Меню

Мощность излучения полупроводникового лазера

4.3 ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ДИОДЫ (ЛД)

Полупроводниковый лазерный диод – это излучающий полу-проводниковый прибор с двойным гетеропереходом, преобразующий электрическую энергию в энергию индуцированного, поляризованного светового излучения с высокой степенью когерентности.
Полупроводниковый лазер – одно из лучших прикладных достижений физики конца ХХ века. В этом приборе удалось достичь удобного и эффективного прямого преобразования электрической энергии в энергию когерентного светового излучения. Впервые использовать полупроводниковые материалы для создания лазеров предложили в 1961 г. советские учёные Н.Г.Басов, Ю.М.Попов и О.Н.Крохин. В 1964г. за фундаментальные исследования, приведшие к созданию полупроводниковых квантовых генераторов, группе советских учённых была присуждена Государственная премия.
Полупроводниковые лазеры, изготовленные на основе двойного гетероперехода, были впервые предложены в СССР Жоресом Ивановичем Алфёровым. Основное различие между СИД и ЛД состоит в том, что излучение в СИД спонтанное и некогерентное, а в ЛД индуцированное и когерентное. Чтобы лазерный диод стал генерировать когерентное оптическое излучение необходимо произвести инверсию населённостей уровней и поместить его в резонатор, обеспечивающий необходимую положительную оптическую обратную связь.

4.З.1 Инверсия населённостей

Фотон с энергией Е2 – Е1 может с равной вероятностью инициировать как переход Е1 → Е2 , так и переход Е2 → Е1 . Всё дело в том, на каком энергетическом уровне находится взаимодействующий с фотоном активный центр. Если на нижнем рабочем уровне (Е1) находится больше активных центров, чем на верхнем уровне (Е2), то будут преобладать процессы поглощения света. Если же, наоборот, на уровне Е1 находится меньше активных центров, чем на уровне Е2, то будут преобладать процессы вынужденного испускания света.
Нам важно, чтобы преобладали процессы вынужденного испускания света. Следовательно, необходимо, чтобы населённость верхнего рабочего уровня n2 оказалась выше населённости нижнего уровня n2, т.е. чтобы выполнялось условие

называемое условием инверсии (обращения) населённостей рабочих уровней.
Активную среду, для активных центров которой выполняется условие инверсии, называют инвертированной активной средой.
Инверсию населённостей, в данном случае, производят током накачки IН.

4.3.2 Принцип действия ЛД

Для создания оптического генератора необходимо, как и для обычного генератора радиодиапазона, ввести положительную обратную связь и выполнить амплитудные и фазовые условия.
Простое повышение тока накачки до уровня создания инверсии населённостей ещё не обеспечит генерацию. В этом случае для появления индуцированного излучения необходимо в область обеднённого слоя ввести внешний сигнал – поток фотонов с заданной энергией, который индуцирует начало процесса формирования монохроматической волны. Таким потоком фотонов может быть поток спонтанных фотонов.
Поскольку энергия фотонов вынужденного излучения равна энергии первоначальных спонтанных фотонов, то их длины волн также равны. Таким образом, спонтанные фотоны рождают подобные себе вынужденные фотоны: они имеют те же длины волн, фазы и направление распространения, что и спонтанные фотоны. Другими словами, падающий спонтанный фотон приводит к излучению ещё одного такого же фотона. При многократном повторении этого процесса число фотонов растёт лавинообразно, и излучение усиливается. Такое устройство при наличии инверсии населённостей будет выполнять функции оптического генератора.
Положительная обратная связь. Упрощённая физическая модель лазера приведена на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 – Упрощённая физическая модель лазера

