Источник тока для полупроводникового лазера

Применение полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры — это класс лазеров, которые раньше созрели и развивались быстрее благодаря широкому диапазону длин волн, простоте производства, низкой стоимости, легкости массового производства, а также из-за небольшого размера, легкого веса и длительного срока службы.

Таким образом, его разнообразие быстрого развития, диапазон приложений в настоящее время насчитывает более 300 видов.

1. Применение в промышленности и технологиях

1) Волоконно-оптическая связь
Полупроводниковые лазеры — единственный практический источник света для волоконно-оптических систем связи, а волоконно-оптическая связь стала основным направлением современных коммуникационных технологий.

2) Доступ к оптическому диску
Полупроводниковые лазеры используются для запоминающих устройств на оптических дисках, и их самым большим преимуществом является большой объем хранимой звуковой, текстовой и графической информации.
Использование синих и зеленых лазеров может значительно улучшить плотность хранения оптических дисков.

3) Спектральный анализ
Перестраиваемые полупроводниковые лазеры в дальнем инфракрасном диапазоне используются для анализа газов в окружающей среде, мониторинга загрязнения атмосферы, автомобильных выхлопов и т.д.
В промышленности его можно использовать для контроля процесса выпадения паровой фазы.

4) Оптическая обработка информации
Полупроводниковые лазеры используются в оптических системах управления информацией.
Полупроводниковые лазеры с поверхностным излучением 2D-матрицы являются идеальными источниками света для оптических систем параллельной обработки и будут использоваться в компьютерах и оптических нейронных сетях.

5) Лазерное микротехнологии
Полупроводниковые лазеры с модуляцией добротности производят высокоэнергетические сверхкороткие световые ходы для резки и штамповки интегральных схем.

6) Лазерная сигнализация
Сигнализаторы с полупроводниковым лазером используются в широком спектре приложений, включая охранную сигнализацию, сигнализацию уровня воды, сигнализацию расстояния в автомобиле и т.д.

7) Лазерные принтеры
Полупроводниковые лазеры большой мощности используются в лазерных принтерах.
Использование синего и зеленого лазера может значительно улучшить скорость и разрешение печати.

8) Лазерный сканер штрих-кода
Полупроводниковые лазерные сканеры штрих-кода широко используются для мерчендайзинга, а также для управления книгами и файлами.

9) Твердотельные лазеры с накачкой
Это важное применение мощного полупроводникового лазера, его использование вместо оригинальной атмосферной лампы может составить полностью твердотельную лазерную систему.

10) Лазерный телевизор высокой четкости
В ближайшем будущем на рынок могут появиться полупроводниковые лазерные телевизоры без электронно-лучевых трубок, в которых используются красный, синий и зеленый лазеры, и, по оценкам, они потребляют на 20% меньше энергии, чем существующие телевизоры.

2. Применение в медицинских и медико-биологических исследованиях

1) Лечение лазерной хирургии
Полупроводниковый лазер использовался для иссечения мягких тканей, их соединения, коагуляции и вапоризации. Он широко используется в общей хирургии, пластической хирургии, дерматологии, урологии, акушерстве и гинекологии и т.д.

2) Лазерная кинетическая обработка
Фоточувствительные вещества, обладающие сродством к опухолям, избирательно собираются в раковых тканях и облучаются полупроводниковым лазером для образования активных форм кислорода в раковых тканях, направленных на некроз без какого-либо повреждения здоровых тканей.

3) Исследования в области наук о жизни
Использование полупроводникового лазера «оптического пинцета», который может захватывать живые клетки или хромосомы и перемещать их в любое место, использовалось для стимулирования синтеза клеток, взаимодействия клеток и других исследований, а также в качестве диагностического метода для судебной экспертизы.

Типы корпусов для лазерных диодов

Широкое распространение лазерных диодов привело к появлению большого разнообразия корпусов, специализированных для определенных применений. Официальных стандартов по данному вопросу не существует, однако иногда крупные производители заключают соглашения об унификации корпусов. Кроме того существуют услуги по корпусированию излучателей по требованиям заказчика, поэтому перечислить все разнообразие корпусов затруднительно (miniBUT, miniDIL и т.д.). Точно также и распиновка контактов в знакомом корпусе может оказаться уникальной, поэтому назначение пинов перед покупкой у нового производителя всегда следует перепроверять. Также не следует ассоциировать внешний вид с длиной волны излучения, т.к. на практике излучатель с практически любой (в рамках ряда) длиной волны может быть установлен в любой из корпусов. Основные элементы лазерного модуля:

  • излучатель
  • термистор
  • элемент Пельтье
  • фотодиод
  • коллимирующая линза
  • оптический изолятор

Ниже перечислены корпуса, наиболее распространенные среди производителей.

