Laser a semiconduttore: tipi e principi di funzionamento

Una volta la produzione di un laser era associata a serie difficoltà, poiché richiedeva la presenza di un piccolo cristallo e lo sviluppo di un circuito per il suo funzionamento. Per un uomo semplice per strada, un simile compito era impossibile. Con lo sviluppo della tecnologia, la possibilità di ottenere un raggio laser, anche in condizioni domestiche. Semiconduttore in miniatura laser (diodi laser) che oggi sono ampiamente diffusi dall'industria elettronica, possono generare un raggio laser stabile. Ne parleremo oggi.

Caratteristiche generali

I laser a semiconduttore o a diodo sono laser che hanno un mezzo di amplificazione basato su semiconduttori. La generazione in esso si verifica durante la transizione degli elettroni interbanda, con una bassa concentrazione portante nella banda di conduzione, principalmente a causa dell'emissione stimolata di fotoni. Formalmente, tali laser possono essere classificati come a stato solido, tuttavia, a causa di un diverso principio di funzionamento, vengono distinti in un gruppo separato.

A causa dell'aumentata potenza ottica e delle eccellenti proprietà funzionali dei semiconduttori, possono essere utilizzati in dispositivi di misurazione con maggiore accuratezza, non solo nella produzione, ma anche nella vita di tutti i giorni e persino nella medicina. Un laser a semiconduttore è la base per leggere e scrivere dischi di computer. Grazie a lui, puntatori laser, misuratori di livello, misuratori di distanza e altri dispositivi utili all'uomo funzionano.

La comparsa di un tale componente elettronico è stata una rivoluzione nella progettazione di dispositivi elettrici di varia complessità. Il fascio formato da diodi ad alta potenza viene utilizzato in medicina quando si eseguono tutti i tipi di procedure chirurgiche, compreso il restauro della vista. Il raggio laser è in grado per un breve periodo di tempo di effettuare la correzione della lente dell'occhio.

Nella vita quotidiana e nell'industria, l'uso di un laser a semiconduttore è principalmente associato a dispositivi di misurazione. La potenza di tali dispositivi può variare in una gamma molto ampia. Pertanto, la potenza di 8 watt è sufficiente per assemblare un misuratore di livello portatile in condizioni di vita. In questo caso, il dispositivo funzionerà in modo affidabile e creerà un raggio laser molto lungo. A proposito, ottenere un tale raggio negli occhi è pericoloso, poiché a una piccola distanza può danneggiare i tessuti molli.

Il principio di funzionamento di un laser a semiconduttore

Nei LED, la principale fonte di energia è il processo di radiazione spontanea. La sua essenza è che una carica positiva è applicata all'anodo, e il diodo è spostato nella direzione in avanti. In questo caso, i fori vengono iniettati dalla regione p alla regione n della giunzione p-n e dalla regione n alla regione p del semiconduttore. Pertanto, tali dispositivi sono spesso chiamati laser a semiconduttore per iniezione. Quando un buco e un elettrone sono uno accanto all'altro, si ricombinano, emettendo energia fotonica con una specifica lunghezza d'onda e un fonone.

In alcuni casi, un elettrone e un foro possono essere nello stesso posto per un lungo periodo (microsecondi) prima della ricombinazione. Se in questo momento un fotone con una frequenza di risonanza passa vicino a loro, allora si verificherà la ricombinazione forzata con il rilascio del secondo fotone. Avrà esattamente lo stesso vettore di direzione, di fase e di polarizzazione del primo fotone.

Il cristallo semiconduttore è una sottile lastra rettangolare. Infatti, funge da guida d'onda ottica, in cui la quantità di radiazioni è limitata. Lo strato superficiale del cristallo può essere modificato, creando la regione n. Lo strato inferiore serve a formare la regione di r.

Il risultato è una giunzione pn, che ha una forma piatta e un'ampia area. Una coppia di estremità laterali del cristallo è sottoposta a lucidatura, volta a creare superfici lisce parallele che costituiscono un risonatore ottico. Un fotone casuale passa attraverso l'intera guida d'onda ottica perpendicolare al piano di emissione spontanea. Prima di uscire, si riflette diverse volte dalle estremità e, passando lungo i risonatori, crea una ricombinazione forzata, generando nuovi fotoni con le stesse caratteristiche. Quindi la radiazione è migliorata. Nel momento in cui il guadagno inizia a superare la perdita, appare un raggio.