Активная область (АО), т.е. область, в которой реализуется инверсия населённостей, заключена между двумя зеркалами 3, которые отражают часть потока фотонов и возвращают её в активную область. Этим обеспечивается положительная обратная связь по оптической мощности. Зеркала 3 представляют собой оптический открытый резонатор Фабри-Перо. Одно из зеркал должно быть полупрозрачным.
Резонатор имеет характеристические резонансные частоты, генерируемые двухуровневой системой. Устанавливается равновесная плотность оптической мощности на каждой резонансной частоте, соответствующая равенству потерь и усиления на проход. В понятие потерь включена и та часть оптической мощности, которая проходит сквозь полупрозрачное зеркало и образует выходной лазерный пучок. Самовозбуждение не может начаться, пока усиление не превысит потери, которые возникают вследствие поглощения света в среде, находящейся внутри резонатора, или рассеяния части излучения через боковую поверхность.
Амплитудное условие. Достаточно сильный ток накачки IН создаёт инверсную населённость уровней. Инверсная населенность представляет собой состояние, когда на верхнем уровне населённость электронов больше, чем на нижнем. При наличии инверсной населённости более вероятен процесс стимулированного излучения другого фотона. Для работы лазера требуется, чтобы усиление превысило потери, что достигается при превышении током накачки IН некоторого порогового значения IП (IН > IП).
Источник тока накачки IН создаёт необходимую концентрацию носителей в обеднённом слое – почти все нижние уровни зоны проводимости заселяются электронами, а почти все верхние уровни валентной зоны свободны (заполнены дырками). Вероятность излучательной рекомбинации велика, что обеспечивает выполнение условия превышения усиления над потерями.
Фазовое условие. Из всего потока рождающихся фотонов с разными энергиями (с разными длинами волн) резонатор Фабри-Перо выбирает только те, которые удовлетворяют условию резонанса – вдоль длины резонатора должно укладываться целое число полуволн λk:

где L – длина пути, по которому распространяется излучение;
k – целое число.
Такие фотоны эффективно отражаются зеркалами резонатора, что создаёт положительную обратную связь. Этим обеспечивается выполнение фазового условия генерации. Поэтому излучение возникает на длинах волн, для которых выполнено условие резонанса. В данном случае излучение представляет собой несколько «почти» монохроматических волн, каждой из которых сопоставляется продольная мода резонатора с соответствующим индексом k. Роль резонатора. Спонтанные фотоны, случайно родившиеся в направлении оси ОО или достаточно близко к нему, будут проходить внутри активной области относительно большой путь, который, к тому же, существенно увеличивается из-за многократных отражений излучения от зеркал резонатора. Взаимодействуя с возбуждёнными активными центрами, эти фотоны инициируют, в конечном счёте, мощную лавину вынужденно испущенных фотонов, которая и образует световой луч. Что же касается тех спонтанных фотонов, которые случайно родились в иных направлениях, то они (и соответствующие лавины вторичных фотонов) пройдут в активном элементе относительно короткий путь и быстро выйдут за пределы активной области.
Таким образом, оптический резонатор выполняет принципиально важную роль. Бурно развивающиеся в инвертированной активной среде процессы вынужденного испускания (инициированные спонтанно родившимися фотонами) резонатор как бы упорядочивает, направляет в нужном направлении и в итоге формирует лазерное излучение с высокими когерентными свойствами. В ЛД зеркалами резонатора служат грани полупроводникового кристалла, сколотые вдоль естественных кристаллических плоскостей и перпендикулярные плоскости p-n-перехода. Из-за разности показателей преломления на границе «кристалл–воздух» получается достаточно высокий коэффициент отражения (примерно 30%).
Поскольку свет направляют в оптическое волокно через одну из поверхностей ЛД, называемую фронтальной, то его задняя поверхность покрывается отражающим материалом для уменьшения потерь света.

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.
Читайте также:  Мощность индукционных варочных панелей варочной панели

4.3.4 Характеристики ЛД

К числу основных характеристик полупроводникового лазера, определяющих возможность использования его в системах связи и передачи информации относятся:

  • мощность излучения;
  • диаграмма направленности излучения;
  • длина волны излучения моды;
  • спектральная ширина;
  • поляризация излучения;
  • быстродействие;
  • срок службы.

Мощность излучения. Зависимость мощности излучения от тока накачки (ватт-амперная характеристика) при различных значениях температуры показана на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 – Ватт-амперные характеристики полупроводникового ЛД

