Строение лазера: Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер. Устройство, принцип работы, свойства, применение лазера

Лазер (от англ. Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation) — устройство, использующее явление вынужденного излучения для получения волны света.

С момента своего изобретения лазер нашел множество применений в промышленности, медицине, а также в повседневной жизни. Устройства для чтения дисков CD, DVD и Blu-ray основаны на том, что лазер направляет свой луч на поверхность диска. Этот луч после отражения от поверхности диска меняет свои свойства и, попав на детектор, позволяет считать информацию, записанную на диске.

Во многих исследованиях — и областях применения — физики хотели бы иметь такие волны, как схематически показано на рис. 1:

1. со строго гармонической (синусоидальной) зависимостью от времени, а также от положения на линии, соответствующей направлению движения волны;
2. с волновыми поверхностями, которые были бы плоскостями, перпендикулярными направлению движения волн;
3. с образованием «параллельного луча», который не расходится в стороны.

Строгое соблюдение этих условий просто невозможно. Тем не менее, свет, производимый лазерами, относительно близок к ним.

Рис. 1. Схематическое изображение идеальной волны

Простое объяснение принципа работы лазера

Лазерное излучение — это когерентное, сильно пучковое электромагнитное излучение с высокой интенсивностью и очень узкой полосой частот. Перемещаясь вдоль электромагнитного спектра, лазерное излучение простирается от дальнего инфракрасного до видимого и рентгеновского спектра.

Слово «лазер» относится как к устройству, так и к физическому эффекту. Лазер — это аббревиатура, которая расшифровывается как «Усиление света посредством вынужденного излучения».

Для получения света такого качества лазеру необходимо как минимум три компонента.

Во-первых, вам нужна лазерная среда, которая в значительной степени определяет свойства лазера. Путем оптических переходов возбужденных атомов или молекул в энергетически предпочтительные состояния вы генерируете фотоны в этой среде. Существуют различные типы лазерных сред, такие как газы, кристаллы или диоды.

Далее необходим механизм накачки лазера (источник энергии), с помощью которого можно снабжать среду энергией, необходимой для возбуждения переходов. Это может быть, например, лампа-вспышка или электрический разряд в газах.

Наконец, вам нужен оптический резонатор. Это более или менее сложная система зеркал и других оптических элементов. С помощью резонатора вы обеспечиваете обратную связь и, таким образом, вынужденное излучение.

В зависимости от выбора этих отдельных компонентов существуют различные типы лазеров, которые отличаются по достижимой мощности и частотным характеристикам.

Объяснение принципа работы рубинового лазера.

Рубиновый лазер в предельном упрощении показан на рисунке 2.

Рис. 2. Упрощенная схема рубинового лазера

Его основная часть — рубиновый стержень, обычно несколько миллиметров в диаметре и несколько сантиметров в длину. Его концы очень тщательно отполированы и покрыты слоем серебра. Слева — зеркало, которое полностью отражает свет, справа — зеркало, которое отражает большую часть света, но пропускает немного света. Стержень освещается сильным ультрафиолетовым светом.

Предположим, что в рубиновом стержне случайно появилась волна определенной длины, и бегущая горизонтально вправо. По мере продвижения через среду её амплитуда будет увеличиваться. Волна будет отражаться поочередно от правого зеркала и от левого зеркала. В результате возникнет волна, похожая на стоячую волну, заполняющая весь объем стержня. Часть этой волны выйдет через правое зеркало наружу — это и будет интересующее нас лазерное излучение. Должен действовать закон сохранения энергии — энергия этой волны происходит из энергии ультрафиолетового излучения, освещающего рубиновый стержень.

Устройство лазера

Три компонента — рабочее тело (рабочая среда), механизм накачки и оптический резонатор — являются общими для каждого лазера. Они определяют тип лазера и то, чего вы можете достичь с его помощью. Далее мы расскажем обо всех трех компонентах более подробно.

Рис. 2. Устройство лазера: оптический резонатор с рабочей средой и ходом лучей

Рабочее тело (рабочая среда)

Вы генерируете фотоны в рабочей среде лазера. Это излучение происходит через оптические переходы в возбужденных атомах или молекулах. В результате этих переходов частицы переходят в энергетически более благоприятные состояния. Важнейшим условием лазерной среды является возможность создания эффекта инверсии электронных населённостей.