С открытым излучением на выходе

TO-CAN

Корпусы данного типа предназначены для малого и среднего диапазона мощности излучения (до 250 мВт), т.к. не обладают специализированными теплоотводными поверхностями. Размеры варьируются от 3,8 до 10 мм. Число ножек от 3 до 4, коммутированы они могут быть различным образом, приводя в 8 типам распиновок.

DIL — Dual-In-Line

Лазерный диод в корпусе DIL и FC/APC коннектором

Лазерный диод в корпусе DIL — вид снизу

Использование данного корпуса обосновано для мощностей более 10 мВт (для различных длин волн это значение заметно варьируется), когда площади поверхности полупроводника недостаточно для отведения тепла. Более эффективный отвод тепла достигается за счет использования встроенного холодильника Пельтье, отводя тепло на противоположную по отношению к волоконному выходу грань алюминиевого корпуса. Пока температура корпуса при эксплуатации не изменяется, естественного воздушного охлаждения с поверхности достаточно. Для более мощных применений на основной теплоотводящей поверхности (противолежащей от волоконного выхода) устанавливают радиатор, для закрепления которого на корпусе предусмотрены ушки. Расположение ножек в 2 ряда с шагом 2,54 мм позволяет наряду с впаиванием использовать разъемные электрические соединения — колодка для электронных компонентов в корпусах DIP и колодка нулевого усилия ZIF.

DBUT — Dual-Butterfly

Самый распространненый корпус для лазерных диодов с мощностями от 10 мВт до 800 мВт и более. Основное отличие-преимущество перед DIL-корпусом — более эффективный теплоотвод за счет увеличенной площади контакта элемента Пельтье с корпусом лазерного модуля — основной теплоотводящей поверхностью является нижняя. Для этого электрические выводы были перенесены на боковые грани, что усложняет организацию разъемного соединения лазерного модуля с платой управления.

SBUT — Single-Butterfly

Односторонний вариант полного BUTTERFLY корпуса. Из-за вдвое меньшего количества выводов, отсутствует возможность использовать внутренний фотодиод.

Применение лазеров

Свойства лазерного излучения уникальны. Это превратило лазеры в незаменимый для самых различных областей науки и техники инструмент. Кроме этого, лазеры широко используются в медицине, в быту, в индустрии развлечений, в сфере транспорта.

Технологические лазеры

  • Благодаря огромной мощности лазеры непрерывного действия активно используются для того, чтобы разрезать, сваривать или спаивать детали, изготовленные из самых различных материалов. При высокой температуре лазерного излучения становится возможным сваривать даже те материалы, которые нельзя соединить между собой другими методами. Например, сваривание металла и керамики для получения нового материала — металлокерамики, обладающего уникальными свойствами.
  • Для того чтобы изготовить микросхемы, используется лазерный луч, который способен сфокусироваться в одну мизерную точку, имеющую диаметр порядка микрона.
  • Еще одно замечательное свойство лазерного луча — его идеальная прямота. Это позволяет использовать его как самую точную линейку в строительстве. Также в строительстве и геодезии при помощи импульсных лазеров производят измерения огромных расстояний на местности, засекая время, за которое световой импульс продвигается от одной точки до другой.

Лазерная связь

Появившиеся лазеры вывели на принципиально новый уровень технику связи и записи информации.

Радиосвязь, развиваясь, постепенно переходила на все более короткие длины волн, поскольку было доказано, что высокие частоты (с наименьшей длиной волны) предоставляют каналу связи наибольшую пропускную способность. Настоящим прорывом стало понимание того, что свет — это такая же электромагнитная волна, просто короче во множество десятков тысяч раз. Следовательно, через лазерный луч возможно передавать объем информации, в десятки тысяч раз превосходящий объем, передаваемый высокочастотными радиоканалами. В результате этого были усовершенствованы различные виды связи по всему миру.

Также при помощи луча лазера записываются и воспроизводятся компакт-диски со звуками — музыкой, и изображениями — фото и фильмами. Индустрия звукозаписи, получив такой инструмент, сделала гигантский шаг вперед.

Применение лазеров в медицине

Лазерные технологии широко применяются как в хирургии, так и в терапевтических целях.