При малых токах накачки (IН IП) наступает лазерный эффект, генерируемая оптическая мощность резко возрастает, излучение становится вынужденным. Как видно, ватт-амперная характеристика существенно нелинейна. По этой причине модуляция выходного напряжения путём изменения аналоговым сигналом тока инжекции лазера без применения специальных мер линеаризации ватт-амперной характеристики практически не используется.
Обычно применяют импульсные методы модуляции тока инжекции и, соответственно, выходной оптической мощности лазера.
Отметим ещё одну существенную особенность, присущую лазерному диоду: при изменении температуры окружающей среды происходит сдвиг ватт-амперных характеристик. Это приводит к изменению величин порогового тока и выходной мощности. Для устранения этого недостатка применяются электрические схемы компенсации, а также схемы термокомпенсации, управляющие работой микрохолодильника.
Для систем оптической связи используются лазеры, у которых с одного торца резонатора излучается 5-20мВт при ширине полоскового контакта 10­20мкм. Такое значение мощности является разумным компромиссом между величиной тока накачки, требуемыми мощностью излучения и сроком службы излучателя. Если увеличить ширину полоскового контакта до 100мкм, то излучение с одного торца может достигнуть 100мВт.
Диаграмма направленности. Типичная диаграмма направленности оптического излучения ЛД показана на рисунке 4.13,а.

а–диаграмма направленности; б–конус излучения; в–зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях
Рисунок 4.13 – Диаграмма направленности и характер оптического излучения ЛД

Как видно, диаграмма излучения лазера несимметрична (рисунок 4.13,б). Её ширина, измеряемая на уровне половинной мощности, менее 20 o в плоскости, параллельной переходу, и более 40 o в перпендикулярной плоскости. На рисунке 4.13,в показана зависимость излучаемой мощности от угла во взаимно перпендикулярных направлениях.
Диаграмма направленности имеет форму эллиптического конуса. Достаточно большая угловая расходимость генерируемого излучения препятствует эффективному её вводу в волокно с малой числовой апертурой, требуя применения специальных согласующих устройств.
Длина волны излучения. Длиной волны излучения ЛД считается длина волны λ, на которой выходная мощность максимальна.
Спектральная ширина (ширина спектра излучения) Δλ – интервал длин волн, в котором спектральная мощность составляет половину максимальной. Реально полоса пропускания резонатора конечна и спектр излучения ЛД составлен из относительно узких линий. На рисунке 4.14 показана зависимость спектральной мощности Р(Δλ) от длины волны для разных ЛД.

Рисунок 4.14 – Спектральная характеристика многомодового (а) и одномодового (б) ЛД

Источник



Лазеры полупроводниковые: виды, устройство, принцип работы, применение

Полупроводниковые лазеры являются квантовыми генераторами на основе полупроводниковой активной среды, в которой оптическое усиление создаётся вынужденным излучением при квантовом переходе между энергетическими уровнями при большой концентрации носителей заряда в свободной зоне.

Полупроводниковый лазер: принцип работы

В обычном состоянии большинство электронов расположено на уровне валентности. При подводе фотонами энергии, превышающей энергию зоны разрыва, электроны полупроводника приходят в состояние возбуждения и, преодолев запрещённую зону, переходят в свободную зону, концентрируясь у её нижнего края. Одновременно дырки, образовавшиеся на валентном уровне, поднимаются к её верхней границе. Электроны в свободной зоне рекомбинируют с дырками, излучая энергию, равную энергии зоны разрыва, в виде фотонов. Рекомбинация может быть усилена фотонами с достаточным уровнем энергии. Численное описание соответствует функции распределения Ферми.

Устройство

Устройство полупроводникового лазера представляет собой лазерный диод, накачиваемый энергией электронов и дырок в зоне р-n-перехода – месте соприкосновения полупроводников с проводимостью p- и n-типа. Кроме того, существуют лазеры полупроводниковые с оптическим подводом энергии, в которых пучок формируется при поглощении фотонов света, а также квантовые каскадные лазеры, работа которых основана на переходах внутри зон.

Состав

Стандартные соединения, используемые как в полупроводниковых лазерах, так и в других оптоэлектронных устройствах, следующие:

  • арсенид галлия;
  • фосфид галлия;
  • нитрид галлия;
  • фосфид индия;
  • арсенид индия-галлия;
  • арсенид алюминия-галлия;
  • арсенид-нитрид галлия-индия;
  • фосфид галлия-индия.

Длина волны

Эти соединения – прямозонные полупроводники. Непрямозонные (кремний) света с достаточной силой и эффективностью не излучают. Длина волны излучения диодного лазера зависит от степени приближения энергии фотона к энергии зоны разрыва конкретного соединения. В 3- и 4-компонентных соединениях полупроводников энергия зоны разрыва может непрерывно меняться в широком диапазоне. У AlGaAs = Al xGa 1-хAs, например, увеличение содержание алюминия (увеличение х) имеет следствием рост энергии зоны разрыва.