Esistono diversi tipi di laser a semiconduttore. Il loro numero principale viene eseguito su uno strato particolarmente sottile. La loro struttura consente di formare solo radiazioni parallele. Tuttavia, se la guida d'onda è allargata rispetto alla lunghezza d'onda, funzionerà in diverse modalità trasversali. Tali diodi sono chiamati multi-home. L'uso di questi laser consente di creare una maggiore potenza di radiazione senza un'adeguata convergenza del raggio. Parte della sua dispersione è ammissibile. Questo effetto viene utilizzato per "pompare" altri laser nelle stampanti laser e nella produzione chimica. Tuttavia, se è necessaria una messa a fuoco specifica del raggio, la guida d'onda è di una larghezza tale da poter essere paragonata alla lunghezza d'onda.

In quest'ultimo caso, la larghezza del fascio dipenderà dai limiti imposti dalla rifrazione. Gli strumenti che operano su questo principio sono utilizzati in dispositivi di memorizzazione ottica, puntatori laser e tecnologia a fibra ottica. Vale la pena notare che non possono supportare diverse modalità longitudinali e creare un raggio a diverse lunghezze d'onda simultanee. La lunghezza del raggio è influenzata dalla zona proibita situata tra i livelli di energia p e n regioni.

Poiché il componente radiante è molto sottile, il raggio laser diverge immediatamente in uscita. Per compensare la divergenza del laser a semiconduttore e creare un raggio sottile vengono utilizzati collezionare lenti Le lenti cilindriche sono utilizzate nei dispositivi multihome. Nei laser a lente singola che utilizzano lenti simmetriche, il raggio nella sezione avrà una forma ellittica, poiché la divergenza verticale supera la sua dimensione nel piano orizzontale. Una buona prova di ciò è il puntatore laser.

classificazione

I laser a semiconduttore, la cui fisica era considerata sopra, hanno una struttura n-p. Hanno bassa efficienza, richiedono potenza elevata all'ingresso e operano esclusivamente in modalità impulso. A causa del rapido surriscaldamento, non possono funzionare diversamente. A questo proposito, la portata di tali laser è limitata. Sulla loro base, sono stati creati dispositivi con parametri più impressionanti. Considera i tipi di laser a semiconduttore.

Double Hetero Laser

La struttura di questo dispositivo fornisce uno strato di una sostanza con una stretta zona di divieto. Si trova tra i materiali in cui questa zona è molto più ampia. Di regola, per la fabbricazione di tali laser si utilizzano arsenuro di gallio e gallio di alluminio. Tali composti sono chiamati eterostrutture.

Il vantaggio di questo laser a semiconduttore è che la regione attiva (la regione di elettroni e fori) si trova nello strato intermedio. Da ciò ne consegue che la forza è creata da un numero molto più grande di coppie di elettroni e buchi. In un'area con poco sforzo, queste coppie sono quasi sparite. Oltre a ciò, la luce viene riflessa dalle eterogiunzioni. Quindi, la radiazione è completamente nella zona dello sforzo più efficace.

Pozzo quantico laser

Quando lo strato intermedio del diodo diventa più sottile, inizia a funzionare come un pozzo quantico. Pertanto, l'energia elettronica viene quindi quantizzata verticalmente. La differenza tra la quantità di energia dei pozzi quantici viene utilizzata per formare radiazioni, invece di una barriera. Questo è molto efficace in termini di controllo dell'onda del raggio, che dipende direttamente dallo spessore dello strato intermedio. Questo tipo di laser è molto più produttivo di un analogo a un solo strato, poiché in esso la densità di elettroni e fori è distribuita in modo più uniforme.

Laser eterostrutturato con ritenzione separata

La caratteristica principale di un laser a strato sottile è che non è in grado di trattenere efficacemente il raggio di luce. Per risolvere questo problema, su entrambi i lati del cristallo, viene applicata una coppia di strati aggiuntivi, con una rifrazione inferiore rispetto agli strati centrali. Tale struttura assomiglia a una guida di luce. Tiene il raggio in modo molto più efficiente ed è chiamato un eterostruttura con una presa separata. Un laser a eterostruttura a semiconduttore è stato prodotto in serie nel 2000.

Laser di feedback

Questo design è utilizzato principalmente per le comunicazioni in fibra ottica. Per stabilizzare l'onda, una tacca trasversale viene applicata alla giunzione pn, a seguito della quale reticolo di diffrazione. Per questo motivo, una sola lunghezza d'onda viene restituita al risuonatore, che viene amplificato in esso. Nei laser a semiconduttore con feedback, l'onda ha una lunghezza costante, che è determinata dal passo della tacca stessa. Sotto l'azione della temperatura, è possibile cambiare la tacca. Il principio di funzionamento dei laser a semiconduttore di questo modello è la base dei sistemi ottici di telecomunicazione.

VCSEL e VECSEL

VCSEL è un modello laser a emissione di superficie con un risonatore verticale, che emette luce in una direzione perpendicolare al piano del cristallo, mentre l'emissione dei diodi laser convenzionali è parallela a questo piano.