Для этого он должен иметь как минимум три энергетических уровня. Энергетические уровни — это собственные значения энергии квантово-механических систем. Атом или молекула может находиться только на одном из этих уровней. Самый низкий уровень — это основное состояние, а все остальные — возбужденные состояния.

Инверсия электронных населённостей означает, что верхнее состояние оптического перехода с большей вероятностью будет занято, чем нижнее. Такие среды могут быть газообразными, жидкими или твердыми.

Механизм накачки

Оптическая накачка — это процесс, с помощью которого вы добавляете энергию в среду. Это делается путем возбуждения рабочей среды с помощью внешнего источника энергии, например, других лазеров или лампы-вспышки. Таким образом, достигается инверсия электронных населённостей без того, чтобы процесс накачки конкурировал с вынужденным излучением. Поэтому, накачивается другой квантово-механический переход, нежели тот, который в конечном итоге используется для излучения фотонов.

Оптический резонатор

С помощью оптического резонатора вы определяете скорость излучения и свойства фотонов. С помощью отражения вы позволяете отдельным фотонам пройти через среду несколько раз. Это индуцирует дальнейшее излучение в нужном направлении и позволяет усилить свет.

Для этого фотоны должны распространяться перпендикулярно отражающей среде. Фотоны, испускаемые таким образом, имеют те же квантовые числа, что и запущенные фотоны. Любые спонтанные выбросы, которые могут произойти, сами по себе не генерируют никаких дальнейших фотонов, так как очень маловероятно, что они будут излучаться перпендикулярно отражающей среде.

Благодаря такому выбору достигается очень узкое направление лазерного луча.

Функции лазера

Вы возбуждаете атомы или молекулы лазерной среды до более высоких уровней энергии. Таким образом, вы создаете лазерный луч. Эти уровни энергии имеют максимально возможное среднее время распада. Таким образом, вы сохраняете вероятность спонтанной эмиссии как можно более низкой, и энергия процесса накачки сохраняется дольше. Непрерывная откачка создает желаемую инверсию электронных населённостей. Это означает, что больше частиц находится в одном из своих возбужденных состояний, чем в основном состоянии.

Теперь для того, чтобы возбужденный атом вернулся из своего возбужденного состояния в основное, необходимо лишь стимулировать его фотоном. При этом он испускает фотон в том же направлении и с той же энергией, что и исходный фотон. В данном случае равная энергия означает, что новый фотон имеет ту же частоту и длину волны, что и исходный фотон. Фазовое положение обоих фотонов также одинаково.

Как описано ранее, фотоны отражаются в резонаторе и проходят через среду несколько раз. Этот процесс приводит к цепной реакции, в ходе которой производится все больше и больше фотонов, которые, в свою очередь, производят все больше и больше фотонов и так далее…

Одна сторона резонатора частично проницаема, что позволяет лазерному лучу отклоняться. В результате отражающее свойство резонатора сохраняется, и происходит дальнейшее излучение.

Спонтанное излучение

Спонтанное излучение — это квантово-механическое явление. Это происходит, когда атомы или молекулы испускают фотоны при переходе с более высоких энергетических уровней на более низкие. Предсказать этот тип излучения невозможно. Это процесс распада, возникновение которого можно оценить с определенной вероятностью.

Итак, спонтанное излучение — это излучение, испускаемое при самопроизвольном переходе атома из возбужденного состояния в основное.

Спонтанное излучение разных атомов происходит некогерентно, так как каждый атом начинает и заканчивает излучать независимо от других.

Математически это можно выразить следующим образом:

Формула гласит, что число N спонтанных выбросов или возбужденных частиц на объем V и время t пропорционально плотности числа частиц n в возбужденном состоянии.

Вынужденное излучение

Работа лазера основана на вынужденном излучении. Здесь излучение фотона не происходит спонтанно.

Напомним, что при переходе атома из стационарного состояния с большей энергией в состояние с меньшей энергией он излучает квант энергии (фотон). Такое излучение может быть самопроизвольным . При этом атомы излучают фотоны разной частоты, что определяется переходами на разные энергетические уровни.

Можно сделать так, что атом, находящийся в возбуждённом состоянии, будет излучать энергию под воздействием внешних факторов, например под действием падающего на него света. Такое излучение называют вынужденным (индуцированным).