В то время как наиболее распространенные полупроводниковые лазеры работают в ближней ИК части спектра, некоторые излучают красный (фосфид галлий-индия), синий или фиолетовый (нитрид галлия) цвета. Среднее инфракрасное излучение создают лазеры полупроводниковые (селенид свинца) и квантовые каскадные лазеры.

Органические полупроводники

Кроме вышеупомянутых неорганических соединений, могут применяться и органические. Соответствующая технология всё ещё находится в стадии разработки, но её развитие обещает значительно удешевить производство квантовых генераторов. Пока лишь разработаны органические лазеры с оптическим подводом энергии, а высокоэффективная электрическая накачка ещё не достигнута.

Разновидности

Создано множество полупроводниковых лазеров, отличающихся параметрами и прикладным значением.

Малые лазерные диоды производят качественный пучок торцевого излучения, мощность которого колеблется от нескольких до пятисот милливатт. Кристалл лазерного диода представляет собой тонкую пластинку прямоугольной формы, которая служит волноводом, так как излучение ограничено небольшим пространством. Кристалл легируется с двух сторон для создания p-n-перехода большой площади. Полированные торцы создают оптический резонатор Фабри — Перо. Фотон, проходя через резонатор, вызовет рекомбинацию, излучение будет возрастать, и начнётся генерация. Применяются в лазерных указателях, CD- и DVD-проигрывателях, а также в оптоволоконной связи.

Маломощные монолитные лазеры и квантовые генераторы с внешним резонатором для формирования коротких импульсов могут производить синхронизацию мод.

Лазеры полупроводниковые с внешним резонатором состоят из лазера-диода, играющего роль усиливающей среды в составе большего лазер-резонатора. Способны изменять длины волн и имеют узкую полосу излучения.

Инжекционные полупроводниковые лазеры имеют область излучения в виде широкой полосы, могут генерировать пучок низкого качества мощностью несколько ватт. Состоят из тонкого активного слоя, расположенного между p- и n-слоем, образуя двойной гетеропереход. Механизм удержания света в боковом направлении отсутствует, что имеет следствием высокую эллиптичность пучка и неприемлемо высокие пороговые токи.

Мощные диодные линейки, состоящие из массива широкополосных диодов, способны производить луч посредственного качества мощностью в десятки ватт.

Мощные двумерные массивы диодов могут генерировать мощность в сотни и тысячи ватт.

Поверхностно-излучающие лазеры (VCSEL) испускают качественный пучок света мощностью в несколько милливатт перпендикулярно к пластине. На поверхности излучения наносят зеркала резонатора в виде слоёв в ¼ дины волны с различными показателями преломления. На одном кристалле можно изготовить несколько сотен лазеров, что открывает возможность их массового производства.

Лазеры VECSEL c оптическим подводом энергии и внешним резонатором способны генерировать пучок хорошего качества мощностью в несколько ватт при синхронизации мод.

Работа полупроводникового лазера квантово-каскадного типа основана на переходах внутри зон (в отличие от междузонных). Эти устройства излучают в средней области инфракрасной части спектра, иногда в терагерцовом диапазоне. Их используют, например, в качестве газоанализаторов.

Полупроводниковые лазеры: применение и основные аспекты

Мощные диодные лазеры с высокоэффективной электрической накачкой при умеренных напряжениях используются в качестве средств подвода энергии высокоэффективных твердотельных лазеров.

Полупроводниковые лазеры могут работать в большом диапазоне частот, который включает видимую, ближнюю инфракрасную и среднюю инфракрасную часть спектра. Созданы устройства, позволяющие также изменять частоту издучения.

Лазерные диоды могут быстро переключать и модулировать оптическую мощность, что находит применение в передатчиках оптоволоконных линий связи.

