Введение в лазерные диоды
- Что такое лазерный диод?
- Рисунок 1. Изображение PIN-диода. Изображение предоставлено Георг Виора (доктор Шорш) [ CC-BY-SA 3.0 ]
- Рисунок 2. Лазерный диод со срезанным корпусом. Изображение предоставлено Джон Маусхаммер [ CC BY-SA 3.0 ]
- Типы пакетов
- Рисунок 3. TO5 (9 мм) лазерный диодный пакет. Изображение предоставлено Digi-Key ,
- Рисунок 4. Пакет лазерных диодов TO3. Изображение предоставлено LaserMate
- Рисунок 5. C-крепление лазерного диода. Изображение предоставлено aitc-group.com
- Рисунок 6. Пакет с высокой тепловой нагрузкой. Изображение предоставлено RMT Ltd.
- Приложения
- Рисунок 7. Инфракрасный спектр находится в пределах инфракрасного спектра. Изображение предоставлено...
- Рисунок 8. Коллимирующие линзы. Изображение предоставлено Thorlabs ,
- Схема привода лазерного диода
- Рисунок 10. Пример лазерного драйвера. Изображение предоставлено Максим Интегрированный ,
- Важные характеристики лазерных диодов
- Резюме
Узнайте о лазерном диоде, в том числе о типах упаковки, приложениях, схемах привода и некоторых характеристиках лазерных диодов.
Что такое лазерный диод?
Лазерный диод - это полупроводниковое лазерное устройство, которое по форме и действию очень похоже на светодиод (LED).
Термин лазер возник как аббревиатура: усиление света путем вынужденного излучения. Следовательно, лазер представляет собой устройство, которое излучает свет в процессе оптического усиления на основе стимулированных излучений электромагнитного излучения.
Лазерный диод электрически эквивалентен PIN-диод , PIN-диод (см. Рисунок 1 ниже) представляет собой диод с широкой, нелегированной внутренней полупроводниковой областью, расположенной между полупроводником p- типа и полупроводником n- типа. Обе области p- типа и n- типа обычно сильно легированы.
Рисунок 1. Изображение PIN-диода. Изображение предоставлено Георг Виора (доктор Шорш) [ CC-BY-SA 3.0 ]
«Активная область» лазерного диода находится в i (внутренней) области. Электроны и дырки (т.е. носители) накачиваются в область i из областей n и p соответственно. На рисунке 2 ниже показан лазерный диод со срезанным корпусом. Фактически лазерный диодный чип - маленький черный чип на передней панели; фотодиод на задней панели используется для управления выходной мощностью.
Рисунок 2. Лазерный диод со срезанным корпусом. Изображение предоставлено Джон Маусхаммер [ CC BY-SA 3.0 ]
Лазерные диоды, по сравнению со светодиодами, имеют гораздо более быстрое время отклика и могут фокусировать свое излучение в области диаметром до 1 мкм.
Типы пакетов
Лазерные диоды доступны в различных типах упаковки. Ниже приведены некоторые примеры:
Рисунок 3. TO5 (9 мм) лазерный диодный пакет. Изображение предоставлено Digi-Key ,
Рисунок 4. Пакет лазерных диодов TO3. Изображение предоставлено LaserMate
Рисунок 5. C-крепление лазерного диода. Изображение предоставлено aitc-group.com
Рисунок 6. Пакет с высокой тепловой нагрузкой. Изображение предоставлено RMT Ltd.
Приложения
Ряд небольших лазерных диодов используется в лазерных указках и сканерах штрих-кодов. Однако наиболее распространенные лазерные диоды можно найти в CD-ROM и CD-плеерах. Эти типы лазерных диодов производят невидимый луч на длине волны 780 нм или вокруг нее, которая находится в ближней инфракрасной области спектра. Смотрите рисунок 7 для области ближнего инфракрасного спектра.
Рисунок 7. Инфракрасный спектр находится в пределах инфракрасного спектра. Изображение предоставлено dew.globalsystemsscience.org
В приводах DVD-RW (чтение / запись) используются лазерные диоды большей мощности, чем в CD-ROM. Еще более мощными являются синие лазерные диоды, встречающиеся в проигрывателях Blu-ray (отсюда и название).