VECSEL differisce dal modello precedente solo in quanto ha un risonatore esterno e può essere eseguito con pompaggio corrente o ottico.

Uscita impulsiva

Il principio di funzionamento di un laser a semiconduttore comporta la generazione di un raggio continuo. A causa del fatto che gli elettroni non rimangono al livello di conducibilità per un lungo periodo, tali dispositivi non sono adatti per generare un impulso Q-switched. Tuttavia, grazie all'uso di una modalità operativa quasi continua, è possibile aumentare significativamente la potenza di un generatore quantico. Inoltre, i diodi laser possono essere utilizzati nei casi in cui è necessario formare un impulso ultracorto con commutazione del coefficiente di forza o blocco della modalità. La potenza degli impulsi brevi è solitamente limitata a pochi mW. L'unica eccezione sono i laser VECSEL, la cui uscita viene misurata in più impulsi ad alta frequenza.

Casi per laser a semiconduttore

Con la diffusione dei diodi laser, è cresciuta una varietà di casi, ognuno dei quali è stato progettato per uno specifico tipo di lavoro. Non ci sono standard ufficiali in questa direzione, ma i grandi produttori spesso concludono accordi sull'unificazione dei loro prodotti. Esistono anche servizi per il confezionamento di laser in base alle esigenze individuali del cliente. Pertanto, elencare tutti i tipi di enclosure, se possibile, è abbastanza problematico.

La piedinatura dei contatti in ciascun caso può essere univoca, quindi è sempre necessario specificare l'assegnazione dei pin prima dell'acquisto. Inoltre, vale la pena notare che l'aspetto del caso non ha sempre una correlazione diretta con la lunghezza d'onda.

Il modulo laser è composto dai seguenti elementi:

1. Emettitore.
2. Elemento Peltier.
3. Termistore.
4. Fotodiodo.
5. Isolatore ottico
6. Lenti da collezione.

Analizza brevemente i modelli di edifici più comuni.

Con radiazione di uscita

A - CAN . Questo tipo di custodia è progettato per emettere gamme di potenza piccola e media (fino a 250 mW), poiché non ha speciali superfici dissipanti il ​​calore. Le sue dimensioni variano da 4 a 10 mm e il numero di gambe da 3 a 4. Possono essere commutate in modi diversi, formando 8 tipi di pinout.

Meno popolari sono i gusci con radiazioni in uscita, modelli C-MOUNT e D-MOUNT.

Con uscita fibra

Questi sono i seguenti tipi:

• DIL . Questo involucro è progettato per i laser con una potenza di oltre 10 mW, la cui superficie non è sufficiente per la rimozione del calore. Raffreddamento più efficiente grazie al dispositivo di raffreddamento Peltier integrato. Trasferisce il calore sul bordo dell'alloggiamento di alluminio opposto all'uscita della fibra. Posizionando le gambe su due file con un passo di 2,5 mm, insieme alla saldatura, è possibile utilizzare una connessione elettrica staccabile.
• DBUT - Dual-Butterfly. Questo è il caso più popolare per i laser a semiconduttore fino a 10-800 mW. Il vantaggio principale di questo modello è una rimozione del calore più efficiente grazie all'aumentata area di contatto dell'elemento Peltier con il modulo laser. La superficie inferiore del dispositivo è la principale in termini di trasferimento di calore. I terminali elettrici si trovano sulle facce laterali, il che complica la connessione plug-in del modulo con la scheda di controllo.
• SBUT - Single-Butterfly. È una versione unilaterale del caso precedente. Poiché il numero di pin è dimezzato, non è possibile utilizzare un fotodiodo interno.

autista

Un laser a semiconduttore viene utilizzato in molti dispositivi che richiedono un fascio di luce direzionale. La connessione corretta è il punto più importante nell'assemblaggio del dispositivo.

Il laser si differenzia dai modelli a Led per la presenza di un cristallo in miniatura. Ha un sacco di potenza e alta tensione, che può disabilitare il dispositivo. Per facilitare il lavoro di un laser a semiconduttore, utilizzare circuiti di dispositivi speciali, chiamati driver.

I laser hanno bisogno di una fonte di energia stabile. Tuttavia, alcuni modelli con un raggio rosso possono funzionare normalmente con una rete instabile. In un modo o nell'altro, non è possibile collegare direttamente il laser, anche se si dispone di un driver. Per questi motivi, è usato sensore di corrente che è adatto come resistenza semplice. Si trova tra il laser e il driver.

Lo svantaggio di tale connessione è il fatto che il polo negativo dell'alimentatore non è collegato al polo negativo del circuito. Inoltre, è accompagnato da una caduta di potenza al resistore. Ecco perché, prima di connettere il laser, devi selezionare attentamente il driver.