Такие характеристики сделали лазеры полупроводниковые технологически наиболее важным типом квантовых генераторов. Они применяются:

  • в датчиках телеметрии, пирометрах, оптических высотомерах, дальномерах, прицелах, голографии;
  • в оптоволоконных системах оптической передачи и хранения данных, системах когерентной связи;
  • в лазерных принтерах, видеопроекторах, указателях, сканерах штрих-кода, сканерах изображений, проигрывателях компакт-дисков (DVD, CD, Blu-Ray);
  • в охранных системах, квантовой криптографии, автоматике, индикаторах;
  • в оптической метрологии и спектроскопии;
  • в хирургии, стоматологии, косметологии, терапии;
  • для очистки воды, обработки материалов, накачки твердотельных лазеров, контроля химических реакций, в промышленной сортировке, промышленном машиностроении, системах зажигания, системах ПВО.
Читайте также:  Мощность двигателя домашних беговых дорожек

Импульсный выход

Большинство полупроводниковых лазеров генерирует непрерывный пучок. Из-за короткой продолжительности пребывания электронов на уровне проводимости они не очень подходят для генерации импульсов с модуляцией добротности, но квазинепрерывный режим работы позволяет значительно повысить мощность квантового генератора. Кроме того, полупроводниковые лазеры могут быть использованы для формирования сверхкоротких импульсов с синхронизацией мод или переключением коэффициента усиления. Средняя мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими милливаттами, за исключением VECSEL-лазеров с оптической накачкой, выход которых измеряется многоваттными пикосекундными импульсами частотой в десятки гигагерц.

Модуляция и стабилизация

Преимуществом кратковременного пребывания электрона в зоне проводимости является способность полупроводниковых лазеров к высокочастотному модулированию, которое у VCSEL-лазеров превышает 10 ГГц. Это нашло применение в оптической передаче данных, спектроскопии, стабилизации лазеров.

Источник

Полупроводниковые лазеры: виды и принцип работы

Когда-то изготовление лазера было связано с серьезными трудностями, так как оно требовало наличия меленького кристалла и разработки схемы для его функционирования. Для простого обывателя такая задача была невыполнимой. С развитием технологий, появилась возможность получения лазерного луча даже в бытовых условиях. Миниатюрные полупроводниковые лазеры (лазерные диоды), которые на сегодняшний день производятся электронной промышленностью довольно широко, могут генерировать стабильный луч лазера. О них мы с вами сегодня и поговорим.

Общая характеристика

Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов. Формально такие лазеры можно отнести к твердотельным, однако в силу иного принципа работы их выделяют в отдельную группу.

Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине. Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Появление такого электронного компонента стало революцией в конструировании электрических устройств разной сложности. Луч, образованные диодами высокой мощности, используется в медицине при выполнении всяческих хирургических процедур, в том числе по восстановлению зрения. Лазерный луч способен за незначительный промежуток времени произвести коррекцию глазного хрусталика.

В быту и промышленности, применение полупроводникового лазера в основном связано с измерительными приборами. Мощность таких устройств может варьироваться в весьма широком диапазоне. Так, мощности в 8 Вт достаточно для сборки портативного уровнемера в бытовых условиях. При этом прибор будет надежно работать, и создавать очень длинный лазерный луч. Кстати говоря, попадание такого луча в глаза опасно, так как на малом расстоянии он способен повредить мягкие ткани.

Принцип действия полупроводникового лазера

В светодиодах, главным источником энергии является процесс спонтанного излучения. Его суть состоит в том, что на анод подается положительный заряд, и диод смещается в прямом направлении. При этом дырки инжектируются из области р в область n р-n перехода, а из области n в область р полупроводника. Поэтому такие устройства часто называют инжекционными полупроводниковыми лазерами. Когда дырка и электрон находятся рядом друг с другом, они рекомбинируют, выделяя фотонную энергию с определенной длиной волны и фонона.

В некоторых случаях электрон и дырка могут продолжительное время (микросекунды) перед рекомбинацией находиться в одном месте. Если в этот момент около них пройдет фотон с частотой резонанса, то произойдет вынужденная рекомбинация с выделением второго фотона. Он будет иметь абсолютно такое же направление, фазу и вектор поляризации, как первый фотон.

Кристалл полупроводника представляет собой тонкую пластину прямоугольной формы. По сути, она служит оптическим волноводом, в котором ограничен объем излучения. Поверхностный слой кристалла может модифицироваться, создавая область n. Нижний же слой служит для образования области р.