Предположим, что атом может перейти из состояния с энергией 2 в состояние с энергией 1 и испустить при этом фотон
с энергией hv = E₂ — E₁. Если он взаимодействует с фотоном такой же частоты, то вероятность вынужденного излучения достаточно велика и в итоге получаются два фотона одинаковой частоты. Таким образом, излучаемая световая волна не отличается от
той, которая падает на атом. Она имеет такую же частоту и фазу.

[2]

Для создания вынужденного излучения необходимо увеличить число атомов, имеющих высокий энергетический уровень. Осуществить это можно, используя вещества, атомы которых могут находиться в возбуждённом состоянии достаточно долго, не излучая самопроизвольно.

Продольные моды

В зависимости от конструкции резонатора, в нем может образовываться различное количество стоячих волн определенной длины. Таким образом, определенные длины волн и их кратные значения могут быть особенно усилены таким резонатором. Такие различные формы колебаний называются модами. Имея число продольных мод, вы знаете, сколько волн может колебаться в резонаторе. Колебания вдоль направления распространения излучения называются продольными. Это пики и долины интенсивности с интервалом в половину длины волны.

В лазерах различают одномодовые лазеры, которые колеблются почти на одной частоте, и многомодовые лазеры.

Поперечные моды

Поперечная мода относится к распределению фазы волны перпендикулярно направлению распространения. Следовательно, режим, который не перпендикулярен зеркалам резонатора, приводит к сдвигу частоты лазера. Причиной этого является увеличение длины резонатора, что теперь приводит к образованию стоячих волн с узлами в профиле лазера.

Если вы используете цилиндрический резонатор, ваш луч в идеале имеет гауссову форму. При использовании мод, не перпендикулярных зеркалам резонатора, вместо них формируются профили с радиальной и угловой зависимостью. Они изменяют длину резонатора, поскольку длина пути между зеркалами изменяется. Это может исказить спектры продольных мод, поскольку различные поперечные моды накладываются друг на друга.

Свойства лазера

Невозможно сделать общее заявление о свойствах лазера. На самом деле они определяются различными аспектами. В первую очередь, резонатор лазера определяет его качества. В этом контексте также неверно, что лазеры всегда представляют собой узконаправленные пучки с малой шириной частоты.

Однако верно то, что лазеры могут быть использованы для превосходного манипулирования светом, а их свойства позволяют очень плотно связывать лучи. Это позволяет достичь очень высокой плотности мощности.

Наиболее важными свойствами лазеров являются когерентность, поляризация и частота или длина волны.

В отличие от других источников света, свет лазера состоит не только из одной длины волны. Волны также почти фазово синхронны друг с другом. Отсюда происходит термин «длина когерентности». Этот термин дает представление о расстоянии, на котором волны лазера находятся в фазе.

Поляризация поперечной волны описывает направление ее колебаний. В лазерах все волны имеют одинаковую поляризацию. В основном это линейная поляризация, но в зависимости от области применения устанавливаются и другие поляризации. Различные поляризации достигаются с помощью оптических компонентов в резонаторе или на пути луча.

Длина волны лазера определяется рабочей средой. В зависимости от энергетических переходов среда может быть возбуждена для генерации на различных длинах волн или только в очень узкой полосе пропускания.

Опасности, связанные с лазером

В зависимости от мощности лазеры вызывают повреждение биологических тканей.

Мощность в милливаттах уже повреждает глаз. Линза фокусирует параллельный лазерный луч на сетчатке глаза. Это вызывает повреждение сетчатки глаза, что приводит к частичной слепоте.

Более высокие уровни мощности приводят к повреждению кожи, напоминающему солнечный ожог, что также может вызвать рак кожи. Это повреждение может доходить до серьезных ожогов.

Особое внимание следует обратить на рассеянный свет. Лазерное излучение, уже отраженное от стены или другой поверхности, приводит к соответствующему повреждению. Поэтому при работе с лазерами необходимо всегда учитывать меры предосторожности.

Применение лазера

Развитие лазера значительно изменило наш мир. Он проникает во все сферы нашей жизни.

В повседневной жизни лазеры можно встретить в лазерных принтерах и в каждом оптическом приводе — от CD до проигрывателей дисков Blue-Ray. Но вы наверняка знаете и лазерную указку, в названии которой есть слово «лазер». Лазеры также используются каждый раз, когда вы делаете покупки на кассе для идентификации штрих-кодов на товарах. Конечно, существует множество других применений в повседневной жизни.