  • Например, благодаря его уникальным возможностям, луч лазера возможно легко ввести сквозь глазной зрачок и «приварить» отслоившуюся сетчатку, исправить в труднодоступной области глазного дна существующие дефекты.
  • В современной хирургии при сложных операциях используется лазерный скальпель, который минимизирует повреждение живых тканей.
  • Лазерное излучение небольшой мощности ускоряет регенерацию поврежденных тканей. Оно также оказывает воздействие, по свойствам похожее на иглоукалывание, практикуемое восточной медициной, — лазерная акупунктура.
  • В косметологии активно используются диодные и пикосекундные лазеры.

История полупроводниковых лазеров

Полупроводниковые лазеры начала 1960-х годов были лазерами с однородным переходом, которые представляли собой диоды с pn переходом, изготовленные из единого материала.

При прямой сильноточной инжекции электроны непрерывно инжектировались в p-область, а дырки непрерывно инжектировались в n-область.

В результате распределение носителей меняется на противоположное в исходной зоне обеднения pn-перехода, и поскольку скорость миграции электронов выше скорости миграции дырок, в активной зоне происходит излучение и компаундирование, испускающее флуоресценцию, и при определенных условиях лазер происходит, который представляет собой полупроводниковый лазер, который может работать только в виде импульса.

Второй этап развития полупроводникового лазера — это полупроводниковый лазер с гетероструктурой, который состоит из двух различных тонких слоев полупроводникового материала с шириной запрещенной зоны, таких как GaAs, GaAlAs, первый из которых представляет собой одиночный гетероструктурный лазер (1969 г.).

Инжекционные лазеры на одиночном гетеропереходе в p-зоне перехода GaAsP-N для снижения пороговой плотности тока, значение которой на порядок ниже, чем у лазеров на гомопереходе, но лазеры на одиночном гетеропереходе по-прежнему не могут работать непрерывно при комнатная температура.

С конца 1970-х годов полупроводниковые лазеры явно развивались в двух направлениях: одно — это информационные лазеры для передачи информации, а второе — мощные лазеры для увеличения оптической мощности.

Управляемый такими приложениями, как твердотельные лазеры с накачкой, мощные полупроводниковые лазеры (непрерывная выходная мощность 100 мВт или более, импульсная выходная мощность 5 Вт или более, можно назвать мощными полупроводниковыми лазерами).

В 1990-е гг. Был совершен прорыв, ознаменовавшийся значительным увеличением выходной мощности полупроводниковых лазеров, были внедрены зарубежные мощные полупроводниковые лазеры киловаттного класса, мощность отечественных образцов устройств достигла 600Вт.

Если мы посмотрим на расширение длин волн лазеров, то сначала инфракрасный полупроводниковый лазер, а затем красный полупроводниковый лазер с длиной волны 670 нм в большом количестве применений, а затем внедрение сине-зеленых, синих полупроводниковых лазеров с длинами волн 650 нм, 635 нм. успешно разработали фиолетовые и даже ультрафиолетовые полупроводниковые лазеры мощностью 10 мВт, но также и в интенсивном развитии.

В конце 1990-х было рассмотрено быстрое развитие лазеров с поверхностным излучением и лазеров с вертикальным резонатором для различных применений в ультрапараллельной оптоэлектронике.

Устройства на 980 нм, 850 нм и 780 нм стали применяться в оптических системах.
В настоящее время лазеры с вертикальным резонатором используются в высокоскоростных сетях Gigabit Ethernet.

Полупроводниковый лазер: особенности


DIV (полупроводниковый лазер)

Полупроводниковый лазер — это сегмент бытового оборудования. В качестве излучателя выступает лазерный диод.

Основные характеристики, которые полезно знать о бытовых DIY-лазерах, используемых для гравировки:

      • длина волны — 450 нм (сине-фиолетовый цвет);
      • номинальная мощность (от 0,5 до 15 Вт);
      • и вытекающая из этих характеристик область применения (не для промышленного использования).

Типичная формулировка — «для хобби, мелких гравировальных работ«, или более туманно «хороший помощник в гараже».

Ограниченность области и масштабов использования этого типа излучателя (рабочее поле комбинированных станков редко превышает 300х300 мм, у «чистых» граверов — чуть больше) объясняется малой мощностью (на что способен такой тип лазера, см.ниже), ограниченным ресурсом (заявленные китайцами 10000 ч), длиной волны. Прозрачные материалы (стекло, оргстекло и т.д.) пропускают волну 450 нм, поэтому резать их DIV-излучателем не получится (для гравировки используют непрозрачное покрытие).

Всему этому функционалу соответствует и тип управляющей платы с предустановленными драйверами под двигатели малой мощности (Nema17) 1,3-1,8А и блоком питания до 5А.

