Diodni laserski stroj

Vrste diodnih laserskih strojev

Edge-emitting diode laserji
Diodni laserji, ki oddajajo robove, oddajajo lasersko svetlobo z roba polprevodniškega čipa. Oddajajo svetlobo vzporedno s površino čipa. Diodni laserji, ki oddajajo robove, so oblikovani iz čipa iz galijevega arzenida (GaAs), indijevega fosfida (InP) ali galijevega nitrida (GaN). Čip je sestavljen iz dveh (ali več) plasti, vključno z (aktivnim) območjem za izčrpavanje naboja na pn spoju, kjer se pojavi laserski učinek.

Diode, ki oddajajo robove, lahko zagotovijo visoke ravni optične moči, ki segajo od milivatov do deset vatov ali več. Prav tako kažejo višjo električno učinkovitost od običajne v primerjavi z večino drugih vrst laserjev in laserskih diod. Ti laserji se uporabljajo na večini področij: telekomunikacije, optično shranjevanje podatkov, skeniranje črtne kode, lasersko tiskanje, optično zaznavanje, medicinska oprema in industrijski laserski sistemi.

Laserji s površinsko oddajajočo diodo (VCSED) z navpično votlino
Naprave VCSED se pogosteje imenujejo površinsko oddajajoči laserji z navpično votlino (VCSEL). To so razredi polprevodniških laserskih diod, ki oddajajo lasersko svetlobo pravokotno na površino čipa skozi zgornjo površino čipa. VCSEL so oblikovani iz čipa pn spoja z navpično votlino, ki je sestavljena iz dveh porazdeljenih Braggovih reflektorskih zrcal. Aktivno območje, kjer se svetloba sproži s preklicem naboja, je središče med tema ogledaloma. Ta vrsta laserja na splošno naseli aktivno območje s kvantnimi vrtinami ali podobnimi strukturami, ki povzročajo ojačanje. Svetloba se oddaja pravokotno na površino čipa kot krožni ali eliptični žarek z dobro definiranim in simetričnim profilom. Ta profil žarka se dobro odziva na kolimacijo z relativno nizko divergenco.

Te naprave imajo več prednosti pred laserji z diodo, ki oddaja rob. Njihov prag toka je nizek, kar omogoča visoko električno učinkovitost pri nizkih ravneh moči. Naprave s krožnim profilom žarka so zelo primerne za priklop na optična vlakna. Velika prednost VCSEL je, da jih je mogoče izdelati v obsegu rezin, kar ima za posledico nižje proizvodne stroške in večjo enotnost kot posamezno izdelane naprave.

Laserji VCSED so na voljo za oddajanje različnih valovnih dolžin, od srednje do skoraj infrardeče, in tudi vidne svetlobe. Valovna dolžina izhoda je posledica izbire materiala, zasnove spoja in oblike resonančne votline. Široko se uporabljajo v: optičnih omrežjih, optičnih povezavah in sistemih za hitri prenos podatkov. Uporabljajo se tudi pri 3D-zaznavanju za prepoznavanje obraza in zaznavanje globine v mobilnih napravah ter v bolj splošnih optičnih in senzorskih aplikacijah, kot so optične miške, laserski tiskalniki in 3D-skenerji.

Laserji s porazdeljeno povratno zvezo (DFB).
Laserji DFB (razdeljena povratna informacija) imajo podobno zgradbo kot drugi polprevodniški laserji. Vendar pa je vključitev periodične mrežne strukture v aktivno območje ali zunanji valovod edinstvena za ta razred. Porazdeljena povratna mreža je sestavljena iz periodične spremembe lomnega količnika območja valovoda, kar ima za posledico periodično modulacijo profila ojačanja. To deluje kot povratni mehanizem, ki vsiljuje optično povratno zvezo/ojačitev na izbrani valovni dolžini, medtem ko zatira druge načine. To pomeni, da te naprave proizvajajo svetlobo na določeni valovni dolžini z visoko spektralno čistostjo in ozko širino črte. To je idealno za komunikacije z optičnimi vlakni z visoko hitrostjo prenosa podatkov, zaznavanje in različne visokoločljive spektroskopije in meroslovne aplikacije.