Видимые лазерные диоды можно найти в сканерах штрих-кода и UPC (Universal Product Code) (например, используемых в продуктовых магазинах), лазерных указках и позиционирующих устройствах, которые можно найти в рентгеновских аппаратах и сканерах КТ и МРТ.
Лазеры с более короткими волнами (приблизительно 635 нм), обнаруживаемые в устройствах DVD, позволяют хранить в 8 раз больше данных по сравнению с компакт-дисками; DVD-диски могут хранить около 5 ГБ на диске, в то время как компакт-диски могут хранить только около 650 МБ.
Другое применение лазерного света для молекулярной идентификации. В соответствии с semanticscholar.org «Контролируемая молекулярная фотофрагментация и ионизация, достигаемые с помощью сформированных фемтосекундных лазерных импульсов, в сочетании с масс-спектрометрией обеспечивают мощный многомерный инструмент для быстрой, точной, воспроизводимой и количественной молекулярной идентификации».
Коллиматорные линзы (см. Рисунок 8 ниже) используются при настройке спектрометров. Эти оптические линзы помогают коллимировать (то есть делать точно параллельный) свет, который позволяет пользователям спектрометра контролировать поле зрения, эффективность сбора и пространственное разрешение.
Рисунок 8. Коллимирующие линзы. Изображение предоставлено Thorlabs ,
Схема привода лазерного диода
Правильная схема привода требуется во всех лазерных диодах. Без него диод может испытывать колебания рабочей температуры в результате нестабильной подачи тока. Эффекты могут варьироваться от немедленного и необратимого повреждения - вызванного перегоранием диода - до сокращения срока службы диода.
Схема привода в основном обеспечивает стабильный и предсказуемый ток на диод. Есть два основных метода, используемых для достижения желаемого стабильного оптического выхода лазерного диода. Они включают:
- Автоматическое управление током (ACC) или постоянное управление током . Эта техника, как это звучит, подает постоянный ток на диод. Такой подход устраняет необходимость в петле обратной связи фотодиода. Недостатком этого простого и недорогого подхода является то, что при изменении температуры лазерного диода изменяется и оптический выход. Однако такие схемы привода могут быть дополнены схемой управления температурой диода. Связь постоянного тока с диодами контроля температуры оказалась популярным решением. Тем не менее, устройства с постоянным током без регулирования температуры по-прежнему используются в дешевых, недорогих и маломощных ситуациях и продуктах (вспомните те ультра-дешевые лазерные указки, которые продаются в магазинах у дома).
- Схема автоматического управления питанием (APC) . Эта схема возбуждения лазерного диода использует петлю обратной связи фотодиода, которая контролирует выход и обеспечивает сигнал для управления лазерным диодом. Эта схема управления позволяет лазерному диоду поддерживать постоянный выходной уровень. Этот метод автоматического регулирования постоянной мощности предотвращает увеличение выходной оптической мощности при понижении температуры лазерного диода. Однако, если неадекватный отвод тепла приводит к повышению температуры, оптическая мощность будет уменьшаться. В результате схема возбуждения будет увеличивать ток инжекции в попытке поддерживать желаемую постоянную оптическую мощность. Как можно видеть, возможен термический побег, приводящий к повреждению или разрушению лазера.
Какой бы тип схемы привода не использовался, критической точкой является предотвращение превышения током привода максимального рабочего уровня. Это даже на наносекунду может привести к повреждению зеркальных покрытий на торцах лазерного диода. Другими словами, стандартный лабораторный источник питания никогда не должен использоваться для непосредственного питания лазерного диода, потому что он не обеспечивает достаточной защиты схемы.
Имейте в виду, что для большинства применений лазерных диодов требуется какой-либо радиатор. Неправильная тепловая конструкция может привести к быстрому увеличению температуры перехода лазерного диода, что может привести к ухудшению, повреждению или разрушению устройства.
Схема возбуждения лазерного диода, на рисунке 9 ниже, представляет собой простую схему управления с использованием источника постоянного тока.
