Все о работе и подключении диодного лазера

Изначально лазеры представляли собой громоздкие конструкции, состоящие из множества сложных и хрупких узлов. С появлением полупроводниковых элементов размеры и возможности лазеров значительно изменились. В основе конструкции лежал лазерный диод, от которого требовалась только соответствующая мощность.

получение лазерного луча стало возможным не только в научных исследованиях и производстве, но и в бытовых условиях. В результате этих изменений появилось много устройств, использующих лазеры для прикладных целей. Область применения стали:

  • техника;
  • как декоративное освещение.
  • медицина;
  • измерительные приборы;

Все о работе и подключении диодного лазера

Этот список не является исчерпывающим, поскольку разрабатываются новые устройства и оборудование, использующие эти технологии. Рассмотрим конструктивные особенности и принцип работы лазерного диода.

Принцип работы и особенности конструкции

Принцип работы лазерного диода основан на эффекте рекомбинации фотонов при их прохождении через pn переход. Если мы расположим электрон и дырку в непосредственной близости друг от друга, энергия, представленная фотоном, будет высвобождена. Такой процесс, запущенный в стабильном режиме, вызовет постоянное свечение.

Основным элементом лазерного диода является тонкий кристалл полупроводника с легированными слоями, образующими p- и n-области. Когда на анод подается напряжение, начинается активное высвобождение фотонов, которое внешне определяется как стабильное свечение.

Все о работе и подключении диодного лазера

Полупроводниковая пластина (кристалл) имеет большую площадь относительно ее толщины. Проходящий через него фотон будет многократно отражаться от верхнего и нижнего слоев, каждый раз вызывая образование новых фотонов. Этот процесс дает стабильный световой луч, который нужно сфокусировать только с помощью одной линзы.

Важно! Приведенное выше описание несколько упрощено, но принцип работы элемента передает достаточно надежно. На практике используются разные конструкции, с помощью которых производители постарались устранить различные нежелательные эффекты, улучшить пучок света и снизить потери мощности на нагрев или преодолеть прочность материала.

Разновидности

Есть несколько вариантов конструкции лазерных диодов. Они отличаются друг от друга расположением pn-переходов, конфигурацией полупроводникового элемента и другими характеристиками. Выделяют следующие виды:

  • с двойной гетероструктурой. Они представляют собой тонкий кристалл, заключенный между двумя дополнительными слоями, которые усиливают поток фотонов и расширяют активную область;
  • с раздачей отзывов. В области pn перехода делается специальный вырез для создания дифракционной решетки. Это позволяет стабилизировать длину волны, что приводит к более стабильному световому лучу. Они используются в области телекоммуникаций, а также в различных типах оптических устройств;
  • диод с гомоструктурой pn. Один из первых дизайнов, который сегодня практически не встречается. Требуется высокая начальная мощность и отключение входа во избежание перегрева;
  • с квантовыми ямами. Они образуются за счет уменьшения промежуточного слоя двойных элементов гетероструктуры. Появляются квантовые ямы с разными уровнями энергии, играющие роль барьера на pn переходе, способные испускать фотоны;
  • VCSEL. Это лазер, относящийся к элементам поверхностного излучения. Он оснащен вертикальным резонатором, за счет которого меняется направление луча: если в других типах кристаллов свет движется параллельно граням, то в этой конструкции он излучается в перпендикулярном направлении. Есть еще одна модификация такого элемента: VECSEL. Он имеет практически такую ​​же конфигурацию, только с внешним резонатором.
  • гетероструктурные элементы с раздельной фиксацией. Большинство лазерных диодов производятся по этой технологии. Его особенностью является нанесение дополнительных слоев на тонкий центральный кристалл, что приводит к эффективному формированию и концентрации светового луча;

Все о работе и подключении диодного лазера

Современные типы лазеров демонстрируют высокие характеристики, но производители не прекращают разработку новых, более совершенных моделей и конструкций.

Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод

Единицей измерения длины волны лазерного диода является нанометр (нм). При изменении длины волны меняется цвет светового луча, что позволяет изготавливать лазеры с разным цветом луча (в светотехнике часто используются разноцветные конструкции). Самые распространенные лазеры имеют следующие длины волн:

  • 650 нм (красный луч). Чаще всего используется в дисководах, лазерных указателях ближнего действия, лазерных уровнях и т.д. Луч красного цвета воспринимается как довольно слабый, тусклый, но это только кажущееся ощущение. При увеличении мощности такого луча до 200 мВт можно резать толстую бумагу;
  • 1000 нм. Это также инфракрасный луч, используемый в промышленных лазерах для резки различных типов листовых материалов.
  • 532 нм (зеленый луч). Устройства, которые испускают этот тип потока. Они хрупкие и чувствительны к перепадам температуры. До недавнего времени они стоили намного дороже, чем другие типы лазеров. При этом зеленый луч лучше воспринимается органами зрения человека, что позволяет использовать его в строительных лазерах. Даже в солнечную погоду зеленый луч хорошо виден на поверхности, в отличие от более тусклого красного луча. Примечательно, что в силу конструктивных особенностей такие устройства наряду с зеленым лучом излучают инфракрасное излучение, что создает определенную опасность для человека. Поэтому устройства мощностью более 5 мВт промышленностью не производятся;
  • 405 нм (фиолетовый луч). Он плохо воспринимается невооруженным глазом, из-за чего человек ощущает слабый поток энергии. На самом деле ситуация прямо противоположная: луч имеет большую мощность и интенсивность, он способен нанести серьезные травмы органам зрения;
  • 780 нм (инфракрасные лучи). Опасен для человека своей невидимостью в сочетании с мощным воздействием на органы зрения;

Все о работе и подключении диодного лазера

Внимание! Выбирая лазерный диод того или иного цвета, важно понимать, что это устройство автономное, имеющее очень мало общего с техникой светодиодного освещения. У них разные цели и особенности использования, поэтому критериями выбора станут совершенно разные соображения.

Если для светодиодов важны яркость и цветовая температура, то для лазера главным будет мощность и длина волны света. Поэтому подход к выбору этих устройств должен быть разным для каждого типа.

Как подключить

Особенностью лазерного диода является высокая потребность в стабилизированном питающем напряжении. Во время перехода на кристалле наблюдается кратковременное увеличение мощности из-за небольшой площади, что увеличивает концентрацию энергии в данной точке. Это заставляет использовать специальный стабилизатор — драйвер.

Кроме того, элемент нельзя подключать напрямую к драйверу — необходимо использовать резистор для измерения тока, который входит в зазор между лазером и драйвером. В этом случае пропадает электрическая связь минуса блока питания с общим минусом схемы. Дополнительным недостатком является неизбежная потеря мощности через резистор.

Источником тока для лазера могут служить несколько устройств:

  • аккумулятор;
  • напряжение сети 220 В с помощью специального блока питания.
  • аккумулятор;

Первые два варианта способны обеспечить достаточно стабильное напряжение питания, но оно постоянно снижается, что также недопустимо. Если используется блок питания штатного типа, ситуация немного улучшается, хотя в этом случае требуется качественная защита от выхода из строя или выхода из строя блока.

Все о работе и подключении диодного лазера

При таком подключении используются дополнительные схемы защиты и стабилизаторы для устранения скачков напряжения и помех от скачков напряжения в сети. Использование обычного диодного моста в этом случае не подходит, так как через штатные выпрямители проходит масса колебаний и паразитных помех.

Драйвер для лазерного диода

Есть две основные модели драйверов лазерных диодов:

  • запястье. Это одна из разновидностей импульсного преобразователя напряжения. Может работать как для понижения, так и для повышения выходного напряжения относительно входного значения. Входная мощность приближается к выходной, разница между ними формируется некоторыми потерями из-за нагрева проводников;
  • линейный. Обычно он получает от цепи больше напряжения, чем номинал полупроводника. Разница обычно компенсируется транзистором, который выделяет избыточную энергию в виде тепла. КПД линейных драйверов невысокий, что является причиной их ограниченного применения.

Все о работе и подключении диодного лазера

Важно! Для каждого типа драйвера также используется своя схема подключения с учетом характеристик самого драйвера, блока питания и токоограничивающего резистора.

Основные выводы

Лазерные диоды широко используются в различных областях техники и в качестве декоративных инсталляций, осветительных приборов. В быту они известны довольно ограниченно: как лазерные указки, целеуказатели, строительные уровни и другие устройства. Характеристики и конструктивные возможности этих элементов изучаются и разрабатываются. Специалисты считают, что использование лазеров еще недостаточно широко, но их перспективы очень высоки. В комментариях вы можете высказать свое мнение о конструкции и свойствах лазерных диодов.

Оцените статью
Добавить комментарий