Лекция
лазерный диод (или лазерный полупроводниковый диод) - это электронное устройство, которое используется для генерации узконаправленного и монохроматического света, который называется лазерным излучением.
Лазерный диод — полупроводниковый лазер, построенный на базе диода. Его работа основана на возникновении инверсии населенностей в области p-n перехода при инжекции носителей заряда
лазерные диоды — ранее изготовление лазеров было связано с большими трудностями, так как для этого необходим маленький кристалл и разработка схемы для его функционирования. Для простого радиолюбителя такая задача была невыполнимой.
С развитием новых технологий возможность получения лазерного луча в бытовых условиях стала реальностью. Электронная промышленность сегодня производит миниатюрные полупроводники, которые могут генерировать луч лазера. Этими полупроводниками стали лазерные диоды.
Повышенная оптическая мощность и отличные функциональные параметры полупроводника позволяют применять его в измерительных устройствах повышенной точности как на производстве, в медицине, так и в быту. Они являются основой для записи и чтения компьютерных дисков, школьных лазерных указок, уровнемеров, измерителей расстояния и многих других полезных для человека устройств.
Лазерный диод имеет три вывода и состоит из собственно (диода, излучающего лазерный луч) и контролирующего фотодиода, предназначенного для контроля за мощностью излучения. Анод лазерного диода и катод управляющего диода подключается к общему выводу, соединенному с корпусом.
Рис 1 Обозначение на схеме лазерного диода
Рис 2 Обозначение на схеме лазерного диода
Рис 3 Обозначение на схеме лазерного диода
Рис 4 Внешний вид лазерного диода
Возникновение такого нового электронного компонента является революцией в создании электронных устройств разной сложности. Диоды высокой мощности образуют луч, который используется в медицине при выполнении различных хирургических операций, в частности по восстановлению зрения. Луч лазера способен быстро произвести коррекцию хрусталика глаза.
Лазерные диоды используются в измерительных приборах в быту и промышленности. Устройства изготавливают с разной мощностью. Мощности 8 Вт хватит для сборки в бытовых условиях портативного уровнемера. Этот прибор надежен в работе, способен создать лазерный луч очень большой длины. Попадание лазерного луча в глаза очень опасно, так как на малом расстоянии луч способен к повреждениям мягких тканей.
Лазерный диод имеет существенно более монохроматичный свет, нежели обычный фотодиод. Т.е существенно более узкую полосу излучения.
В лазерном диоде излучаться могут только те фотоны, для которых выполняется условие инверсии. А это уже не имеет прямого отношения к ширине зоны проводимости. Мало, того, все ухищрения и связаны с тем, чтобы загнать носители в такое состояние, в котором спонтанная рекомбинация была бы невозможна.
Для сужения полосы излучения применятеся также множество ухищрений, например создание прямо в структуре кристалла брегговской решетки.
Зеркалами обыно служат просто грани кристаллов, 30 % отражения дла лазерного диода обычно достаточно. Часто нерабочую грань еще запыляют чем-нибудь, чтобы увеличить коэффициент отражения. Так что зеркал вы там не найдете.
Еще, как правило, в лазерах свет излучается вдоль кристалла, а у диодов - поперек поверхности. Это связано с тем, что кристалл с инверсией прозрачен для данной длины волны, а в светодиоде материал очень сильно поглощает свет.
Имеется два основных отличия лазерного диода от светодиода. Первое: - лазерный диод имеет встроенный оптический резонатор, второе: - лазерный диод работает при значительно больших значениях токов накачки, что позволяет при повышении некоторого порогового значения получить режим индуцированного излучения. Именно такое излучение характеризуется высокой когерентностью, благодаря чему лазерные диоды имеют значительно меньшую ширину спектра излучения 1-2 нм против 30-50 нм у светодиодов.
Рис. 18. Ватт-амперные характеристики: 1 - лазерного диода; 2 – светодиода
Зависимость мощности излучения от тока накачки описывается ватт-амперной характеристикой лазерного диода (рис.18).