Полупроводниковый лазер представляет собой отдельный небольшой модуль со встроенной системой охлаждения (как правило — кулером), что делает его эргономичным и мобильным. Поэтому выпускают станки с комбинированной крепежной муфтой на оси Z, в которую можно быстро вставить шпиндель или так же быстро заменить его лазерным модулем. Именно полупроводниковый лазер входит в комплект (или предусмотрена возможность его монтажа) комбинированных фрезерно-гравировальных настольных станков. Под такие задачи делают и платы управления, в которые впаяны драйвера для шаговых двигателей и отдельные разъемы для подключения шпинделя и полупроводникового лазера:


Плата GRBLMega328P-MU-V11

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.

Рис з Схема простейшего  драйвера лазерного 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.

4.3.3 Устройство ЛД

Наиболее распространены на сегодняшний день ЛД с двойной гетероструктурой (ДГС), которая образована переходами типа N-p-P и P-n-N. При их изготовлении требуется тщательная отработка технологического цикла, поскольку в области переходов происходит контакт двух различных материалов, отличающихся, хотя и незначительно, строением кристал-лической решётки. От качества выращивания такой структуры в целом зависят все эксплуатационные характеристики излучателя.
За счёт применения ДГС появляется возможность:

  • увеличения эффективности инжекции;
  • увеличения внутренней квантовой эффективности;
  • уменьшения потерь излучения на поглощение в материале ЛД.

На рисунке 4.11 показана упрощённая схема ЛД на основе ДГС типа N-p-P.
Она представляет собой поперечный разрез анализируемого элемента. Как правило, в современных ЛД используется осевое излучение, при котором формируемый поток фотонов распространяется вдоль узкозонного слоя d.

Рисунок 4.11 – Структура поперечного сечения полоскового лазера типа N-p-P

Активная область представляет собой материал с более высоким значением диэлектрической проницаемости. На её границах формируемая волна может испытывать полное внутреннее отражение. Тогда активная область может быть представлена в виде отрезка диэлектрического волновода. Торцы области, выполняющие роль полупрозрачных зеркал, «превращают» активную область с волновой точки зрения в диэлектрический резонатор.
Для ВОЛС используются лазеры только полосковой геометрии. В них активная область лазера создаётся в форме полоски, заключённой внутри значительно более широкой пассивной части кристалла. Они обладают рядом важных преимуществ по сравнению с другими вариантами приборов:

  • излучение выходит через площадку малой площади, что упрощает согласование лазера со световодом;
  • лучше теплоотвод, так как активная область, в которой выделяется тепло, находится внутри более холодного неактивного полупроводника;
  • уменьшается рабочий ток лазера.

Пошаговая инструкция подсоединения

Самым удобным в плане создания лазерной установки своими руками будет красный полупроводник, имеющий выходную мощность примерно в 200 милливатт.

Обратите внимание! Именно таким полупроводником оснащен любой компьютерный DVD-проигрыватель. Это значительно упрощает поиск источника света

Подключение выглядит следующим образом:

  • для подключения необходимо использовать один полупроводник. Их обязательно нужно проверить на работоспособность (достаточно просто подключить к батарейке);
  • выбираем более яркую модель. При проверке инфракрасного светодиода (при взятии его из компьютерного проигрывателя), он будет светить слабым красным свечением. Помните, что его

ЗАПРЕЩАЕТСЯ направлять в глаза, иначе можно полностью лишиться зрения;

Проверка диода

  • далее лазер устанавливаем на самодельный радиатор. Чтобы это сделать, нужно просверлить в алюминиевой пластине (толщина примерно 4 мм) отверстие с таким диаметром, чтобы диод входил в него достаточно туго;
  • между лазером и радиатором необходимо нанести небольшой слой термопласты;
  • далее берем проволочный керамический резистор, имеющий сопротивление 20 Ом с мощностью в 5 Вт и соблюдая полярность подключаем его к схеме. Через него нужно подключить лазер и источник питания (мобильный аккумулятор или батарейку);
  • сам лазер следует зашунтовать с помощью керамического конденсатора, имеющего любую емкость;
  • далее отворачивая устройство от себя, следует подключить его к сети питания. В результате должен включить красный луч.

Красный луч от самодельного устройства

После этого его можно сфокусировать при помощи двояковыпуклой линзы. Сфокусируйте его на несколько секунд в одной точке на бумаге, которая поглощает красный спектр. Лазер на ней оставит красный свет.Как видите, получилось работающее устройство, которое подключено к сети в 220 В. Используя различные схемы и варианты подключения, можно создать разные приспособления, вплоть до карманной лазерной указки.