Laserji DFB so lahko zasnovani tudi za nastavljivost valovne dolžine v omejenem območju. To je posledica nastavitve temperature, nastavitve toka ali zunanjega povratnega mehanizma, ki omogoča prilagajanje lomnega količnika.

Kvantni kaskadni laserji (QCL)
Kvantni kaskadni laser (QCL) kot laserski vir uporablja kvantne kaskadne prehode med energijskimi nivoji znotraj več polprevodniških stičišč. QCL so zgrajeni iz več kvantnih vrtin, s pregradami, ki jih tvorijo polprevodniške plasti različnih pasovnih rež. Ko se uporabi prednapetostni tok, elektroni in luknje potujejo skozi več kvantiziranih energijskih ravni, pri čemer učinkovito generirajo fotone pri vsakem prehodu. Zagotavljajo emisije v srednjem infrardečem in teraherčnem območju elektromagnetnega spektra in lahko oddajajo širok razpon valovnih dolžin znotraj teh območij. Večina laserskih tehnologij srednjega infrardečega spektra potrebuje kriogeno hlajenje, QCL-ji pa delujejo pri sobni temperaturi, zaradi česar so idealni za aplikacije, ki potrebujejo to frekvenčno območje. Zagotavljanje visokih ravni optične moči jih naredi primerne za aplikacije z višjo porabo energije, saj zagotavlja način neprekinjenega valovanja (CW) z zelo stabilnim izhodom.

Razmeroma preprosto uravnavanje valovne dolžine emisij se doseže s prilagajanjem debeline plasti in prednapetosti, zaradi česar so idealni za aplikacije spektroskopske analize, ki zahtevajo več valovnih dolžin. Uporabljajo se tudi za spremljanje okolja, medicinske diagnostične sisteme, daljinsko zaznavanje in komunikacijo v prostem prostoru.

Diodni laserji z zunanjo votlino (ECDL)
ECDL so format naprave, ki uporablja zunanjo votlino, običajno zunanji reflektor ali rešetko, za ojačanje laserskega izhoda in nadzor njegovih značilnosti. ECDL omogočajo večjo nastavljivost, ozko širino črte in natančen nadzor valovne dolžine v primerjavi z drugimi formati diodnega laserja. Imajo podobno strukturo kot drugi diodni laserji, z naprej usmerjenim pn spojem in aktivnim območjem, v katerem se oddajajo fotoni. Zunanja votlina je dodana laserju, da zagotovi optično povratno informacijo, ki omogoča natančno nastavitev frekvence oddajanja. V tej votlini je reflektor, rešetka ali druga optična struktura, ki odbija del žarka nazaj v votlino.

ECDL lahko olajšajo ožje širine črt v primerjavi z drugimi vrstami diodnih laserjev. Zunanja votlina zavira neželene vzdolžne načine in optični šum ter zagotavlja boljšo koherenco in ožji žarek. Ta razred naprav je idealen za aplikacije, ki zahtevajo visoko spektralno čistost za zelo natančno optično kvantizacijo.

ECDL zagotavljajo znatno izboljšano nastavljivost valovne dolžine v primerjavi z večino diodnih laserjev. Lasersko valovno dolžino je mogoče natančno nastaviti s subtilno nastavitvijo položaja ali vpadnega kota zunanjega reflektorja ali rešetke. To omogoča širok spekter zahtevnih aplikacij v spektroskopiji, atomski in molekularni fiziki ter meroslovju. Prednost dobre zasnove v zunanji resonančni votlini je, da je nastavitev frekvence oddajanja lahko brez skakanja v načinu – to pomeni, da je mogoče gladko prilagoditi želene valovne dolžine brez asimptotičnih in motečih stopenjskih sprememb.

Stožčasti diodni laserji
Konični diodni laserji (ali konični ojačevalniki; konični laserji) so razred laserjev s stožčasto ojačevalno votlino. Ti laserji dosegajo visoko izhodno moč, dobro kakovost žarka in visoko električno učinkovitost. To zoženo območje je širše na vhodnem koncu in se postopoma oži proti izhodnemu koncu. To zoženje služi povečanju širine žarka in zmanjšanju optične gostote v območju laserskega ojačanja.