В простом диоде на анод подается положительное напряжение, то есть речь идет о смещении диода в прямом направлении. Дырки из области «р» инжектируются в область «n» р-n перехода, а из области «n» в область «р» полупроводника. При условии расположении дырки и электрона рядом друг с другом,начинается их рекомбинация и выделение фотонной энергии с некоторой длиной волны и фонона. Этот процесс получил название спонтанного излучения. В светодиодах он является главным источником.
Но при некоторых условиях дырка и электрон способны находиться перед рекомбинацией в одном месте продолжительное время (несколько микросекунд). Если по этой области в это время пройдет фотон с частотой резонанса, это он вызовет вынужденную рекомбинацию, и появление второго фотона-клона. Его направление, фаза и вектор поляризации будут абсолютно совпадать с первым фотоном.
Кристалл полупроводника изготавливают в виде тонкой пластинки формы прямоугольника. По сути дела, эта пластинка и играет роль оптического волновода, в котором излучение действует в ограниченном объеме. Поверхностный слой кристалла модифицируется с целью образования области «n». Нижний слой служит для создания области «р».
В конечном итоге получается плоский переход р-n значительной площади. Два боковых торца кристалла подвергают полировке для создания параллельных гладких плоскостей, образующих оптический резонатор. Случайный фотон перпендикулярного плоскостям спонтанного излучения пройдет по всему оптическому волноводу. При этом перед выходом наружу фотон несколько раз будет отражаться от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создаст вынужденную рекомбинацию, образуя при этом новые фотоны с такими же параметрами, чем вызовет усиление излучения. Когда усиление превзойдет потери, начнется создание лазерного луча.
Существуют различные типы лазерных диодов. Основные из них выполнены на особо тонких слоях. Их структура способна создавать излучение только параллельно. Но если волновод выполнить широким в сравнении с длиной волны, то он будет функционировать уже в различных поперечных режимах. Такие лазерные диоды называют многодомовыми.
Использование таких лазеров оправдано для создания повышенной мощности излучения без качественной сходимости луча. Допускается некоторое его рассеивание. Этот эффект используется для накачки других лазеров, в химическом производстве, лазерных принтерах. Однако при необходимости определенной фокусировки луча, волновод должен выполняться с шириной, сравнимой с длиной волны.
В этом случае ширина луча зависит от границ, которые наложены дифракцией. Такие приборы используются в запоминающих оптических устройствах, оптоволоконной технике, лазерных указателях. Необходимо заметить, что эти лазеры не способны поддержать несколько продольных режимов, и излучать лазерный луч на разных длинах волн в одно время. Запрещенная зона между уровнями энергии «р» и «n» областей диода влияет на длину волны луча.
Лазерный луч на выходе сразу расходится, так как излучающий компонент очень тонкий. Чтобы компенсировать это явление и создать тонкий луч, используют собирающие линзы. Для широких многодомовых лазеров используются цилиндрические линзы. В случае однодомовых лазеров, при применении симметричных линз, лазерный луч будет иметь эллиптическое поперечное сечение, так как вертикально расхождение превосходит размер луча в горизонтальной плоскости. Наглядным примером для этого служит лазерная указка.
В рассмотренном элементарном устройстве нельзя выделить определенную длину волны, кроме волны оптического резонатора. В устройствах, имеющих материал, способный усилить луч в большом интервале частот, и с несколькими режимами, возможно действие на разных волнах.
Обычно лазерные диоды функционируют на одной волне, обладающей, однако значительной нестабильностью, и зависящей от различных факторов.
Когда на анод обычного диода подается положительный потенциал, то говорят, что диод смещен в прямом направлении. При этом дырки из p-области инжектируются в n-область p-n перехода, а электроны из n-области инжектируются в p-область полупроводника. Если электрон и дырка оказываются «вблизи» (на расстоянии, когда возможно туннелирование), то они могут рекомбинировать с выделением энергии в виде фотона определенной длины волны (в силу сохранения энергии) и фонона (в силу сохранения импульса, потому что фотон уносит импульс). Такой процесс называется спонтанным излучением и является основным источником излучения в светодиодах.
Однако, при определенных условиях, электрон и дырка перед рекомбинацией могут находиться в одной области пространства достаточно долгое время (до микросекунд). Если в этот момент через эту область пространства пройдет фотон нужной (резонансной) частоты, он может вызвать вынужденную рекомбинацию с выделением второго фотона, причем его направление, вектор поляризации и фаза будут в точности совпадать с теми же характеристиками первого фотона.