Подключая лазерный диод, необходимо помнить о безопасном обращении с ним, а также знать нюансы, которые присутствуют в его работе. После этого останется только подобрать понравившуюся схему и подключить полупроводник. Главное помните, что все контакты должны быть хорошо запаяны, иначе деталь может перегореть в процессе работы.

Кто изобрел лазер?

Первые открытия, подарившие человечеству лазер, были сделаны еще на заре XX века.

Эйнштейн

Еще в 1917 году Альберт Эйнштейн написал революционную работу, в которой заложил основы квантово-механического принципа действия лазера. Революционность заключалась в том, что автор предсказал абсолютно новое явление в физике — вынужденное излучение. Из теории Эйнштейна следует, что свет может излучаться и поглощаться не только спонтанно. Существует также возможность вынужденного (или стимулированного) излучения. Это значит, что возможно «принудить» электроны излучать свет необходимой длины волны в одно и то же время.

Майман

Реализовать эту идею на практике удалось только в 60-е годы двадцатого века. Самый первый лазер создал калифорнийский физик Теодор Майман 16 мая 1960 года. В работе этого лазера использовались кристалл рубина и резонатор Фабри — Перо. Лампа-вспышка являлась источником накачки. Работа лазера была импульсной, волна имела длину 694,3 нм.

Басов, Прохоров и Таунс

В 1952 году академики из СССР Николай Басов и Александр Прохоров рассказали всему миру, что возможно создание микроволнового лазера, работающего на аммиаке. Эта же идея параллельно и независимо развивалась физиком из Америки Чарлзом Таунсом. Он создал и показал, как работает такой лазер, в 1954 году. Спустя десятилетие, в 1964 году, все трое удостоились за эти достижения Нобелевской премии по физике.

Наши дни

Сегодня мы можем наблюдать очень интенсивное развитие лазеров. Практически ежегодно изобретаются новые их виды — химические, эксимерные, полупроводниковые, лазеры на свободных электронах.

Практический тест ИК-диода?

Мы рассмотрим использование ИК-диода в одной из следующих наших статей, потому что для того, чтобы сделать это правильно, нам нужно собрать определенную схему. Однако в рамках данного теста вы можете подключить такой диод к источнику питания — как обычный светодиод, например, через резистор 1 кОм.

Схема простого тестера ИК-диодов

На практике такая система может выглядеть так:

Схема на макетной платеИК-диод на практике

Если схема правильно собрана, то после включения питания… ничего не произойдет. То есть, диод будет светить, но невооруженным глазом мы этого не увидим. Однако мы можем видеть, что диод горит, когда мы посмотрим на него, например, используя цифровую камеру на телефоне или веб-камеру, встроенную в ноутбук.

В некоторые цифровые камеры могут быть встроены специальные фильтры, чтобы вы не видели инфракрасное излучение.
ИК-светодиод светит — видно через цифровую камеруНе видно свечение ИК-светодиода через цифровую камеру с установленным  фильтром

Направив объектив телефона прямо на диод, вы должны увидеть, что светодиод светится фиолетовым светом. Камера видит инфракрасный свет, в отличие от человеческого глаза.

Этот же метод можно использовать, например, для проверки того, работает ли пульт дистанционного управления от телевизора (то есть, действительно ли он отправляет данные).

Как было сказано ранее, мы еще вернемся к теме использования ИК-светодиодов. Однако сначала нам нужно узнать, среди прочего, про интегрированные инфракрасные приемники.

Выводы

Мы нисколько не преувеличиваем, когда говорим, что, появившись в середине XX века, лазеры сыграли в нашей жизни такую же значимую роль, как электричество и радио. Лазер проник практически во все области деятельности человека, и если вдруг изъять его, то мир перестанет быть таким привычным и комфортным. Даже текст этой статьи, читаемый вами сегодня с компьютера или смартфона, доступен благодаря полупроводниковым лазерам, активно используемым в новейших оптических средствах связи. Без лазеров невозможно представить компьютеры, а значит, и огромный пласт современной жизни человека. Будучи очень интересно устроенным, лазер открывает перед современной наукой новые перспективы развития. Свойства его невероятно многогранны, и можно смело сказать, что лазерный луч высвечивает себе путь абсолютно во всех сферах человеческой жизни, делая ее качественнее и счастливее!

Поделитесь в социальных сетях:FacebookTwitterВКонтакте
Напишите комментарий

Adblock
detector