Det naturlige hvide lys består af alle VIBGYOR-farverne i det synlige lysspektrum, som er et bredt bredt bånd med mange forskellige frekvenser. De almindelige lysdioder giver et lysoutput, der ofte består af en farve, men selv det lys indeholder elektromagnetiske bølger, der dækker et ret bredt frekvensbånd. Linsesystemet, der fokuserer på lyset, har en fast brændvidde, men den brændvidde, der kræves for at fokusere forskellige bølgelængder (farver), er forskellig. Derfor vil hver farve fokusere på forskellige punkter og forårsage 'kromatisk aberration'. Det laser diode lys indeholder kun en enkelt frekvens. Derfor kan det fokuseres af selv et simpelt objektivsystem til et ekstremt lille punkt. Der er ingen kromatisk aberration, da der kun findes en bølgelængde, og al energien fra lyskilden er koncentreret til et meget lille lyspunkt. LASER er et akronym for Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.
Kromatisk afvigelse
Laserdiode konstruktion
Ovenstående figur viser en forenklet konstruktion af en laserdiode, der svarer til en lysdiode (LED) . Det bruger galliumarsenid doteret med elementer såsom selen, aluminium eller silicium til at producere P-type og N-type halvledermaterialer . Mens en laserdiode har et yderligere aktivt lag af ikke-dopet (iboende) galliumarsenid, har tykkelsen kun få nanometer, klemt ind mellem P- og N-lagene, hvilket effektivt skaber en PIN-diode (P-type Intrinsic-N-type) . Det er i dette lag, at laserlyset produceres.
Laserdiode konstruktion
Hvordan laserdiode fungerer?
Hvert atom i henhold til kvanteteorien kan kun energier inden for et bestemt diskret energiniveau. Normalt er atomerne i den laveste energitilstand eller jordtilstand. Når en energikilde, der gives til atomerne i jordtilstand, kan være begejstret for at gå til et af de højere niveauer. Denne proces kaldes absorption. Efter at have været på dette niveau i meget kort varighed, vender atomet tilbage til sin oprindelige jordtilstand og udsender en foton i processen. Denne proces kaldes spontan emission. Disse to processer, absorption og spontan emission, finder sted i en konventionel lyskilde.
Princippet om laserhandling
I tilfælde af at atom, der stadig er i ophidset tilstand, rammes af en ekstern foton med netop den energi, der er nødvendig til spontan emission, øges den udvendige foton med den, der er opgivet af det exciterede atom. Desuden frigives begge fotoner fra samme ophidsede tilstand i samme fase, Denne proces, kaldet stimuleret emission, er grundlæggende for laserhandling (vist i ovenstående figur). I denne proces er nøglen fotonet, der har nøjagtig samme bølgelængde som lyset, der skal udsendes.
Forstærkning og befolkningsinversion
Når gunstige betingelser skabes for den stimulerede emission, bliver flere og flere atomer tvunget til at udsende fotoner og derved igangsætte en kædereaktion og frigive en enorm mængde energi. Dette resulterer i en hurtig opbygning af energi, der udsender en bestemt bølgelængde (monokromatisk lys), der bevæger sig sammenhængende i en bestemt, fast retning. Denne proces kaldes forstærkning ved stimuleret emission.
Antallet af atomer på et hvilket som helst niveau på et givet tidspunkt kaldes befolkningen på det niveau. Normalt, når materialet ikke exciteres eksternt, er befolkningen i det lavere niveau eller jordtilstand større end det øverste niveau. Når befolkningen på det øverste niveau overstiger befolkningen på det lavere niveau, hvilket er en vending af den normale belægning, kaldes processen befolkningsinversion. Denne situation er afgørende for en laserhandling. Til enhver stimuleret emission.