Но лазеры также постоянно используются для сбора данных, в промышленности, медицине, науке и военном деле.

Использование лазеров совершило революцию в электронных средствах связи. Оказалось, что лазер можно использовать как мощный генератор высокочастотных волн, в том числе с частотой, равной частоте видимого света. И эта частота может использоваться в качестве несущей частоты при передаче радио- или телевизионных сигналов. Информационная ёмкость такого способа передачи информации многократно превосходит все предыдущие: так, расчёты показывают, что в одном лазерном луче может уместиться до 80 миллионов телевизионных каналов или до 50 миллиардов одновременных телефонных разговоров!

[4]

С помощью лазеров удалось создать трёхмерные изображения, которые называются голографическими. Рассматривая голограмму под разными углами, вы можете видеть изображённый на ней предмет с разных сторон: например, на голограмме можно «заглядывать за предметы, расположенные на переднем плане.

Как видите, лазеры — это не просто устройства из научной фантастики. Лазеры являются неотъемлемой частью нашей повседневной жизни.

Список использованной литературы

1. Физика, базовый уровень, 11 класс, учебник — Пурышева Н.С., Важеевская Н.Е., Исаев Д.А., Чаругин В.М
2. В.А. Касьянов углубленный уровень физика 11 класс
3. William T. Silfvast. Laser Fundamentals. — New York: Cambridge University Press, 1996. — ISBN 0-521-55617-1. (англ.)
4. Генденштейн Лев Элевич, Дик Юрий Иванович. ФИЗИКА. 11 класс

Устройство рубинового лазера

Рубиновый стержень лазера – это цилиндр, торцы которого отполированы и покрыты слоем серебра таким образом, что один торец полностью отражает свет, а другой частично отражает, а частично пропускает.

При вспышке лампы накачивания на рубиновый стержень падают фотоны различной частоты. В стержне возникают колебания. Атомы, поглотив часть фотонов, переходят в возбужденное состояние. Возникает вынужденное излучение, которое распространяется строго вдоль оси стержня и усиливается при многократном отражении от зеркал. В результате возникает мощное монохроматическое излучение – пучок света, часть которого выходит через полупрозрачное зеркало. Длительность излучения пучка 10⁻³ с.

Свойства лазерного излучения

1. Малый угол расхождения пучка света.

2. Исключительная монохроматичность.

3. Самые мощные источники света – 10¹⁴ Вт/с, Солнце – 7∙10³ Вт/с.

4. КПД около 1%.

ОК-35

Строение атомного ядра

В 1911 г. в результате исследований, проведенных Резерфордом по рассеянию α-частиц при прохождении через вещество, был открыт протон–ядро атома водорода, который обладает положительным электрическим зарядом, равным модулю заряду электрона.

Заряд ядра атома

Английский физик Г.Мозли в 1913 г. предсказал, что заряд ядра атома q_e = Ze

, где e – элементарный электрический заряд; Z – порядковый номер элемента в таблице Менделеева, определяет число электронов в атоме. Химические свойства зависят только от зарядового числа.

Немецкие ученые В.Боте и Г.Беккер, изучая реакции (1930), происходящие при облучении бериллия α-частицами, обнаружили новое излучение, обладающее очень большой проникающей способностью.

В 1932 г. английский физик Дж.Чэдвик выдвинул гипотезу: бериллиевые лучи состоят из нейтральных частиц, масса которых близка к массе протона. Их назвали нейтронами. Дальнейшие исследования показали, что нейтрон – нестабильная частица: свободный нейтрон за время 15 мин распадается на протон, электрон и нейтрино – частицу, лишенную массы покоя. Масса нейтрона

m_n = 1838,6 электронных масс, масса протона m_p = 1836,1 электронных масс, m_n > m_p приблизительно на 2,5 массы электрона. После открытия нейтрона физики Д.Д.Иваненко и В.Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении ядра. Число протоновZ, число нейтронов N, массовое число – это суммарное число нуклонов в ядре – A : A = Z + N, Z_p = Z_e,

1 а.е.м. = 1/12∙ = 1,66058∙10⁻²⁷ кг.