В лазерном диоде полупроводниковый кристалл изготавливают в виде очень тонкой прямоугольной пластинки. Такая пластинка по сути является оптическим волноводом, где излучение ограничено в относительно небольшом пространстве. Верхний слой кристалла легируется для создания n-области, а в нижнем слое создают p-область. В результате получается плоский p-n переход большой площади. Две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей, которые образуют оптический резонатор, называемый резонатором Фабри-Перо. Случайный фотон спонтанного излучения, испущенный перпендикулярно этим плоскостям, пройдет через весь оптический волновод и несколько раз отразится от торцов, прежде чем выйдет наружу. Проходя вдоль резонатора, он будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Как только усиление превысит потери, начнется лазерная генерация.
Лазерные диоды могут быть нескольких типов. У основной их части слои сделаны очень тонкими, и такая структура может генерировать излучение только в направлении, параллельном этим слоям. С другой стороны, если волновод сделать достаточно широким по сравнению с длиной волны, он сможет работать уже в нескольких поперечных модах. Такой диод называется многомодовым (англ. «multi-mode»). Применение таких лазеров возможно в тех случаях, когда от устройства требуется высокая мощность излучения, и не ставится условие хорошей сходимости луча (то есть допускается его значительная расходимость). Такими областями применений являются: печатающие устройства, химическая промышленность, накачка других лазеров. С другой стороны, если требуется хорошая фокусировка луча, ширина волновода должна изготавливаться сравнимой с длиной волны излучения. Здесь уже ширина луча будет определяться только пределами, накладываемыми дифракцией. Такие устройства применяются в оптических запоминающих устройствах, лазерных целеуказателях, а также в волоконной технике. Следует, однако, заметить, что такие лазеры не могут поддерживать несколько продольных мод, то есть не могут излучать на разных длинах волн одновременно.
Длина волны излучения лазерного диода зависит от ширины запрещенной зоны между энергетическими уровнями p- и n-областей полупроводника.
В связи с тем, что излучающий элемент достаточно тонок, луч на выходе диода, вследствие дифракции, практически сразу расходится. Для компенсации этого эффекта и получения тонкого луча необходимо применять собирающие линзы. Для многомодовых широких лазеров наиболее часто применяются цилиндрические линзы. Для одномодовых лазеров, при использовании симметричных линз, сечение луча будет эллиптическим, так как расхождение в вертикальной плоскости превышает расхождение в горизонтальной. Нагляднее всего это видно на примере луча лазерной указки.
В простейшем устройстве, которое было описано выше, невозможно выделить отдельную длину волны, исключая значение, характерное для оптического резонатора. Однако в устройствах с несколькими продольными модами и материалом, способным усиливать излучение в достаточно широком диапазоне частот, возможна работа на нескольких длинах волн. Во многих случаях, включая большинство лазеров с видимым излучением, они работают на единственной длине волны, которая, однако обладает сильной нестабильностью и зависит от множества факторов — изменения силы тока, внешней температуры и т. д. В последние годы описанная выше конструкция простейшего лазерного диода подвергалась многочисленным усовершенствованиям, чтобы устройства на их основе могли отвечать современным требованиям.
Конструкция лазерного диода, описанная выше, имеет название «Диод с n-p гомоструктурой», смысл которого станет понятен чуть позже. Такие диоды крайне неэффективны. Они требуют такой большой входной мощности, что могут работать только в импульсном режиме; в противном случае они быстро перегреваются. Несмотря на простоту конструкции и историческую значимость, на практике они не применяются.
Устройство рассмотренных выше диодов имеет n-р структуру. Такие диоды имеют низкую эффективность, требуют значительную мощность на входе, и работают только в режиме импульсов. По-другому они работать не могут, так как быстро перегреются, поэтому не получили широкого применения на практике.
Существует четыре основных типа лазерных диодов: с резонатором Фабри-Перо, с распределенной обратной связью, с распределенным брэговским отражением, с внешним резонатором (рис. 19).
