Введение в лазерные диоды
Узнайте о лазерном диоде, включая типы упаковки, приложения, схему электропривода и некоторые спецификации лазерного диода.
Что такое лазерный диод "// www.allaboutcircuits.com/textbook/semiconductors/chpt-3/special-purpose-diodes/" target = "_ blank"> PIN-диод. ПИН-диод (см. Рис. 1 ниже) представляет собой диод с широкой нелегированной собственной полупроводниковой областью, зажатой между полупроводником типа p и полупроводником n- типа. Как p- тип, так и n- типовые области обычно сильно легированы
Рисунок 1. Изображение PIN-диода. Изображение предоставлено Георгом Виорой (Dr. Schorsch) (CC-BY-SA 3.0)
«Активная область» лазерного диода находится в i-й (собственной) области. Электроны и дырки (т. Е. Носители) накачиваются в область i из n и p областей соответственно. На рисунке 2 ниже показан лазерный диод с отсеченным корпусом. Фактический чип для лазерного диода - это черный черный чип спереди; для управления выходной мощностью используется фотодиод сзади.
Рисунок 2. Лазерный диод с отсеченным корпусом. Изображение предоставлено Джоном Маушеммером (CC BY-SA 3.0)
Лазерные диоды, по сравнению со светодиодами, имеют гораздо более быстрое время отклика и могут фокусировать свое излучение на площадь размером до 1 мкм.
Типы пакетов
Лазерные диоды доступны в различных типах упаковки. Ниже приведены некоторые примеры:
Рисунок 3. Пакет лазерного диода TO5 (9 мм). Изображение предоставлено Digi-Key
Рисунок 4. Упаковка лазерного диода TO3. Изображение предоставлено Lasermate
Рисунок 5. Комплект лазерного диода C-mount. Изображение предоставлено aitc-group.com
Рисунок 6. Упаковка с высокой тепловой нагрузкой. Изображение предоставлено RMT Ltd
Приложения
Ряд небольших лазерных диодов используется в лазерных указателях и сканерах штрих-кодов. Однако наиболее распространенные лазерные диоды можно найти на CD-ROM и CD-плеерах. Эти типы лазерных диодов создают невидимый пучок на длине волны 780 нм или около нее, что находится в ближнем инфракрасном диапазоне. На рисунке 7 показана область ближнего инфракрасного спектра.
Рисунок 7. Ближний инфракрасный луч находится в инфракрасном спектре. Изображение предоставлено dew.globalsystemsscience.org
Приводы DVD-RW (чтение / запись) используют более мощные лазерные диоды, чем те, которые используются на компакт-дисках. Еще более мощными являются синие лазерные диоды, найденные в проигрывателе Blu-ray (отсюда и название).
Видимые лазерные диоды находятся в штрих-кодах и сканерах UPC (Universal Product Code) (например, в продуктовых магазинах), лазерных указателях и позиционирующих устройствах, обнаруженных на рентгеновских аппаратах и сканерах КТ и МРТ.
Лазеры с короткой длиной волны (приблизительно 635 нм), обнаруженные в устройствах DVD, позволяют им хранить в восемь раз больше данных по сравнению с компакт-дисками; DVD-диски могут хранить около 5 ГБ на диск, а компакт-диски могут хранить только около 650 МБ.
Еще одно применение лазерного света - для молекулярной идентификации. Согласно semanticscholar.org, «контролируемая молекулярная фотофрагментация и ионизация, полученные с помощью фазовых фемтосекундных лазерных импульсов, связаны с масс-спектрометрией для создания мощного многомерного инструмента для быстрой, точной, воспроизводимой и количественной молекулярной идентификации».
Коллиматорные линзы (см. Рис. 8 ниже) используются при настройке спектрометров. Эти оптические линзы помогают коллимировать (т. Е. Делать точно параллельный) свет, что позволяет пользователям спектрометра управлять полем зрения, эффективностью сбора и пространственным разрешением.
Рисунок 8. Коллиматорные линзы. Изображение предоставлено Thorlabs
Схема лазерного диодного привода
Для всех лазерных диодов необходима правильная схема привода. Без него диод может испытывать колебания рабочей температуры, возникающие в результате нестабильной подачи тока. Эффекты могут варьироваться от немедленного и постоянного повреждения, вызванного сжиганием диода, до сокращенного срока службы диода.
Приводная схема в основном обеспечивает стабильный и предсказуемый ток на диоде. Для достижения желаемого стабильного оптического выхода с лазерного диода используются два основных метода. К ним относятся:
- Автоматическое управление током (ACC) или постоянный контроль тока. Этот метод, как он звучит, подает постоянный ток на диод. Такой подход устраняет необходимость в контуре обратной связи с фотодиодом. Недостатком этого простого и недорогого подхода является то, что при изменении температуры лазерного диода оптический выход также изменяется. Однако такие схемы возбуждения могут быть дополнены схемой контроля температуры диода. Сочетание постоянного тока с диодами контроля температуры оказалось популярным решением. Тем не менее, устройства с постоянным током без контроля температуры по-прежнему используются в дешевых, недорогих и маломощных ситуациях и продуктах (подумайте о тех ультра дешевых маркеров, которые продаются в магазинах).