Изотопы

В 1911 г. Ф.Содди предположил, что ядра с одинаковым числом протонов, но различным числом нейтронов являются ядрами одного и того же химического элемента. Такие ядра он назвал изотопами. Изотопы имеют одинаковые химические свойства, что обусловлено одинаковым электрическим зарядом ядра, но разные физические свойства, обусловленные массой. Блестящее подтверждение – масс-спектрометр. Например, изотопы урана ,, изотопы водорода,,.

Ядерные силы

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны о ядре, называются ядерными ситами.

Свойства

1. Являются только силами притяжения.

2. Во много раз больше кулоновских сил.

3. Независимы от наличия заряда.

4. Взаимодействуют с ограниченным числом нуклонов.

5. Короткодействующие: заметны на r ≈ 2,2∙10⁻¹⁵.

6. Не являются центральными.

Энергия связи ядра

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи. Энергия связи очень велика.

При синтезе 4 г гелия выделяется такое же количество энергии, как при сжигании двух вагонов каменного угля.

Формула для вычисления энергии связи:

E = Δmc², Δmc² = (Zm_p + Nm_n − M_я)∙c².

Излучаемые γ-кванты при делении обладают энергией: .

В ядерной физике энергия выражается через атомную единицу энергии (а.е.э.), которая соответствует одной атомной единице массы:

1 а.е.э. = 1 а.е.м.∙c² = 1,67∙10⁻²⁷ кг∙9∙10¹⁶∙м²/с² = −1,5∙10⁻¹⁰ Дж = 931,1 МэВ.

Удельная энергия связи Е_уд

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон в ядре, т.е. энергия, которую необходимо затратить, чтобы удалить из ядра один нуклон, называется удельной энергией связи:

, где А – массовое число.

График зависимости удельной энергии связи

E_уд:

1. У ядер средней части периодическом системы Менделеева с массовым числом 40≤A≤100 удельная энергия максимальна.

2. У ядер, для которых A > 100, удельная энергия связи плавно убывает.

3. У ядер, для которых A <40, удельная энергия скачкообразно убывает.

4. Максимальной удельной энергией обладают ядра, у которых число протонов и нейтронов четное (,,), а минимальной – ядра, у которых число протонов и нейтронов нечетное (,,).

Таким образом, осуществляются два способа высвобождения внутренней энергии: деление тяжелых ядер (цепная ядерная реакция) и синтез легких ядер (термоядерная реакция).

ОК-36

Как работают лазеры, основы лазерных технологий

1. Trotec Laser
2. Обучение и поддержка
3. org/ListItem”> Часто задаваемые вопросы
4. Как работает лазер?

Как работает лазер – Основы

В следующем видео мы в общих чертах покажем вам принцип работы и устройство лазера.

Термин «Лазер»

ЛАЗЕР является аббревиатурой и означает «Усиление света за счет стимулированного излучения». Проще говоря: частицы света (фотоны), возбуждаемые током, излучают энергию в виде света. Этот свет собирается в пучок. Таким образом формируется лазерный луч.

Техническая структура лазера

Основы лазерной техники

Все лазеры состоят из трех компонентов:

1. Внешний источник накачки
2. Активная лазерная среда
3. Резонатор

Источник накачки направляет внешнюю энергию к лазеру.

Активная среда лазера расположена внутри лазера. В зависимости от конструкции лазерная среда может состоять из газовой смеси (лазер CO ₂ ), кристаллического тела (лазер YAG) или стеклянных волокон (волоконный лазер).

Когда энергия подается в лазерную среду через накачку, она излучает энергию в виде излучения.

Активная среда лазера расположена между двумя зеркалами, «резонатором». Одно из этих зеркал является зеркалом с односторонним движением. Излучение активной лазерной среды усиливается в резонаторе. В то же время из резонатора через одностороннее зеркало может выйти только определенное излучение. Это сгруппированное излучение является лазерным излучением.

Свойства лазерного луча: монохроматический и с высокой когерентностью

Лазерное излучение обладает тремя основными свойствами:

1. Монохромный. Это означает, что излучение состоит только из одной длины волны.
2. Высокая когерентность и, следовательно, совпадение фаз.
3. Волны лазера примерно параллельны из-за когерентности.