Для организации передачи оптических сигналов не достаточно иметь только источник излучения. В любой конструкции ПОМ есть специальный держатель (housing), который позволяет защитить и закрепить составные элементы передатчика: источник излучения, узел электрического интерфейса и место сопряжения с волокном.
Рис. 19. Три основных типа лазерных диодов :
Для сложных лазерных систем добавляют выходной мониторинг оптического сигнала. Общая схема конструкции оптического передатчика, в которой не все элементы являются обязательными, показан на рис.20.
Рис. 20. Составляющие элементы передающего оптоэлектронного модуля (ПОМ)
Лазеры с двойной гетероструктурой имеют слой вещества с узкой запрещенной зоной. Этот слой находится между слоями материала, у которого широкая запрещенная зона. Обычно для изготовления лазера с двойной гетероструктурой применяют арсенид алюминия-галлия и арсенид галлия. Каждыи из этих соединений с двумя разными полупроводниками получили название гетероструктуры.
Достоинством лазеров с такой особенной структурой является то, что область дырок и электронов, которую называют активной областью, находится в среднем тонком слое. Следовательно, что создавать усиление будут намного больше пар дырок и электронов. В области с малым усилением таких пар останется мало. В дополнение свет станет отражаться от гетеропереходов. Другими словами излучение будет полностью находиться в области наибольшего эффективного усиления.
Диод с квантовыми ямами
При выполнении среднего слоя диода более тонким, он начинает функционировать в качестве квантовой ямы. Поэтому электронная энергия будет квантоваться вертикально. Отличие между уровнями энергии квантовых ям применяется для образования излучения вместо будущего барьера.
Это эффективно для управления волной луча, зависящей от толщины среднего слоя. Такой вид лазера намного эффективнее, в отличие от однослойного, так как плотность дырок и электронов распределена более равномерно.
Гетероструктурные лазерные диоды
Основной особенностью тонкослойных лазеров является то, что они не способны эффективно удерживать луч света. Для решения этой задачи по обеим сторонам кристалла прикладывают два дополнительных слоя, которые обладают более низким преломлением, в отличие от центральных слоев. Подобная структура похожа на световод. Она намного лучше удерживает луч. Это гетероструктуры с отдельным удержанием. По такой технологии произведено большинство лазеров в 90-х годах.
Лазеры с обратной связью в основном применяют для волоконно-оптической связи. Для стабилизации волны на р-n переходе выполняют поперечную насечку для создания дифракционной решетки. Из-за этого в резонатор возвращается и усиливается только одна длина волны. Такие лазеры имеют постоянную длину волны. Она определена шагом насечки решетки. Под действием температуры насечка изменяется. Подобная модель лазера является основой телекоммуникационных оптических систем.
Существуют также лазерные диоды VСSЕL и VЕСSЕL, которые являются поверхностно-излучающими моделями с вертикальным резонатором. Их отличие состоит в том, что у модели VЕСSЕL резонатор внешний, и его конструкция бывает с оптической и токовой накачкой.
Особенности подключения
Лазерные диоды используются во многих устройствах, где необходим направленный световой луч. Основным процессом в сборке устройства с применением лазера своими руками является правильное подключение.
Лазерные диоды отличаются от led диодов миниатюрным кристаллом. Поэтому в нем концентрируется большая мощность, а следовательно и величина тока, что может привести к выходу его из строя. Для облегчения работы лазера существуют особые схемы устройств, которые называются драйверами.
Лазерам необходимо стабильное питание. Однако существуют их модели, имеющие красное свечение луча, и функционирующие в нормальном режиме даже с нестабильной сетью. Если имеется драйвер, то все равно диод нельзя подключать напрямую. Для этого дополнительно нужен датчик тока, роль которого часто играет резистор, подключенный между этими элементами.
Такое подключение имеет недостаток в том, что отрицательный полюс питания не соединен с минусом схемы. Другим недостатком является падение мощности на резисторе. Поэтому перед подключением лазера необходимо тщательно подобрать драйвер.
Существуют два главных вида драйверов, способных обеспечить нормальный режим эксплуатации лазерных диодов.