В результате получается переход р-n, которые имеет плоскую форму и значительную площадь. Пара боковых торцов кристалла подвергается полировке, нацеленной на создание параллельных гладких поверхностей, представляющих собой оптический резонатор. Случайный фотон проходит по всему оптическому волноводу перпендикулярно плоскости спонтанного излучения. Перед выходом наружу он несколько раз отражается от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создает вынужденную рекомбинацию, порождая новые фотоны с такими же характеристиками. Так излучение усиливается. В момент, когда усиление начинает превосходить потери, появляется луч.

Существуют разные виды полупроводниковых лазеров. Основное их количество выполняется на особо тонком слое. Их структура позволяет формировать лишь параллельное излучение. Однако если выполнить волновод широким относительно длины волны, то он будет работать в разных поперечных режимах. Такие диоды называют многодомовыми. Применение этих лазеров позволяет создать повышенную мощность излучения без надлежащей сходимости луча. Некоторое его рассеивание допустимо. Данный эффект применяется для «накачки» других лазеров в лазерных принтерах и химическом производстве. Тем не менее, если есть необходимость в определенной фокусировке луча, волновод выполняется такой ширины, которая могла бы быть сравнимой с длиной волны.

В последнем случае ширина луча будет зависеть от наложенных рефракцией границ. Приборы, работающие по этому принципу, используются в оптических запоминающих устройствах, лазерных указателях и оптоволоконной технике. Стоит отметить, что они не могут поддерживать несколько продольных режимов и создавать луч на разных длинах волн одновременного. На длину луча влияет запрещенная зона, расположенная между уровнями энергии р и n областей.

Так как излучающий компонент очень тонкий, на выходе лазерный луч сразу же расходится. Для компенсации расходимости полупроводникового лазера и создания тонкого луча используются собирающие линзы. В многодомовых устройствах используют цилиндрические линзы. В однодомовых лазерах при использовании симметричных линз луч в разрезе будет иметь эллиптическую форму, так как вертикальное расхождение превосходит его размер в горизонтальной плоскости. Наглядным тому доказательством служит лазерная указка.

Классификация

Полупроводниковые лазеры, физика которых была рассмотрена выше, обладают n-р структурой. Они имеют невысокую эффективность, требуют большой мощности на входе и работают исключительно в режиме импульсов. Из-за быстрого перегрева они не могут работать по-другому. В этой связи сфера применения таких лазеров ограничена. На их основе были созданы устройства с более внушительными параметрами. Рассмотрим типы полупроводниковых лазеров.

Лазер с двойной гетероструктурой

В конструкции данного устройства предусмотрен слой вещества с узкой зоной запрета. Он находится между материалами, у которых эта зона значительно шире. Как правило, для изготовления таких лазеров используют арсениды галия и алюминия-галия. Такие соединения называют гетероструктурами.

Преимуществом этого полупроводникового лазера является то, что активная область (область электронов и дырок) находится в среднем слое. Из этого следует, что усилие создается намного большим количеством пар электронов и дырок. В области с малым усилием, этих пар практически не остается. В дополнение к этому, свет отражается от гетеропереходов. Таким образом, излучение полностью находится в области наиболее эффективного усилия.

Лазер с квантовыми ямами

Когда средний слой диода выполнен более тонким, он начинает работать как квантовая яма. Следовательно, электронная энергия в таком случае квантуется вертикально. Разница между количеством энергии квантовых ям используется для формирования излучения, вместо барьера. Это весьма эффективно с точки зрения управления волной луча, которая прямо зависит от толщины среднего слоя. Этот вид лазера намного продуктивнее, нежели однослойный аналог, так как в нем плотность электронов и дырок распределяется более равномерно.

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием

Основная особенность тонкослойного лазера состоит в том, что он не способен к эффективному удержанию светового луча. Чтобы решить эту проблему, с обеих сторон кристалла прикладывают пару дополнительных слоев, обладающих более низким преломлением, нежели центральные слои. Такая структура напоминает световод. Она гораздо эффективнее удерживает луч и называется гетероструктурой с отдельным удержанием. Полупроводниковый лазер на гетероструктуре массово производился в 2000 годах.

Читайте также:  Определите мощность развиваемую подъемным краном при равномерном подъеме груза массой 5 т

Лазеры с обратной связью

Такая конструкция преимущественно используется для волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать волну, на р-n переходе наносят поперечную насечку, в результате чего получается дифракционная решетка. Из-за этого, обратно в резонатор возвращается лишь одна длина волны, которая в нем усиливается. У полупроводниковых лазеров с обратной связью волна имеет постоянную длину, которая определяется шагом той самой насечки. Под действием температуры, возможно изменение насечки. Принцип работы полупроводниковых лазеров этой модели лежит в основе телекоммуникационных оптических систем.