Благодаря этим свойствам лазерный свет используется во многих областях современной обработки материалов. Интенсивность сохраняется в течение длительного времени за счет когерентности и может быть еще больше расслоена через линзы. Лазерный луч падает на поверхность материала, поглощается и, таким образом, нагревает материал. Благодаря этому выделению тепла материал может быть удален или полностью испарен. Таким образом, можно гравировать, маркировать или резать множество материалов.

Вы хотите узнать больше о том, как работают лазерные станки Trotec?

Наши специалисты по лазерам будут рады ответить на ваши вопросы о наших продуктах и ​​лазерной обработке. Они помогут вам открыть для себя все возможности лазерной гравировки, резки и маркировки. Кроме того, мы приглашаем вас ознакомиться с нашими лазерами и приложениями на одном из наших демонстрационных объектов.

Свяжитесь с нами

Дополнительная информация о лазерной гравировке, резке и маркировке

Как работает лазерная гравировка?

˃

---

Как работает лазерная резка?

˃

---

Как работает лазерная маркировка?

˃

---

Поскольку индивидуальные требования требуют индивидуальных консультаций.

Консультируем бесплатно.

Запросите 30-минутную встречу сейчас.

Свяжитесь с нами

Что такое лазерный диод? Его работа, конструкция, типы и использование

Краткое описание

Что такое лазерный диод?

Лазерный диод — это полупроводниковое устройство, похожее на светоизлучающий диод (СИД). Он использует p-n переход для излучения когерентного света, в котором все волны имеют одинаковую частоту и фазу. Этот когерентный свет создается лазерным диодом с использованием процесса, называемого «усиление света за счет стимулированного излучения», сокращенно ЛАЗЕР. А поскольку для получения лазерного излучения используется p-n переход, это устройство называется лазерным диодом. Прежде чем мы узнаем больше о рабочем процессе лазерного диода, давайте посмотрим, чем лазерный свет отличается от других типов света, и каковы его преимущества.

Свет от солнечного света или от большинства искусственных источников света содержит волны нескольких длин волн, и они не совпадают по фазе друг с другом. Световые волны от монохроматических источников света, таких как лампа накаливания, также не совпадают по фазе друг с другом. В отличие от предыдущих источников света, лазерные диоды создают узкий пучок лазерного света, в котором все световые волны имеют одинаковую длину волны и движутся вместе с выровненными пиками. Вот почему лазерные лучи очень яркие и могут быть сфокусированы в очень маленьком пятне.

Из всех устройств, производящих лазерный свет, наиболее эффективными являются лазерные диоды или полупроводниковые лазеры, и они поставляются в меньших размерах. Поэтому они широко используются в различных устройствах, таких как лазерные принтеры, считыватели штрих-кодов, системы безопасности, автономные транспортные средства (ЛИДАР), волоконно-оптическая связь и т. д.

Как работает лазерный диод?

Работа лазерного диода состоит из трех основных этапов:

Поглощение энергии

Лазерный диод состоит из p-n перехода, в котором существуют дырки и электроны. (Здесь дырка означает отсутствие электрона). При приложении определенного напряжения к p-n переходу электроны поглощают энергию и переходят на более высокий энергетический уровень. Дырки образуются в исходном положении возбужденного электрона. Электроны остаются в этом возбужденном состоянии без рекомбинации с дырками в течение очень короткого промежутка времени, называемого «временем рекомбинации» или «временем жизни в верхнем состоянии». Время рекомбинации составляет около наносекунды для большинства лазерных диодов.

Спонтанное излучение

После окончания жизни возбужденных электронов в верхнем состоянии они рекомбинируют с дырками. Когда электроны падают с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень, разница в энергии преобразуется в фотоны или электромагнитное излучение. Этот же процесс используется для получения света в светодиодах. Энергия испускаемого фотона определяется разницей между двумя уровнями энергии.

Стимулированное излучение

Нам нужно больше когерентных фотонов от лазерного диода, чем фотонов, испускаемых в процессе спонтанного излучения. С обеих сторон диода используется частично отражающее зеркало, так что фотоны, высвобождаемые в результате спонтанного излучения, задерживаются в p-n-переходе до тех пор, пока их концентрация не достигнет порогового значения. Эти захваченные фотоны стимулируют рекомбинацию возбужденных электронов с дырками еще до времени их рекомбинации. Это приводит к высвобождению большего количества фотонов, которые находятся в точной фазе с первоначальными фотонами, и поэтому выходной сигнал усиливается. Как только концентрация фотонов превышает пороговое значение, они покидают частично отражающие зеркала, что приводит к яркому монохроматическому когерентному свету.

