена рупа.
4. Проширите простор термалне пасте између ласера ​​и диоде.
5. Спојите отпорник 5 В и 20 Охм на ласер и батерију.
6. Склопите диоду са керамичким кондензатором. Капацитет овог другог је непринципијелан.
7. Искључивањем ласера ​​повежите напајање и проверите рад. Требало би да се појави сталан црвени зрак.

Приликом повезивања треба се сетити сигурности и да ће само уз квалитетне везе све радити како треба.

Примена полуводичких ласера

Време је да сазнате где се користе ти једноставни али веома корисни уређаји. Снажни полупроводнички ласери са високо ефикасном електричном пумпом користе се при умјереном напону као средство за добаву енергије крутим горивима. Могу радити у широком распону фреквенција, укључујући видљиве и блиске и средње инфрацрвене зоне спектра. Неки уређаји могу промијенити фреквенцију зрачења. Полупроводнички ласер, за који смо данас научили, може брзо да модулира и пребацује оптичку снагу. Ова особина се користи у производњи оптичких предајника.

Због својих карактеристика полуводички ласери су далеко најважнија класа квантних генератора.

Користе се у таквим областима:

1. Производња телеметријских сензора, оптичких висиномјера, нишана, даљиномера, пирометара.
2. Производња оптичких система, кохерентних комуникационих система, као и система за пренос и складиштење података.
3. Сигурносни системи, квантна криптографија, аутоматизација.
4. Производња видео пројектора, ласерских штампача, ласерских показивача, скенера, ЦД плејера.
5. Оптичка метрологија и спектроскопија, хирургија, стоматологија, козметологија, терапија.
6. Обрада материјала, пречишћавање воде, контрола хемијских реакција.
7. Индустријско инжењерство и индустријско сортирање.
8. Производња система паљења и система противваздушне одбране.