Stožčasti ojačevalni del omogoča povečano območje načina, kar omogoča večjo ekstrakcijo optične moči. Pomaga tudi izboljšati kolimacijo kakovosti žarka v izhodu. Konus prav tako poveča učinkovitost izrabe uporabljene energije črpalke. Druga prednost zoženosti je povečanje spektra ojačanja, kar omogoča širši razpon valovnih dolžin v izhodu. Ta nastavljivost je še posebej dragocena lastnost razreda. Te naprave se pogosto uporabljajo pri obdelavi materialov, laserskem graviranju in laserskem črpanju (za plinske in polprevodniške laserje visoke moči). Zaradi velike moči in dobre kakovosti žarka so primerni za zahtevne aplikacije, pri katerih so natančnost, hitrost in moč bistvenega pomena.

Laserji s superluminiscenčno diodo (SLD).
Laserji SLD (superluminiscenčne diode), znani tudi kot viri ojačane spontane emisije (ASE), so vrsta laserja, ki združuje lastnosti laserskih diod in LED. Proizvajajo svetlobo širokega spektra visoke intenzivnosti, zaradi česar so primerni za posebne aplikacije pri slikanju, zaznavanju optičnih vlaken in telekomunikacijah. Laserji SLD ustvarjajo nekoherentno svetlobo z ojačenim spontanim sevanjem. Te naprave proizvajajo široko pasovno širino svetlobe, ki sega od deset do sto nanometrov, zaradi česar so SLD primerni za aplikacije, ki zahtevajo širok spektralni razpon ali slikanje z visoko ločljivostjo. SLD zagotavlja zelo svetel izhod, ki je merilo optične moči na enoto prostorskega kota in enoto pasovne širine valovne dolžine. Visoka svetlost je posledica ojačane spontane emisije in optičnega ojačanja. Njihov izhod ima kratko koherentno dolžino v primerjavi z običajnimi laserji. To je razdalja, na kateri elektromagnetni valovi ohranijo svoje fazno razmerje. Zaradi tega so primerni za aplikacije, ki zahtevajo motnje z nizko koherentnostjo ali slikanje z ločljivostjo globine. SLD se uporabljajo v optični koherentni tomografiji (OCT), zaznavanju z optičnimi vlakni, spektroskopiji, biomedicinskem slikanju, optičnem meroslovju in optičnem testiranju. Posebej so dragoceni v sistemih OCT za slikanje bioloških tkiv in materialov z visoko ločljivostjo.

Laserji z dvojno heterostrukturo
Laserji z dvojno heterostrukturo (DH) so veja družine laserskih diod, ki združuje heterostrukturo, ki izboljša učinkovitost tehnologije. DH laserji imajo nižji prag toka, večjo učinkovitost in povečano izhodno moč v primerjavi z običajno homojunkcijsko konstrukcijo.

DH laserji so sestavljeni iz dveh pn spojev, oblikovanih v treh plasteh. Območje osiromašenja (sredinska plast n-tipa) je sklopljeno med dve plasti tipa p s širšo pasovno vrzeljo. Ta konfiguracija ustvarja učinkovito omejitev nosilcev in optični način brez puščanja, kar povečuje električno učinkovitost in splošno zmogljivost. Povečana omejitev nosilca pomaga povečati gostoto nosilca in rekombinacijo, kar vodi do večjega dobička in izboljšane učinkovitosti delovanja v večini vidikov. Sekundarna prednost je, da heterostruktura povzroči optično omejitev, kar poveča interakcijo svetlobe in snovi. Tok nižjega praga je posledica manjšega uhajanja nosilca naboja, kar omogoča laserju, da doseže prag za začetek sevanja pri nižjih ravneh toka.