Конструкция лазерного диода

Простой полупроводниковый лазерный диод состоит из следующих частей по порядку:

• Металлический контакт
• P-тип Материал
• Активная/внутренняя область (материал N-типа)
• Материал N-типа
• Металлический контакт

Входные клеммы соединены с металлическими пластинами, которые зажаты между слоями n-типа и p-типа. Этот тип лазерного диода также называют «лазерным диодом с гомопереходом». Внутренняя область между материалом p-типа и n-типа используется для увеличения объема активной области, так что на стыке может накапливаться больше дырок и электронов. Это позволяет большему количеству электронов рекомбинировать с дырками в любой момент времени, что приводит к лучшей выходной мощности. Лазерный свет излучается из эллиптической области. Этот луч от лазерного диода может быть дополнительно сфокусирован с помощью оптической линзы. Весь этот PIN-диод (P-тип, внутренний, N-тип) обычно заключен в металлический корпус.

Типы лазерных диодов

Лазерный диод с двойной гетероструктурой

В лазерных диодах этого типа между двумя материалами р-типа и n-типа расположен дополнительный ограничивающий слой из другого материала. Каждое соединение между различными материалами называется гетероструктурой. Из-за наличия двух гетероструктур этот тип лазерного диода называется лазерным диодом с двойной гетероструктурой (DH). Преимущество этого лазерного диода DH заключается в том, что активная область ограничена тонким слоем, что дает лучшее оптическое усиление.

Лазерный диод с квантовой ямой

Лазерный диод с квантовой ямой имеет очень тонкий средний слой, который действует как квантовая яма. Электроны смогут использовать квантовые энергетические уровни при переходе с более высокого энергетического уровня на более низкий энергетический уровень. Это дает лучшую эффективность для этого типа лазерного диода.

Лазерный диод с гетероструктурой раздельного удержания

Тонкий средний слой лазерного диода с квантовой ямой очень мал для эффективного удержания излучаемого света. Чтобы компенсировать это, в лазерном диоде гетероструктуры раздельного удержания поверх трех исходных слоев добавляются еще два слоя. Эти слои имеют более низкий показатель преломления и помогают эффективно удерживать излучаемый свет.

Поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором (VCSEL)

У всех рассмотренных ранее лазерных диодов оптический резонатор размещается перпендикулярно потоку тока. Однако в лазерных диодах с вертикальной поверхностью резонатора оптический резонатор расположен вдоль оси протекания тока. Частично отражающие зеркала размещены вблизи концов оптического резонатора.

Другие типы

• Квантовый каскадный лазерный диод
• Межполосный каскадный лазерный диод
• Лазерный диод с распределенным брэгговским отражателем
• Лазерный диод с распределенной обратной связью
• Диодный лазер с внешним резонатором
• Вертикальный поверхностно-излучающий лазерный диод с внешним резонатором (VCSEL)

P-I характеристики лазерного диода

На приведенной ниже диаграмме графически показана зависимость выходной оптической мощности по оси y и входного тока лазерного диода по оси x.

По мере увеличения тока, подаваемого на лазерный диод, оптическая мощность выходного света постепенно увеличивается до определенного порога. До этого момента большая часть излучаемого света обусловлена ​​спонтанным излучением. Выше этого порогового тока процесс стимулированного излучения усиливается. Это приводит к значительному увеличению мощности выходного света даже при небольшом увеличении входного тока. Выходная оптическая мощность также зависит от температуры и уменьшается с понижением температуры.

Как сделать схему драйвера лазерного диода?

Для лазерных диодов требуются сложные схемы возбуждения, включающие контуры обратной связи, измеряющие выходную оптическую мощность, температуру, напряжение и входной ток. Но для управления лазерным диодом, используемым в приложениях, где не требуется высокая точность, можно построить простую схему драйвера лазерного диода, используя микросхему стабилизатора напряжения LM317. Ниже приведена диаграмма.

LM317 сконфигурирован для работы в качестве источника постоянного тока. Выходной ток зависит от значения сопротивления между Vout и Vadj LM317 (Pin2 и Pin1). Таким образом, регулировка потенциометра 100R изменит выходной ток, протекающий через лазерный диод.