VCSEL и VECSEL

VCSEL представляет собой поверхностно-излучающую модель лазера с вертикальным резонатором, которая излучает свет в направлении, перпендикулярном плоскости кристалла, в то время как излучение обычных лазерных диодов параллельно этой плоскости.

VECSEL отличается от предыдущей модели только тем, что он имеет внешний резонатор и может выполняться с токовой или оптической накачкой.

Импульсный выход

Принцип работы полупроводникового лазера предполагает генерирование непрерывного пучка. В силу того, что электроны пребывают на уровне проводимости не долго, такие устройства непригодны для генерации импульса с модуляцией добротности. Тем не менее благодаря использованию квазинепрерывного режима работы, можно в значительной степени повысить мощность квантового генератора. Кроме того, лазерные диоды можно использовать в случаях, когда необходимо сформировать сверхкороткий импульс с переключением коэффициента усилия или синхронизацией мод. Мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими мВт. Исключение составляют разве что VECSEL-лазеры, выход которых исчисляется многоваттными высокочастотными импульсами.

Корпуса для полупроводниковых лазеров

По мере распространения лазерных диодов росло разнообразие корпусов, каждый из которых предназначен под определенный тип работ. Официальных стандартов в этом направлении нет, однако крупные производители часто заключают договора об унификации своей продукции. Существуют также услуги по корпусированию лазеров по индивидуальным требованиям заказчика. Таким образом, перечислить все типы корпусов если и возможно, то довольно проблематично.

Распиновка контактов в каждом корпусе может быть уникальной, поэтому назначение пинов всегда стоит уточнять перед его покупкой. Кроме того, стоит отметить, что внешний вид корпуса далеко не всегда имеет прямую корреляцию с длиной волны.

Лазерный модуль состоит из таких элементов:

  1. Излучатель.
  2. Элемент Пельтье.
  3. Термистор.
  4. Фотодиод.
  5. Оптический изолятор.
  6. Коллумирующая линза.

Кратко разберем модели корпусов, которые имеют наибольшее распространение.

С излучением на выходе

TO — CAN . Этот тип корпусов предназначен для излучения малого и среднего диапазонов мощности (до 250 мВт), так как не имеет специальных теплоотводящих поверхностей. Его размеры варьируются от 4 до 10 мм, а количество ножек от 3 до 4. Они могут быть коммутированы разными способами, образуя 8 типов распиновки.

Менее популярными являются корпуса с излучением на выходе, моделей C-MOUNT и D-MOUNT.

С волоконным выходом

Это следующие виды:

  • DIL. Данный корпус создан для лазеров мощностью более 10 мВт, поверхности которых недостаточно для отведения тепла. Более эффективное охлаждение производится с помощью встроенного холодильника Пельтье. Он отводит тепло на грань алюминиевого корпуса, противоположную волоконному выходу. Благодаря размещению ножек в два ряда с шагом в 2,5 мм, наряду с впаиванием можно использовать разъемное электрическое соединение.
  • DBUT — Dual-Butterfly. Это наиболее популярный корпус для полупроводниковых лазеров мощностью до 10-800 мВТ. Главное преимущество этой модели заключается в более эффективном отводе тепла за счет увеличенной площади контакта Пельтье-элемента с лазерным модулем. Нижняя поверхность устройства является основной в плане теплоотдачи. Электрические выводы расположены на боковых гранях, что усложняет разъемное соединение модуля с платой для управления.
  • SBUT — Single-Butterfly. Представляет собой односторонний вариант предыдущего корпуса. Так как количество выводов уменьшено вдвое, возможность использования внутреннего фотодиода отсутствует.

Драйвера

Полупроводниковый лазер используется во многих устройствах, в которых необходим направленный луч света. Правильное подключение является самым важным моментом в сборке устройства.

От Led-моделей лазерные отличаются наличием миниатюрного кристалла. В нем много мощности и высокое напряжение, которое может вывести прибор из строя. Чтобы облегчить работу полупроводникового лазера, используют специальные схемы устройств, называемые драйверами.