Te naprave se široko uporabljajo v telekomunikacijah, optičnih podatkovnih napravah, laserskem tiskanju in lasersko omogočenih merilnih sistemih. Posebej so dragoceni pri komunikacijah z optičnimi vlakni na dolge razdalje, pri katerih so koristni visoka učinkovitost, nizki tokovi praga in visoka moč.

Diodni laserji s kvantno vrtino
Diodni laserji s kvantno vrtino so družina naprav, ki vsebujejo kvantno dobre strukture, ki izboljšajo optične/električne lastnosti. V primerjavi z bolj osnovnimi napravami dosegajo nižji mejni tok, večjo energijsko učinkovitost in izboljšan nadzor valovne dolžine. Te naprave so izdelane iz večplastne strukture tankih polprevodniških rezin z ožjo pasovno vrzeljo, obdanih s plastmi z višjo pasovno vrzeljo. Plast kvantne vrtine ustvari omejevalno območje za nosilce in ustvarjene fotone, kar izboljša optično ojačanje. Zaprti nosilec doseže večjo gostoto v območju kvantne vrtine, kar olajša izboljšano uporabo nosilcev za stimulirano emisijo, kar ima za posledico izboljšano učinkovitost pretvorbe energije. Omogočajo natančen nadzor nad ustvarjeno valovno dolžino s prilagajanjem širine in sestave vodnjaka. To omogoča natančno nastavitev valovne dolžine emisij na zahtevne specifikacije.

Diodni laserji s kvantno vrtino so znani po izhodu z ozko širino črte. Zatiranje tekmovanja vzdolžnega načina in zmanjšan optični šum povzročita boljšo koherenco in ožje spektralno obnašanje. Ta oblika naprave je še posebej uporabna v telekomunikacijah, optičnem shranjevanju podatkov, laserskem tiskanju in medicinski diagnostiki. Kompaktni in učinkoviti viri sevanja za komunikacije z optičnimi vlakni so kritični pri optičnih vlaknih z visoko pasovno širino in dolgimi razdaljami.

Laserji z enojnim vzdolžnim načinom (SLM).
Laserji z enim vzdolžnim načinom (SLM) oddajajo svetlobo, da proizvedejo izhod z eno frekvenco ali valovno dolžino z visoko koherenco in ozko širino črte. Laserji SLM uporabljajo različne tehnike, kot so elementi za izbiro načina, metode stabilizacije frekvence in optimizacija zasnove votline, da dosežejo ta enomodni izhod. Zatiranje motečih longitudinalnih načinov ustvarja visoko koherenten izhod z ozkim frekvenčnim spektrom.

Laserji SLM se uporabljajo na različnih področjih, kot so telekomunikacije, zaznavanje z optičnimi vlakni, meroslovje, spektroskopija in interferometrija ter kot raziskovalna orodja, zaradi svoje visoke koherence, natančnega nadzora valovne dolžine in ozke širine črte.

Medpasovni kaskadni laserji
Medpasovni kaskadni laserji (ICL) delujejo na medpasovnem prehodu med različnimi elektronskimi pasovi znotraj aktivnega območja. Zagotavljajo učinkovito in visoko zmogljivo delovanje v srednjem infrardečem spektru valovnih dolžin. ICL imajo koristi od medpasovnih prehodov med energijskimi pasovi znotraj vsake rezine, pri čemer izkoriščajo kaskadne prehode med več stopnjami/kvantnimi vrtinami za doseganje izboljšanega optičnega ojačanja in laserske emisije. Konvencionalni diodni laserji se zanašajo na bolj omejene prehode znotraj pasu. Običajno so zasnovani za ustvarjanje sevanja v srednjih infrardečih valovnih dolžinah, med 3 in 12 mikrometri. Več stopenj kvantne vrtine je električno povezanih v kaskadno konfiguracijo. Vsaka stopnja sodeluje v procesu ojačanja, kar ima za posledico večje optično ojačanje kot naprave z enim spojem.

ICL zagotavljajo posebej nizek mejni tok za začetek laserskega sevanja. Večja učinkovitost transporta in uporabe nosilca povzroči manjšo porabo energije. ICL se uporabljajo za zaznavanje plina, kemično analizo, spremljanje okolja, nadzor industrijskih procesov in optične komunikacije v prostem prostoru. Srednje infrardeče sevanje je uporabno za odkrivanje in merjenje specifičnih onesnaževal.