Импульсный драйвер выполнен по аналогии импульсного преобразователя напряжения, способного повышать и понижать этот параметр. Мощности выхода и входа такого драйвера примерно равны. Однако, существует некоторое выделение тепла, на которое расходуется незначительное количество энергии.
Линейный драйвер действует по схеме, которая чаще всего подает напряжение на диод больше, чем требуется. Для его снижения необходим транзистор, преобразующий излишнюю энергию в теплоту. Драйвер имеет малый КПД, поэтому не нашел широкого применения.
При применении линейных микросхем в качестве стабилизаторов, при уменьшении напряжения на входе диодный ток будет снижаться.
Так как питание лазеров выполняется двумя видами драйверов, схемы подключения имеют отличия.
Схема также может содержать источник питания в виде батареи или аккумулятора.
Аккумуляторы должны выдавать напряжение 9 вольт. Также в схеме должен быть резистор, ограничивающий ток, и лазерный модуль. Лазерные диоды можно найти в неисправном приводе дисков от компьютера.
Лазерный диод имеет 3 вывода. Средний вывод подключается к минусу (плюсу) питания. Плюс подключается к правой, либо левой ножке, в зависимости от фирмы изготовителя. Чтобы определить нужную ножку для подключения, необходимо подать питание. Для этого можно взять две батарейки по 1,5 В и сопротивление 5 Ом. Минус источника подключают к средней ножке диода, а плюс сначала к левой, затем к правой ножке. Путем такого эксперимента можно увидеть, какая из этих ножек является «рабочей». Таким же методом диод подключают к микроконтроллеру.
Лазерные диоды могут работать от пальчиковых батареек, аккумулятора сотового телефона. Однако нельзя забывать, что дополнительно требуется ограничивающий резистор номиналом 20 Ом.
Подключение к бытовой сети
Для этого нужно обеспечить вспомогательную защиту от всплесков напряжения высокой частоты.
Стабилизатор и резистор создают блок предотвращающий перепады тока. Для выравнивания напряжения применяют стабилитрон. Емкость предотвращает возникновение скачков напряжения высокой частоты. При правильной сборке обеспечивается стабильная работа лазера.
Порядок подключения
Наиболее удобным для работы будет красный диод мощностью около 200 мВт. Такие лазерные диоды установлены на дисковые приводы компьютеров.
При подключении следует помнить о безопасности. Все соединения должны быть качественными.
Широкое распространение лазерных диодов привело к появлению большого разнообразия корпусов, специализированных для определенных применений. Официальных стандартов по данному вопросу не существует, однако иногда крупные производители заключают соглашения об унификации корпусов . Кроме того существуют услуги по корпусированию излучателей по требованиям заказчика, поэтому перечислить все разнообразие корпусов затруднительно (miniBUT, miniDIL и т.д.). Точно также и распиновка контактов в знакомом корпусе может оказаться уникальной, поэтому назначение пинов перед покупкой у нового производителя всегда следует перепроверять. Также не следует ассоциировать внешний вид с длиной волны излучения, т.к. на практике излучатель с практически любой (в рамках ряда) длиной волны может быть установлен в любой из корпусов. Основные элементы лазерного модуля:
Ниже перечислены корпуса, наиболее распространенные среди производителей.
Корпуса данного типа предназначены для малого и среднего диапазона мощности излучения (до 250 мВт), т.к. не обладают специализированными теплоотводными поверхностями. Размеры варьируются от 3,8 до 10 мм. Число ножек от 3 до 4, коммутированы они могут быть различным образом, приводя к 8 типам распиновок.
Использование данного корпуса обосновано для мощностей более 10 мВт (для различных длин волн это значение заметно варьируется), когда площади поверхности полупроводника недостаточно для отведения тепла. Более эффективный отвод тепла достигается за счет использования встроенного холодильника Пельтье, отводя тепло на противоположную по отношению к волоконному выходу грань алюминиевого корпуса. Пока температура корпуса при эксплуатации не изменяется, естественного воздушного охлаждения с поверхности достаточно. Для более мощных применений на основной теплоотводящей поверхности (противолежащей от волоконного выхода) устанавливают радиатор, для закрепления которого на корпусе предусмотрены ушки. Расположение ножек в 2 ряда с шагом 2,54 мм позволяет наряду с впаиванием использовать разъемные электрические соединения - колодка для электронных компонентов в корпусах DIP и колодка нулевого усилия ZIF.