- Автоматическая схема управления мощностью (APC). Эта схема привода 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. Эта автоматическая постоянная технология управления мощностью предотвращает увеличение оптической выходной мощности по мере снижения температуры лазерного диода. Однако, если неадекватное теплоотдача приводит к повышению температуры, оптическая мощность будет уменьшаться. В результате схема возбуждения увеличит ток впрыска в попытке поддерживать требуемую постоянную оптическую мощность. Как можно видеть, можно испытать термическое убегание, приводящее к повреждению или разрушению лазера.
Какой бы тип схемы привода не использовался, критической точкой является предотвращение превышения предельного рабочего уровня тока привода. Это может привести даже к наносекунде, что может привести к повреждению зеркальных покрытий на концах лазерного диода. Другими словами, стандартное лабораторное питание никогда не должно использоваться для прямого питания лазерного диода, поскольку оно не обеспечивает достаточной защиты цепи.
Имейте в виду, что для большинства применений лазерных диодов требуется какой-то радиатор. Неправильная тепловая конструкция может привести к быстрому увеличению температуры лазерного диода, что может привести к ухудшению, повреждению или разрушению устройства.
Схема драйвера лазерного диода, показанная на рисунке 9 ниже, представляет собой простую схему возбуждения с использованием источника постоянного тока.
Рисунок 9. Простая схема драйвера лазерного диода, использующая TI LM317 (PDF).
Более сложная схема драйвера лазера на рис. 10 ниже использует 10-разрядный ЦАП (с использованием 3-проводного последовательного входа) для работы и поддержания лазерного диода при постоянной средней оптической выходной мощности. Эта схема также позволяет осуществлять цифровое импульсное / модулирование лазера. Это достигается за счет подключения цифровой линии (MOD) к IC4. Кроме того, эта схема использует фотодиод в качестве метода обратной связи для генерации тока, пропорционального интенсивности лазерного луча. В списке пулей ниже приведены компоненты, используемые в этой схеме:
- R6 преобразует ток фотодиода в напряжение.
- Компоненты R8, C6, R10 и IC3 составляют «протекающую» цепь интегратора. Этот интегратор сглаживает изменения в модуляции.
- Схема интегратора создает сигнал ошибки, контролируя напряжение на R6 и сравнивая его с опорным напряжением ЦАП (IC1). Этот сигнал ошибки является драйвером для базы Q1, из которой управляет оптической мощностью, регулируя ток через лазерный диод.
- R9 обеспечивает изоляцию и помогает стабилизировать IC3, когда база Q1 управляется сигналом от входа MOD.
- R1 гарантирует, что лазерный ток ниже порога для генерации, но достаточно высок, чтобы обеспечить приемлемое время включения для связи и модуляции.
Рисунок 10. Пример драйвера лазера. Изображение предоставлено Maxim Integrated
Важные характеристики лазерного диода
- Лазерная (или лазерная) длина волны, λ p: Длина волны света, излучаемого лазерным диодом.
- Одномодовые устройства: длина волны одиночной спектральной линии лазерного выхода.
- Многорежимные устройства: длина волны спектральной линии с наибольшей интенсивностью.
- Пороговый ток, I th: ток, для которого коэффициент усиления удовлетворяет условию генерации.
- Когда ниже пороговой точки тока испускается очень мало света (лазер).
- При превышении порогового значения или выше, устройство начинает выдавать лазерный выход.
- Рабочий ток, I op : величина прямого тока через лазерный диод, необходимый для получения указанного лазерного выхода при заданной рабочей температуре.
- Рабочее напряжение, V op : прямое напряжение на лазерном диоде, когда устройство производит указанный лазерный выход при заданной рабочей температуре.
- Оптическая выходная мощность, P O: Максимально допустимая мгновенная оптическая (лазерная) мощность. Это справедливо для непрерывных или импульсных режимов работы.
- Диапазон рабочих температур: диапазон температур корпуса, при котором лазерное устройство может безопасно работать.
- Ток фотодиода, I D (PD): ток утечки при обратном смещении фотодиода.
- Темный ток зависит как от температуры, так и от напряжения.
- Идеальный диод / фотодиод не имеет тока в обратном направлении.
- Эффективность склона, 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 представляют собой полупроводниковые приборы, которые используют излучаемые излучения электромагнитного излучения и оптического усиления для испускания света. Хотя в этой статье обсуждались некоторые применения лазеров, список далеко не все. Например, как американские военные, так и NASA используют лазеры для нескольких приложений.
В то время как все лазеры должны считаться опасными для ваших глаз, и поэтому их всегда следует уважать, некоторые лазеры являются более мощными, чем другие. Основные лазеры, например, в дешевых лазерных указателях, требуют простой схемы возбуждения, тогда как другие лазеры требуют сложных систем управления и охлаждения. По мере развития лазеров и их схем драйверов со временем мы, безусловно, найдем новые области приложений, в которых их можно использовать.
Рекомендуемое изображение используется любезностью Warash Scientific.