Естествената бяла светлина се състои от всички цветове VIBGYOR на спектъра на видимата светлина, който е широка широка лента от много различни честоти. Обикновените светодиоди дават светлинна мощност, често състояща се от един цвят, но дори тази светлина съдържа електромагнитни вълни, които покриват доста широка честотна лента. Системата от лещи, фокусираща светлината, има фиксирано фокусно разстояние, но фокусното разстояние, необходимо за фокусиране на различни дължини на вълните (цветовете) на светлината, е различно. Следователно всеки цвят ще се фокусира в различни точки, причинявайки „хроматична аберация“. The лазерна диодна светлина съдържа само една честота. Следователно той може да бъде фокусиран дори от обикновена система от лещи до изключително малка точка. Няма хроматична аберация, тъй като съществува само една дължина на вълната, също така цялата енергия от източника на светлина се концентрира в много малко светлинно петно. LASER е съкращение от Усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация.
Хроматичната аберация
Конструкция на лазерен диод
Горната фигура показва опростена конструкция на лазерен диод, която е подобна на светодиод (LED) . Той използва галиев арсенид, легиран с елементи като селен, алуминий или силиций, за да произведе P тип и N тип полупроводникови материали . Докато лазерният диод има допълнителен активен слой от нелегиран (присъщ) галиев арсенид, има дебелина само няколко нанометра, притиснат между P и N слоевете, ефективно създавайки ПИН диод (тип P-Вътрешен-N тип) . Именно в този слой се произвежда лазерната светлина.
Конструкция на лазерен диод
Как работи лазерният диод?
Всеки атом според квантовата теория може да енергии само в рамките на определено отделно енергийно ниво. Обикновено атомите са в най-ниско енергийно състояние или основно състояние. Когато енергиен източник, даден на атомите в основно състояние, може да бъде развълнуван да премине към едно от по-високите нива. Този процес се нарича абсорбция. След като остане на това ниво за много кратко време, атомът се връща в първоначалното си основно състояние, излъчвайки фотон в процеса. Този процес се нарича спонтанно излъчване. Тези два процеса, абсорбция и спонтанно излъчване, протичат в конвенционален източник на светлина.
Принцип на лазерното действие
В случай, че атомът, все още във възбудено състояние, бъде ударен от външен фотон, притежаващ точно енергията, необходима за спонтанно излъчване, външният фотон се увеличава от този, отдаден от възбудения атом. Освен това и двата фотона се освобождават от същото възбудено състояние в същата фаза, Този процес, наречен стимулирано излъчване, е от основно значение за лазерното действие (показано на горната фигура). В този процес ключът е фотонът, имащ точно същата дължина на вълната като тази на излъчваната светлина.
Усилване и инверсия на населението
Когато се създадат благоприятни условия за стимулираното излъчване, все повече атоми са принудени да излъчват фотони, като по този начин инициират верижна реакция и освобождават огромно количество енергия. Това води до бързо натрупване на енергия, излъчваща една определена дължина на вълната (едноцветна светлина), пътуваща кохерентно в определена, фиксирана посока. Този процес се нарича усилване чрез стимулирана емисия.
Броят на атомите на всяко ниво в даден момент се нарича популация на това ниво. Обикновено, когато материалът не се възбужда външно, популацията на долното ниво или основното състояние е по-голяма от тази на горното ниво. Когато популацията на горното ниво надвишава тази на долното ниво, което е обрат на нормалната заетост, процесът се нарича инверсия на населението. Тази ситуация е от съществено значение за лазерно действие. За всяка стимулирана емисия.
Необходимо е горното енергийно ниво или изпълненото стабилно състояние да има дълъг живот, т.е. атомите трябва да спират при достигнатото стабилно състояние за повече време, отколкото на долното ниво. По този начин, за лазерно действие, помпеният механизъм (възбуждащ с външен източник) трябва да бъде от такъв, за да се поддържа по-голяма популация от атоми в горното енергийно ниво спрямо това в долното ниво.
Необходимо е горното енергийно ниво или изпълненото стабилно състояние да има дълъг живот, т.е. атомите трябва да спират при достигнатото стабилно състояние за повече време, отколкото на долното ниво. По този начин, за лазерно действие, помпеният механизъм (възбуждащ с външен източник) трябва да бъде от такъв, за да се поддържа по-голяма популация от атоми в горното енергийно ниво спрямо това в долното ниво.
Управление на лазерния диод
Лазерният диод работи с много по-висок ток, обикновено около 10 пъти по-голям от нормалния светодиод. Фигурата по-долу сравнява графика на светлинната мощност на нормален светодиод и тази на лазерен диод. В светодиода мощността на светлината непрекъснато се увеличава с увеличаване на диодния ток. При лазерен диод обаче лазерната светлина не се получава, докато текущото ниво достигне праговото ниво, когато започне да се появява стимулирано излъчване. Праговият ток обикновено е повече от 80% от максималния ток, който устройството ще премине, преди да бъде унищожено! Поради тази причина токът през лазерния диод трябва да бъде внимателно регулиран.
Сравнение между LED
Друг проблем е, че излъчването на фотони е много зависимо от температурата, диодът вече работи близо до своята граница и така се нагрява, поради което променя количеството излъчена светлина (фотони) и диодния ток. По времето, когато лазерният диод работи ефективно, той работи на ръба на катастрофата! Ако токът намалее и падне под праговия ток, стимулираното излъчване спира само малко твърде много ток и диодът се унищожава.
Тъй като активният слой е изпълнен с осцилиращи фотони, част (обикновено около 60%) от светлината излиза в тесен, плосък лъч от ръба на диодния чип. Както е показано по-долу на фигурата, малко остатъчна светлина също излиза на противоположния ръб и е свикнала активирайте фотодиод , който преобразува светлината обратно в електрически ток. Този ток се използва като обратна връзка към схемата за автоматично задвижване на диоди, за измерване на активността в лазерния диод и така се уверете, че чрез управление на тока през лазерния диод, токът и светлинната мощност остават на постоянно и безопасно ниво.
Управление на лазерния диод
Приложения на лазерен диод
Лазерните диодни модули са идеални за приложения като науки за живота, индустриални или научни прибори. Лазерните диодни модули се предлагат в голямо разнообразие от дължини на вълните, изходни мощности или форми на лъча.
Лазерите с ниска мощност се използват във все по-голям брой познати приложения, включително CD и DVD плейъри и рекордери, четци на баркодове, системи за сигурност, оптични комуникации и хирургически инструменти
Промишлени приложения: Гравиране, изрязване, драскане, пробиване, заваряване и др.
Медицински приложения премахват нежеланите тъкани, диагностика на ракови клетки с помощта на флуоресценция, дентални лекарства. Като цяло резултатите при използване на лазери са по-добри от резултатите при използване на хирургически нож.
Лазерни диоди, използвани за Телеком: В телекомуникационното поле лазерните диоди с обхват 1,3 μm и 1,55 μm, използвани като основен източник на светлина за лазерите със силициеви влакна, имат по-малка загуба на предаване в лентата. Лазерният диод с различната лента се използва за изпомпване на източник за оптично усилване или за оптична връзка на къси разстояния.
По този начин става въпрос за всичко Конструкция на лазерен диод и неговите приложения. Ако се интересувате от изграждане на LED базирани проекти сами, тогава можете да се обърнете към нас, като публикувате вашите запитвания или новаторски мисли в раздела за коментари по-долу. Ето въпрос към вас, Каква е функцията на лазерен диод?