Heterostrukturni laserji z ločeno omejitvijo
Laserji z ločeno zaprto heterostrukturo (SCH) uporabljajo heterostrukturno zasnovo za izboljšanje optičnih in električnih lastnosti. To zagotavlja zmanjšane optične izgube, izboljšano omejitev nosilca in izboljšano splošno zmogljivost v primerjavi z običajnimi homojunkcijskimi laserji. SCH laserji vključujejo več rezin z različnimi pasovnimi režami, da tvorijo bolj zapleteno heterostrukturo. Izčrpana plast je stisnjena s plastmi s širšo pasovno vrzeljo. Ta zapletenost omogoča izboljšano omejitev tako nosilcev kot optičnih načinov.

Izboljšana omejitev in zmanjšano optično puščanje sta posledica tega, da plasti obloge ujamejo optično aktivnost in aktivnost nosilca naboja znotraj aktivnega območja. Zmanjšano uhajanje nosilca zlasti prispeva k izboljšanemu pragu toka in električni učinkovitosti. To posledično izboljša zmogljivost v primerjavi s homojunkcijskimi laserji z izboljšanjem temperaturne stabilnosti, večjo modulacijsko pasovno širino in temperaturno odvisnim odmikom valovne dolžine. Laserji SCH so še posebej uporabni v aplikacijah, ki zahtevajo učinkovitost in temperaturno stabilnost. Primerni so za splošne aplikacije, kot so telekomunikacije, optično shranjevanje podatkov, lasersko tiskanje, optično zaznavanje in laserske raziskave, vendar so še posebej primerni za težja okolja in komunikacijske sisteme z optičnimi vlakni.

Laserji s porazdeljenim Braggovim reflektorjem (DBR).
Naprave s porazdeljenim Braggovim reflektorjem (DBR) so naprave, ki vključujejo porazdeljen Braggov reflektor, integriran v ojačevalno votlino. Ta vidik omogoča natančen nadzor oddane frekvence in ozko filtracijo za dobro spektralno čistost in izbiro. Braggova rešetka je sestavljena iz izmeničnih plasti materialov z visokim in nizkim lomnim količnikom, ki delujejo kot zrcalo, selektivno glede na valovno dolžino. Ta struktura odbija svetlobo vseh neizbranih valovnih dolžin, hkrati pa omogoča, da se želeno sevanje širi skozi ojačevalno votlino. Ta struktura zagotavlja natančno selektivnost valovne dolžine in s prilagajanjem periode rešetke ali parov lomnega količnika lahko oddano valovno dolžino prilagodite v določenem območju. To olajša prilagajanje in združljivost z vrsto aplikacij, vključno s sistemi multipleksiranja z delitvijo valovnih dolžin (WDM) in optično koherentno tomografijo (OCT).

Laserji DBR zagotavljajo izhodno širino ozke črte kot rezultat porazdeljene povratne informacije Braggove mreže. Rešetka zavira neželene longitudinalne modove in povzroči enomodno emisijo ozke spektralne širine. Te naprave zagotavljajo ugodna visoka razmerja zatiranja stranskega načina (HSMSR), ki predstavljajo razliko moči med želenim laserskim načinom in sosednjimi načini, kar zagotavlja merilo selektivnosti, spektralne čistosti in ozke širine črte.

Laserji DBR se uporabljajo v telekomunikacijah, zaznavanju z optičnimi vlakni, spektroskopiji, meroslovju in optični koherentni tomografiji. Uporabljajo se kot natančni in stabilni viri svetlobe v različnih sistemih, ki zahtevajo specifične valovne dolžine, ozke širine linij in visoko spektralno čistost.

Površinsko oddajajoči laserji z navpično zunanjo votlino
Površinsko oddajajoči laserji z navpično zunanjo votlino (VECSEL) so posebna vrsta laserske naprave, ki združuje koristne lastnosti površinsko oddajajočih laserjev z navpično votlino (VCSEL) in diodnih laserjev z zunanjo votlino (ECDL). Posledica tega so edinstvene lastnosti, kot so visoka izhodna moč, nastavljivost valovne dolžine in odlična kakovost žarka.