Tipi di driver

Di solito vengono utilizzati due tipi di dispositivi per garantire il normale funzionamento del laser:

• Pulsato Viene eseguita per analogia con un convertitore di tensione a impulsi in grado di variare questo parametro. La potenza e l'input di questo driver sono approssimativamente uguali. Una piccola quantità di energia viene spesa per il calore.
• Lineare . Funziona in base allo schema, che comporta una frequente (più spesso del necessario) voltaggio al diodo. Per ridurre questa tensione, è necessario inoltre utilizzare un transistor che converte l'energia in eccesso in calore. A causa della bassa efficienza, i driver lineari non sono ampiamente utilizzati.

collegamento

Il design di un laser a semiconduttore presuppone la presenza di tre conclusioni. La media di loro si collega al meno (più). Inoltre si connette alla gamba sinistra o destra, a seconda del modello. Per scoprire quale gamba è adatta per la connessione, è necessario applicare la potenza. Una batteria da 1,5 volt con una resistenza di 5 ohm è adatta a questo. La fonte meno deve essere collegata alla gamba centrale del diodo, e il positivo alla gamba destra, e quindi alla gamba sinistra. Attraverso questa selezione, puoi scoprire quale delle gambe laterali sta "funzionando". Allo stesso modo il laser è collegato al microcontrollore.

I diodi possono funzionare con la batteria del telefono cellulare e le batterie per le dita. La cosa principale - non dimenticare che è necessario utilizzare anche un resistore limitatore di 20 ohm.

Connessione a una rete domestica

Per connettersi a una rete domestica, è necessario proteggere ausiliario il sistema da picchi di tensione ad alta frequenza. Il resistore e lo stabilizzatore creano un blocco che impedisce le cadute di corrente. Per equalizzare la tensione, utilizzare un diodo zener. Con un corretto assemblaggio, il laser funzionerà stabilmente e durerà a lungo.

Il modo più conveniente per lavorare con il diodo rosso è di circa 200 mW. Questi laser a semiconduttore forniscono unità disco del computer.

La procedura per il collegamento a una rete domestica:

1. Controllare il funzionamento del diodo con una batteria.
2. Scegli il semiconduttore più luminoso. Un diodo preso da un'unità del computer splende con la luce a infrarossi. In nessun caso non può dirigerlo agli occhi.
3. Montare il diodo sulla piastra di alluminio, che fungerà da radiatore per il raffreddamento. Per fare ciò, è un foro pre-forato.
4. Diffusione dello spazio di pasta termica tra il laser e il diodo.
5. Collegare una resistenza da 5 W e 20 ohm al laser e alla batteria.
6. Shunt il diodo con un condensatore ceramico. La capacità di quest'ultimo è senza principi.
7. Spegnere il laser, collegare l'alimentazione e controllare il lavoro. Dovrebbe apparire un raggio rosso fisso.

Durante la connessione vale la pena ricordare sulla sicurezza e che solo con connessioni di alta qualità, tutto funzionerà come dovrebbe.

Applicazione laser a semiconduttore

È tempo di scoprire dove vengono usati questi dispositivi semplici ma molto utili. I potenti laser a semiconduttore con pompaggio elettrico ad alta efficienza sono utilizzati a una tensione moderata come mezzo per fornire energia ai laser a combustibile solido. Possono operare in un'ampia gamma di frequenze, comprese le zone visibile, vicino e media infrarossa dello spettro. Alcuni dispositivi possono modificare la frequenza delle radiazioni. Un laser a semiconduttore, il dispositivo di cui abbiamo appreso oggi, può modulare e passare rapidamente la potenza ottica. Questa caratteristica è utilizzata nella produzione di trasmettitori in fibra ottica.

A causa delle sue caratteristiche, i laser a semiconduttore sono di gran lunga la classe più importante di generatori quantici.

Sono utilizzati in tali aree:

1. Produzione di sensori di telemetria, altimetri ottici, mirini, telemetri, pirometri.
2. Produzione di sistemi a fibre ottiche, sistemi di comunicazione coerenti, nonché sistemi per la trasmissione e l'archiviazione dei dati.
3. Sistemi di sicurezza, crittografia quantistica, automazione.
4. Produzione di videoproiettori, stampanti laser, puntatori laser, scanner, lettori CD.
5. Metrologia ottica e spettroscopia, chirurgia, odontoiatria, cosmetologia, terapia.
6. Lavorazione di materiali, depurazione delle acque, controllo delle reazioni chimiche.
7. Ingegneria industriale e smistamento industriale.
8. Produzione di sistemi di accensione e sistemi di difesa aerea.