Det naturliga vita ljuset består av alla VIBGYOR-färgerna i det synliga ljusspektrumet, vilket är ett brett brett band med många olika frekvenser. De vanliga lysdioderna ger en ljuseffekt som ofta består av en färg, men även det ljuset innehåller elektromagnetiska vågor som täcker ett ganska brett frekvensband. Linssystemet som fokuserar ljuset har en fast brännvidd, men brännvidden som krävs för att fokusera olika våglängder (färger) är olika. Därför kommer varje färg att fokusera på olika punkter och orsaka ”kromatisk aberration”. De laserdiodljus innehåller endast en enda frekvens. Därför kan den fokuseras av till och med ett enkelt linssystem till en extremt liten punkt. Det finns ingen kromatisk aberration eftersom endast en våglängd existerar, all energi från ljuskällan koncentreras också till en mycket liten fläck av ljus. LASER är en förkortning för Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.
Kromatisk aberration
Laserdiodkonstruktion
Ovanstående figur visar en förenklad konstruktion av en laserdiod, som liknar a ljusdiod (LED) . Den använder galliumarsenid dopad med element som selen, aluminium eller kisel för att producera P-typ och N-typ halvledarmaterial . Medan en laserdiod har ett ytterligare aktivt lager av odopad (inneboende) galliumarsenid har tjockleken endast några nanometer, klämda mellan P- och N-skikten, vilket effektivt skapar en PIN-diod (P-typ Inre-N-typ) . Det är i detta lager som laserljuset produceras.
Laserdiodkonstruktion
Hur laserdiod fungerar?
Varje atom enligt kvantteorin kan endast energier inom en viss diskret energinivå. Normalt är atomerna i det lägsta energitillståndet eller marktillståndet. När en energikälla som ges till atomerna i marktillstånd kan bli upphetsad att gå till en av de högre nivåerna. Denna process kallas absorption. Efter att ha stannat på den nivån under en mycket kort varaktighet återgår atomen till sitt ursprungliga marktillstånd och avger en foton i processen. Denna process kallas spontan emission. Dessa två processer, absorption och spontan emission, äger rum i en konventionell ljuskälla.
Principen för laseråtgärd
Om atomen, fortfarande i ett exciterat tillstånd, träffas av en yttre foton som har exakt den energi som är nödvändig för spontanemission, ökas den yttre foton med den som ges av den exciterade atomen. Dessutom frigörs båda fotonerna från samma upphetsade tillstånd i samma fas, Denna process, kallad stimulerad emission, är grundläggande för laserverkan (visas i figuren ovan). I denna process är nyckeln foton som har exakt samma våglängd som ljuset som ska sändas ut.
Förstärkning och befolkningsinversion
När gynnsamma förhållanden skapas för den stimulerade emissionen tvingas fler och fler atomer att avge fotoner och därigenom initiera en kedjereaktion och frigöra en enorm mängd energi. Detta resulterar i en snabb uppbyggnad av energi för att avge en viss våglängd (monokromatiskt ljus), som rör sig sammanhängande i en viss, fast riktning. Denna process kallas förstärkning genom stimulerad emission.
Antalet atomer på vilken nivå som helst vid en given tid kallas befolkningen på den nivån. Normalt, när materialet inte exciteras externt, är befolkningen i den lägre nivån eller marktillståndet större än den på den övre nivån. När befolkningen på den övre nivån överstiger den på den nedre nivån, vilket är en återföring av den normala beläggningen, kallas processen befolkningsinversion. Denna situation är väsentlig för en laseråtgärd. För alla stimulerade utsläpp.
Det är nödvändigt att den övre energinivån eller det uppnådda stabila tillståndet ska ha en lång livslängd, dvs. atomerna ska pausa vid det uppnådda stabila tillståndet under mer tid än vid den lägre nivån. Således, för laseråtgärd, bör pumpmekanismen (spännande med extern källa) vara från en sådan, för att bibehålla en högre population av atomer i den övre energinivån i förhållande till den i den nedre nivån.
Det är nödvändigt att den övre energinivån eller det uppnådda stabila tillståndet ska ha en lång livslängd, dvs. atomerna ska pausa vid det uppnådda stabila tillståndet under mer tid än vid den lägre nivån. Således, för laseråtgärd, bör pumpmekanismen (spännande med extern källa) vara från en sådan, för att bibehålla en högre population av atomer i den övre energinivån i förhållande till den i den nedre nivån.
Styrning av laserdioden
Laserdioden drivs med en mycket högre ström, typiskt cirka 10 gånger större än en vanlig lysdiod. Nedanstående figur jämför en graf över ljuseffekten från en normal lysdiod och den för en laserdiod. I en lysdiod ökar ljuseffekten stadigt när diodströmmen ökar. I en laserdiod produceras dock inte laserljus förrän den aktuella nivån når tröskelnivån när stimulerad emission börjar inträffa. Tröskelströmmen är normalt mer än 80% av den maximala strömmen som enheten kommer att passera innan den förstörs! Av denna anledning måste strömmen genom laserdioden regleras noggrant.
Jämförelse mellan en LED
Ett annat problem är att utsläppen av fotoner är mycket beroende av temperaturen, dioden är redan i drift nära sin gräns och blir så varm och ändrar därför mängden ljus som emitteras (fotoner) och diodströmmen. När laserdioden fungerar effektivt fungerar den på randen av katastrof! Om strömmen minskar och faller under tröskelströmmen upphör stimulerad utsläpp lite för mycket ström och dioden förstörs.
Eftersom det aktiva skiktet fylls med oscillerande fotoner, slipper en del (vanligtvis cirka 60%) av ljuset i en smal, platt stråle från kanten av diodchipet. Som framgår av figuren, släpper också något restljus ut i motsatt kant och är van vid aktivera en fotodiod , som omvandlar ljuset tillbaka till den elektriska strömmen. Denna ström används som återkoppling till den automatiska dioddrivkretsen, för att mäta aktiviteten i laserdioden och så se till att genom att kontrollera strömmen genom laserdioden, att strömmen och ljuseffekten förblir på en konstant och säker nivå.
Styrning av laserdioden
Tillämpningar av laserdiod
Laserdiodmoduler är perfekta för applikationer som livsvetenskap, industriell eller vetenskaplig instrumentering. Laserdiodmoduler finns i en mängd olika våglängder, uteffekt eller strålform.
Lasere med låg effekt används i ett ökande antal bekanta applikationer inklusive CD- och DVD-spelare och inspelare, streckkodläsare, säkerhetssystem, optisk kommunikation och kirurgiska instrument
Industriella applikationer: Gravyr, skärning, skrapning, borrning, svetsning etc.
Medicinska applikationer tar bort oönskade vävnader, diagnostik av cancerceller med hjälp av fluorescens, tandläkemedel. I allmänhet är resultaten med lasrar bättre än resultaten med en kirurgisk kniv.
Laserdioder som används för telekom: Inom telekomfältet har 1,3 och 1,55 mikrometer laserdioder som används som huvudljuskälla för kiseldioxidlasrar en mindre överföringsförlust i bandet. Laserdioden med olika band används för pumpkälla för optisk förstärkning eller för kortdistanslänk.
Således handlar det här om Laserdiodkonstruktion och dess användningsområden. Om du är intresserad av bygga LED-baserade projekt på egen hand, då kan du kontakta oss genom att lägga upp dina frågor eller innovativa tankar i kommentarfältet nedan. Här är en fråga till dig, Vilken funktion har en laserdiod?