Рисунок 9. Простая схема драйвера лазерного диода, использующая TI's LM317 (PDF).
Более сложная схема возбуждения лазера, как показано на рисунке 10 ниже, использует 10-разрядный ЦАП (с использованием 3-проводного последовательного входа) для работы и поддержания лазерного диода на постоянной средней оптической выходной мощности. Эта схема также обеспечивает цифровую пульсацию / модуляцию лазера. Это достигается с помощью подключения линии цифрового входа (MOD) к IC4. Кроме того, эта схема использует фотодиод в качестве метода обратной связи, чтобы генерировать ток, пропорциональный интенсивности лазерного луча. В приведенном ниже списке перечислены компоненты, используемые в этой схеме:
- R6 преобразует ток фотодиода в напряжение.
- Компоненты R8, C6, R10 и IC3 составляют «негерметичную» схему интегратора. Этот интегратор сглаживает изменения в модуляции.
- Схема интегратора создает сигнал ошибки путем контроля напряжения на R6 и сравнения его с опорным напряжением ЦАП (IC1). Этот сигнал ошибки является драйвером для базы Q1, которая управляет оптической мощностью, регулируя ток через лазерный диод.
- R9 обеспечивает изоляцию и помогает стабилизировать IC3, когда база Q1 управляется сигналом со входа MOD.
- R1 гарантирует, что ток лазера ниже порога генерации, но достаточно высок, чтобы обеспечить приемлемое время включения для связи и модуляции.
Рисунок 10. Пример лазерного драйвера. Изображение предоставлено Максим Интегрированный ,
Важные характеристики лазерных диодов
- Длина волны генерации (или лазера), λp: длина волны света, излучаемого лазерным диодом.
- Одномодовые устройства: длина волны одиночной спектральной линии лазерного излучения.
- Многорежимные устройства: длина волны спектральной линии с наибольшей интенсивностью.
- Пороговый ток, Ith: ток, для которого коэффициент усиления удовлетворяет условию генерации.
- Когда ниже пороговой текущей точки, излучается очень мало света (лазер).
- Когда порог тока или выше текущего порога, устройство начинает выводить лазерный сигнал.
- Рабочий ток, I op : величина прямого тока через лазерный диод, необходимая для получения указанного выходного сигнала лазера при указанной рабочей температуре.
- Рабочее напряжение, В оп : прямое напряжение на лазерном диоде, когда устройство выдает заданную мощность лазера при указанной рабочей температуре.
- Выход оптической мощности, PO: максимально допустимая мгновенная выходная оптическая (лазерная) мощность. Это действительно для непрерывного или импульсного режимов работы.
- Диапазон рабочих температур: диапазон температур корпуса, при которых лазерное устройство может безопасно эксплуатироваться.
- Темный ток фотодиода, ID (PD): ток утечки при обратном смещении фотодиода.
- Темновой ток зависит как от температуры, так и от напряжения.
- Идеальный диод / фотодиод не имеет тока в обратном направлении.
- Эффективность наклона, SE: среднее значение инкрементного изменения оптической мощности, соответствующее инкрементному изменению прямого тока, когда лазер работает в области генерации.
- Это определение также называется дифференциальной эффективностью.
- Время нарастания : время, необходимое для увеличения оптического выхода с 10 до 90 процентов от его максимального значения.
Резюме
Лазерные диоды - это полупроводниковые устройства, которые используют стимулированное излучение электромагнитного излучения и оптическое усиление для излучения света. Хотя некоторые применения лазеров обсуждались в этой статье, этот список далеко не исчерпывающий. Например, и военные США, и НАСА используют лазеры для множества применений.
Хотя все лазеры должны считаться опасными для ваших глаз, и, следовательно, всегда должны соблюдаться, некоторые лазеры являются более мощными, чем другие. Базовые лазеры, такие как дешевые лазерные указки, требуют простой схемы возбуждения, тогда как другие лазеры требуют сложных систем управления и охлаждения. По мере развития лазеров и схем их драйверов мы обязательно найдем новые области применения, в которых их можно использовать.
Показанное изображение любезно предоставлено Варшас Научный ,
Что такое лазерный диод?Что такое лазерный диод?