VECSEL imajo lasersko votlino navpično, tako da se svetloba oddaja pravokotno na površino čipa. Ta navpična zasnova omogoča učinkovito odvajanje toplote in natančen nadzor nad oddanim žarkom. Njihova zunanja votlina je sestavljena iz dodatnih odsevnih površin, nameščenih zunaj strukture čipa. To omogoča nadzor valovne dolžine, oblikovanje žarka in skaliranje moči. VECSEL imajo večjo izhodno moč kot VCSEL, ker konfiguracija zunanje votline izboljša odvajanje toplote. Natančna nastavljivost valovne dolžine v širokem spektralnem območju je dosežena s spreminjanjem položaja ogledal zunanje votline ali prilagajanjem delovne temperature naprave. Z natančno zasnovano uporabo zunanje votline VECSEL dosežejo visokokakovosten izhod z nizkim kotom divergence in enotnim profilom žarka.

VECSEL se uporabljajo v znanstvenih raziskavah, obdelavi materialov, medicinski diagnostiki, optičnem zaznavanju in telekomunikacijah. Uporabljajo se za natančne aplikacije, kot so laserska spektroskopija, lasersko hlajenje in lovljenje/manipulacija atomov, laserska ablacija in optične komunikacije z visoko hitrostjo prenosa podatkov.

Laserji z več vzdolžnimi načini (MLM).
Laserji z več vzdolžnimi načini (MLM) ponujajo nenavadno možnost oddajanja v več tesno razporejenih, a ozkih frekvenčnih pasovih v razmeroma širokem spektru. Vzdolžni načini v laserjih MLM so ozko razporejeni. Razmik je odvisen od funkcionalne zasnove resonančne votline, kot sta njena dolžina in lomni količnik laserskega medija. Njihov širok emisijski spekter je posledica prisotnosti teh več načinov. Spektralna širina in porazdelitev modov izhajata iz zasnove votline in spoja ter tudi iz pogojev delovanja.

Laserji MLM se uporabljajo v spektroskopiji, meroslovju, interferometriji in telekomunikacijah. Uporabljajo se zlasti za optično koherentno tomografijo (OCT), pri kateri je možno slikanje z visoko ločljivostjo, ki je posledica interference več vzdolžnih načinov.

Uporaba diodnega laserskega stroja

Kako vzdrževati diodni laserski stroj

Kako deluje diodni laser

Diodni laserji delujejo tako, da spodbujajo emisijo fotonov na polprevodniškem spoju. Polprevodniški material ima specifične energijske pasove, ki sprožijo generiranje in ojačanje koherentne svetlobe. Dioda je sestavljena iz pn spoja. Območje n-tipa ustvari presežek negativno nabitih nosilcev (elektronov), medtem ko p-tip ustvari presežek pozitivno nabitih nosilcev (lukenj). Stičišče tvori osiromašeno območje med obema materialoma. Ko se prednapetost (+ve na p in -ve na n material) uporabi čez spoj, teče tok. To povzroči premikanje nosilcev naboja čez spoj. Elektroni iz območja n in luknje iz območja p se vbrizgajo v območje izčrpavanja. Ti se srečajo in nevtralizirajo ter sprostijo foton za vsak preklican naboj.

Diodni laser je zasnovan z odbojnimi površinami na koncih, ki tvorijo "optično votlino". Fotoni se odbijajo od znotraj, optična povratna informacija pa poveča stimulirane emisije in povzroči ozkopasovno koherentno svetlobo. Spodbujevalna emisija se pojavi tudi, ko foton interagira z vzbujenim elektronom, kar povzroči, da odda drug foton. Ti dodatni fotoni so identični sprožilnemu fotonu, kar vodi do ojačanja. Ko se stimulirana emisija nadaljuje in se fotoni odbijajo znotraj votline, se intenzivnost laserske energije poveča.