Лазеры нуждаются в стабильном источнике питания. Однако некоторые модели с красным лучом могут нормально работать и с нестабильной сетью. Так или иначе, подключать лазер напрямую даже при наличии драйвера нельзя. Из этих соображений используется датчик тока, в качестве которого подходит простой резистор. Его ставят между лазером и драйвером.

Недостатком такого подключения является тот факт, что отрицательный полюс питания не соединяется с минусом схемы. Кроме того, он сопровождается падением мощности на резисторе. Именно поэтому, прежде чем подключить лазер, необходимо внимательно подобрать драйвер.

Виды драйверов

Обычно используется два типа устройств, обеспечивающих нормальную работу лазера:

  • Импульсный. Выполняется по аналогии с импульсным преобразователем напряжения, способного к варьированию данного параметра. Мощность на выходе и входе у этого драйвера примерно равна. Незначительное количество энергии уходит на выделение тепла.
  • Линейный. Работает по схеме, предполагающей частую (чаще, чем нужно) подачу напряжения на диод. Для снижения этого напряжения необходимо дополнительно использовать транзистор, преобразующий излишек энергии в тепло. Из-за малого коэффициента полезного действия, линейные драйверы не нашли широкого применения.

Подключение

Конструкция полупроводникового лазера предполагает наличие трех выводов. Средний из них подключается к минусу (плюсу). Плюс подключается к левой или правой ножке, в зависимости от модели. Чтобы выяснить, какая ножка подходит для подключения, необходимо подать питание. Для этого подойдет 1,5-вольтная батарейка, с сопротивлением в 5 Ом. Минус источника нужно подключать к средней ножке диода, а плюс – к правой, а потом к левой ножке. Путем такого подбора можно узнать, какая из боковых ножек «рабочая». Таким же путем лазер подключается к микроконтроллеру.

Диоды могут работать от аккумулятора мобильного телефона и пальчиковых батареек. Главное — не забывать, что дополнительно необходимо использовать ограничивающий резистор на 20 Ом.

Подключение к бытовой сети

Для подключения к бытовой сети нужно вспомогательно обезопасить систему от всплесков высокочастотного напряжения. Резистор и стабилизатор создают блок, который предотвращает перепады тока. Чтобы выровнять напряжение, используют стабилитрон. При правильной сборке лазер будет работать стабильно и прослужит долго.

Удобнее всего работать с красным диодом примерно на 200 мВт. Такими полупроводниковыми лазерами оснащают дисководы компьютеров.

Порядок подключения к бытовой сети:

  1. Проверить работу диода с помощью батарейки.
  2. Выбрать самый яркий полупроводник. Диод, взятый из компьютерного дисковода, светит инфракрасным светом. Ни в коем случае нельзя наводить его на глаза.
  3. Смонтировать диод на алюминиевую пластину, которая будет служить радиатором для охлаждения. Для этого на ней предварительно просверливается отверстие.
  4. Промазать термопастой пространство между лазером и диодом.
  5. Подключить резистор на 5 Вт и 20 Ом к лазеру и батарейке.
  6. Шунтировать диод керамическим конденсатором. Емкость последнего непринципиальна.
  7. Отвернув от себя лазер, подключить питание и проверить работу. Должен появиться устойчивый красный луч.

Во время подключения стоит помнить о безопасности и о том, что лишь при качественных соединениях, все будет работать как следует.

Применение полупроводникового лазера

Пришло время узнать, где используются эти несложные, но очень полезные устройства. Мощные полупроводниковые лазеры, имеющие высокоэффективную электрическую накачку, при умеренном напряжении используют как средство подвода энергии твердотопливных лазеров. Они могут работать в широком диапазоне частот, включающем видимую, а также ближнюю и среднюю инфракрасные зоны спектра. Некоторые устройства способны менять частоту излучения. Полупроводниковый лазер, устройство которого мы сегодня узнали, может быстро модулировать и переключать оптическую мощность. Эта особенность используется в производстве передатчиков оптоволоконных линий.

Благодаря своим характеристикам, полупроводниковые лазеры на сегодняшний день являются самым важным классом квантовых генераторов.

Их используют в таких областях:

  1. Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.
  2. Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.
  3. Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.
  4. Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.
  5. Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.
  6. Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.
  7. Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.
  8. Производство систем зажигания и систем ПВО.

Источник