Самый распространненый корпус для лазерных диодов с мощностями от 10 мВт до 800 мВт и более. Основное отличие-преимущество перед DIL-корпусом - более эффективный теплоотвод за счет увеличенной площади контакта элемента Пельтье с корпусом лазерного модуля - основной теплоотводящей поверхностью является нижняя. Для этого электрические выводы были перенесены на боковые грани, что усложняет организацию разъемного соединения лазерного модуля с платой управления.
Односторонний вариант полного BUTTERFLY корпуса. Из-за вдвое меньшего количества выводов, отсутствует возможность использовать внутренний фотодиод.
Обычно длину волны не требуется определять с большой точностью. В большинстве случаев биологическая опасность не сильно зависит от длины волны. Существует несколько исключений (см. рисунок 3):
a) область 302,5-315 нм: в данном диапазоне параметры 
и 
меняются существенно;
b) область 450-600 нм: в данном диапазоне фотохимическая опасность уменьшается в одну тысячу раз;
c) область 1150-1200 нм: в данном диапазоне тепловая опасность уменьшается в восемь раз;
d) 400 нм: на длинах волн более 400 нм опасность в основном ретинальная (касается сетчатки глаз); при более коротких длинах волн опасность в основном неретинальная;
e) 1400 нм: на длинах волн более 1400 нм опасность в основном неретинальная (не касается сетчатки глаз); при более коротких длинах волн опасность в основном ретинальная;
Рисунок 3 - Важные длины волн и диапазоны длин волн
Область опасности для глаз
Тепловая опасность существует при достаточном воздействии (облучении) на всех длинах волн выше 400 нм.
Ретинальную фотохимическую опасность рассматривают только при воздействии в диапазоне длин волн от 400 до 600 нм и при времени воздействия более 1 с.
Области опасности разделены следующим образом:
Кроме того опасное воздействие на зрение оказывает AEL - Пределы допустимого(ой) излучения(эмиссии)
В области тепловой ретинальной опасности (диапазон длин волн 400-1400 нм) значения AELs зависят от стягиваемого угла, 
, мнимого (видимого) источника с учетом коэффициента коррекции 
(см. таблицы 4-9 в IEC 60825-1:2007). Используемая для расчета AEL формула зависит от 
, а зависит от .
Видимый источник - это реальный или виртуальный объект-источник, формирующий наименьшее изображение на сетчатке глаза при заданном месте оценки ретинальной опасности. Стягиваемый угол видимого источника определяется наименьшим размером изображения на сетчатке, которое глаз может воспроизвести за счет аккомодации (т.е. за счет изменения фокусного расстояния глазной линзы). Стягиваемый угол видимого источника используют в качестве меры размеров изображения на сетчатке. Стягиваемый угол - это плоский угол, стягиваемый диаметром видимого источника в линзе глаза, см. рисунки 6а и 6Ь. Стягиваемый угол видимого источника может изменяться в зависимости от позиции вдоль оси пучка. За исключением поверхностных излучателей (таких как полностью диффузно прошедших или отраженных пучков или светодиодов без крышек объектива или отражателей) местоположение видимого источника также является функцией позиции глаза вдоль пучка.
На данном примере показано прохождение пучка через диффузор или отражение от диффузора, такого как матированная колба лампы, где электролампа является и реальным, и видимым источником.
Данная ситуация более сложная, чем при простом источнике, как например, на рисунке 6а, и как стягиваемый угол, так и местоположение видимого источника обычно изменяются в зависимости от положения в пучке.
6а - Стягиваемый угол () и размер видимого источника (
) некогерентного или диффузного источника
6b - Стягиваемый угол основного лазерного пучка в одной из точек размещения в пучке
Рисунок 6 - Стягиваемый угол
Такая же мощность или энергия, растекающаяся по большому рентинальному пятну в большинстве случаев, уменьшает ретинальную опасность на коэффициент . Поэтому это является важным параметром для средних (1,5
100 мрад) и больших (
100 мрад) отдельных источников и для групповых источников. Однако часто определять стягиваемый угол совсем необязательно, и можно предположить, что коэффициент равен единице. Это обеспечивает наиболее стабильную оценку. Оценку опасности или классификации лазера всегда следует начинать с допущения, что коэффициент 
1. Если этого достаточно и значения AEL предполагаемого класса лазера не превышены, проводить дальнейший анализ не требуется.