Det er nødvendigt, at det øvre energiniveau eller den mødte stabile tilstand skal have en lang levetid, dvs. atomerne skal holde pause i den mødte stabile tilstand i mere tid end på det lavere niveau. For laserhandling bør pumpemekanismen (spændende med ekstern kilde) således være fra en sådan, at den opretholder en højere population af atomer i det øvre energiniveau i forhold til det i det lavere niveau.
Det er nødvendigt, at det øvre energiniveau eller den mødte stabile tilstand skal have en lang levetid, dvs. atomerne skal holde pause i den mødte stabile tilstand i mere tid end på det lavere niveau. For laserhandling bør pumpemekanismen (spændende med ekstern kilde) således være fra en sådan, at den opretholder en højere population af atomer i det øvre energiniveau i forhold til det i det lavere niveau.
Styring af laserdioden
Laserdioden drives ved en meget højere strøm, typisk ca. 10 gange større end en normal LED. Nedenstående figur sammenligner en graf over lyseffekten fra en normal LED og en laserdiode. I en LED øges lysudbyttet støt, når diodestrømmen øges. I en laserdiode produceres imidlertid ikke laserlys, før det aktuelle niveau når tærskelniveauet, når stimuleret emission begynder at forekomme. Tærskelstrømmen er normalt mere end 80% af den maksimale strøm, enheden vil passere, før den ødelægges! Af denne grund skal strømmen gennem laserdioden reguleres omhyggeligt.
Sammenligning mellem en LED
Et andet problem er, at udsendelsen af fotoner er meget afhængig af temperaturen, dioden er allerede i drift tæt på dens grænse og bliver så varm og ændrer derfor mængden af udsendt lys (fotoner) og diodestrømmen. Når laserdioden fungerer effektivt, fungerer den på randen af katastrofe! Hvis strømmen reduceres og falder under tærskelstrømmen, ophører stimuleret emission lidt for meget strøm, og dioden ødelægges.
Da det aktive lag er fyldt med oscillerende fotoner, slipper noget (typisk ca. 60%) af lyset ud i en smal, flad stråle fra kanten af diodechippen. Som vist i nedenstående figur undgår nogle resterende lys også ved den modsatte kant og er vant til aktivere en fotodiode , som omdanner lyset tilbage til den elektriske strøm. Denne strøm bruges som feedback til det automatiske diodedriverkredsløb, til at måle aktiviteten i laserdioden og så sørg ved at kontrollere strømmen gennem laserdioden, at strømmen og lysudgangen forbliver på et konstant og sikkert niveau.
Styring af laserdioden
Anvendelser af laserdiode
Laserdiode-moduler er ideelle til applikationer som life science, industriel eller videnskabelig instrumentering. Laserdiode-moduler fås i en bred vifte af bølgelængder, outputeffekter eller stråleformer.
Lasere med lav effekt anvendes i et stigende antal kendte applikationer, herunder CD- og DVD-afspillere og -optagere, stregkodelæsere, sikkerhedssystemer, optisk kommunikation og kirurgiske instrumenter
Industrielle anvendelser: Gravering, skæring, kratning, boring, svejsning osv.
Medicinske applikationer fjerner uønskede væv, diagnosticering af kræftceller ved hjælp af fluorescens, dental medicin. Generelt er resultaterne ved hjælp af lasere bedre end resultaterne ved hjælp af en kirurgisk kniv.
Laserdioder, der anvendes til telekommunikation: I telekommunikationsfeltet har 1,3 μm og 1,55 μm båndlaserdioder, der anvendes som den vigtigste lyskilde til silica-fiberlasere, et mindre transmissionstab i båndet. Laserdioden med det forskellige bånd bruges til pumpekilde til optisk forstærkning eller til den korte afstands optiske forbindelse.
Således handler det hele om Laserdiode konstruktion og dets anvendelser. Hvis du er interesseret i opbygning af LED-baserede projekter alene kan du henvende dig til os ved at sende dine forespørgsler eller innovative tanker i kommentarfeltet nedenfor. Her er et spørgsmål til dig, Hvad er en laserdiodes funktion?