Большинство единичных лазеров без оптики, модифицирующей пучок являются малыми источниками, коэффициент 1, и местоположение видимого источника не является важным для безопасности лазера
Определение стягиваемого угла, , при использовании коэффициента 
1 для основного лазерного пучка приведено в 7.5.3.
Для поверхностных излучателей, таких как, диффузно-пропускающих или диффузно-отражающих лазерные пучки, или бескорпусных лазерных диодов (без модифицирующей оптики) можно использовать упрощенный анализ
Лазерные диоды — важные электронные компоненты. Лазерные диоды широко применяются в различных областях, включая:
Коммуникации: Лазерные диоды используются в оптических волоконных сетях для передачи данных на высоких скоростях. Они позволяют передавать большие объемы информации на большие расстояния с высокой точностью.
Медицинская техника: В медицинских приборах, таких как лазерные системы для хирургии и лечения, лазерные диоды используются для точной обработки и удаления тканей.
Промышленность: Лазерные диоды применяются для маркировки, резки и сварки материалов в промышленности.
Сканирование и печать: Они также используются в лазерных сканерах и принтерах для создания высококачественных изображений и текста.
Сенсоры и измерения: Лазерные диоды могут быть использованы в различных сенсорных устройствах и системах измерения для определения расстояний и других параметров.
Лазерные диоды обладают рядом преимуществ, таких как высокая эффективность, компактность, надежность и долгий срок службы, что делает их популярным выбором для множества приложений.
Они находят широкое применение как управляемые источники света в волоконно-оптических линиях связи. Также они используются в различном измерительном оборудовании, например лазерных дальномерах и нивелирах.
Другое распространенное применение — считывание штрих-кодов в специальных сканерах.
Лазеры с видимым излучением, обычно красные и иногда зеленые — в лазерных указках, компьютерных мышах.
Инфракрасные и красные лазеры — применялись в проигрывателях CD и DVD.
Фиолетовые лазеры — применялись в устройствах HD DVD и Blu-Ray.
Синие лазеры — в проекторах нового поколения в качестве источника синего света и зеленого (получаемого за счет флюоресценции специального состава под воздействием синего света).
Исследуются возможности применения полупроводниковых лазеров в быстрых и недорогих устройствах для спектроскопии.
До момента разработки надежных полупроводниковых лазеров, в проигрывателях CD и считывателях штрих-кодов разработчики вынуждены были использовать небольшие гелий-неоновые лазеры.
Применение лазерных диодов в медицине
Появление в последнем десятилетии ХХ века мощных полупроводниковых лазеров (лазерных диодов), быстрый прогресс в увеличении коэффициента полезного действия, надежности и реализуемых уровней выходной мощности при снижении себестоимости позволили в значительной степени устранить эти препятствия. Дополнительные возможности открылись при использовании принципов волоконной оптики внутри лазера. Появились аппараты, в которых лазерный модуль выполнен в виде интегрального волоконного устройства, т. е. не содержит нуждающихся в точной настройке и подверженных внешним воздействиям дискретных элементов. Схема такого возможного оптического скальпеля представлена на рис. 10.1.
Рис. 10.1. Величины плотности мощности и длительности импульсов при использовании лазеров в медицине
Рис.10.1. Схема оптического скальпеля
Излучение лазерных диодов с волоконным выводом излучения 1 с помощью специальных сварных элементов 2 сводится в единое волокно 3, из которого через разъем 4 подается в рабочий световод 5. Разработанные технологии позволяют ввести в устройство участок активированного волокна 6 с волоконными
аналогами зеркал 7, образующие волоконный лазер. При этом появляется возможность получения лазерного излучения с другими длинами волн. Фактически такое устройство представляет собой моток оптического волокна с приваренными к нему лазерными диодами и, благодаря свойствам волокна удерживать свет, не
нуждается в юстировке и не боится внешних механических воздействий вплоть до величины, приводящей к разрушению волокна. Понятно, что внутрь волокна нет доступа пыли и влаге. Итак, в настоящее время созданы условия для вытеснения из медицинских аппаратов традиционных лазеров лазерными диодами и лазерами с диодной накачкой. Это обусловлено следующими их преимуществами:
Достоинством является и возможность воздействия на биоткани лазерного излучения с различными длинами волн. Применяются аппараты с длинами волн рабочего излучения 0,97 мкм, 1,06 мкм, 1,56 мкм и 1,9 мкм.
Длина волны лазерного излучения оказывается основным фактором, определяющим глубину воздействия излучения на биоткани, а, значит, и объем ткани, в котором происходит тепловыделение. На рис. 10.2 представлены зависимости относительных коэффициентов поглощения лазерного излучения от длины
волны в воде, оксигемоглобине и меланине. Кроме этого на рисунке отмечены длины волн лазерных аппаратов выполненных на основе лазерных диодов или лазеров с диодной накачкой, используемых или имеющих хорошие перспективы применения в хирургии.
Рис.10.2. Зависимость поглощения излучения от длины волны в воде (1), оксигемоглобине (2) и меланине (3). 0,81 и 0,97 мкм – лазерные диоды; 1,06 – лазерные диоды и волоконные лазеры на Yb (иттербий) - активированном волокне; 1,56 - волоконные лазеры на Er (эрбий) -активированном волокне; 1,9 - волоконные лазеры на Tm (тулий) -активированном волокне.
Кроме того лазреные диоды прмиеренятся для Оптических пинцетов (optical tweezers), (лазерный пинцет или оптическая ловушка)
Применение лазерных диодов в военном деле
Важной отличительной особенностью инфракрасного излучения является его «невидимость». Благодаря инфракрасному лазеру может быть получено невидимое глазу пятно, которое, однако, можно наблюдать прибором ночного видения.
Этим свойством инфракрасных лазеров обусловлено и довольно широкое военное их применение, поскольку работу лазерных систем наведения теперь проще скрыть от противника. Сам излучатель может располагаться хоть на самолете, хоть на земле, и обеспечивать при этом высокую точность попадания ракет и «умных» бомб, которые ориентируются на отраженное от цели инфракрасное пятно.
Лазерные диоды имеют множество важных применений в военной сфере благодаря своей способности создавать высокоинтенсивные и узконаправленные лазерные лучи. Ниже приведены некоторые из специфических областей использования лазерных диодов в военных целях:
Лазерная мишень: Лазерные диоды могут использоваться для создания лазерных мишеней, которые помогают солдатам и пилотам наводить оружие и боеприпасы на цель с высокой точностью.
Лазерное обозначение целей: Лазерные маркеры могут быть применены для обозначения целей или местоположений для других боевых средств, таких как управляемые ракеты или бомбы.
Оптика и навигация: Лазерные диоды используются для создания лазерных указателей и навигационных систем, которые помогают солдатам и технике определять местоположение и ориентироваться на поле боя.
Инфракрасные маркеры и фонари: Инфракрасные лазерные диоды могут быть использованы для ночной навигации и обозначения целей при условиях ограниченной видимости.
Лазерное оружие: Лазеры также могут быть использованы в качестве оружия, чтобы временно ослепить, сломать оптику или повредить сенсоры противника.
Лазерные системы для обнаружения и защиты: Лазеры могут служить для обнаружения и помехи дронам и другим беспилотным аппаратам.
Лазерные связи: Лазерные диоды могут использоваться для передачи данных в условиях, где радиосвязь может быть подвержена помехам.
Оптические датчики и прицелы: Лазерные диоды используются в прицелах и оптических системах для точного определения расстояния и вычисления траектории стрельбы.
Использование лазерных диодов в военных приложениях помогает улучшить точность, эффективность и безопасность боевых операций, а также обеспечивает возможность работы в различных условиях и временами суток и, к сожалению, лишать жизни и здоровья homo sapiens.
Комментарии
Оставить комментарий
Электроника, Микроэлектроника , Элементная база
Термины: Электроника, Микроэлектроника , Элементная база