Содержание
Твердотельный лазер
Laser состоит из полости с плоскими или сферическими зеркалами на концах, заполненной специальным материалом. Этот материал может быть возбужден до полустабильного состояния с помощью света или электрического разряда. Материал может быть кристаллом, стеклом, жидкостью, красителем или газом, если он может быть возбужден таким образом. Твердотельный лазер — это тот, который использует кристалл, атомы которого жестко связаны, в отличие от газа. Кристалл производит свет, после накачки лампой или другим лазером твердотельных диодные
Самая простая полость имеет два зеркала, одно из которых полностью отражает свет, а другое отражает от 50 до 99%. Когда свет отражается между этими зеркалами, его интенсивность увеличивается. Поскольку свет движется в том же направлении, что и интенсивный луч, Laser излучает очень яркий пучок света. Лучи могут также проецироваться на большие расстояния и могут быть сфокусированы на очень маленьком участке твердотельных диодные
Тип зеркала определяет тип луча. Очень яркий, высоко монохроматический и когерентный луч получается, когда одно зеркало пропускает всего 1-2% света. Если используются плоские зеркала, луч сильно коллимирован (частицы движутся параллельно друг другу). Луч выходит около одного конца полости, когда используются вогнутые зеркала. Тип луча в первом случае делает их очень полезными в медицине, поскольку это свойство позволяют врачу более точно нацеливать его в нужную область, избегая повреждения окружающих тканей твердотельных диодные
Одним из способов возбуждения атомов до более высокого энергетического уровня является освещение лазерного материала светом более высокой частоты. В других случаях, известных как оптическая накачка твердотельного лазера, эти твердотельные лазеры используют стержень из твердого кристаллического материала, концы которого отполированы ровно, параллельно друг другу и покрыты зеркалами для отражения лазерного излучения. Ионы подвешены в кристаллической матрице и испускают электроны при возбуждении. Так работают импульсные твердотельные лазеры.
Стороны стержня оставлены чистыми, чтобы пропустить свет от лампы накачки, которая может быть импульсной газовой разрядной лампой (аналогичные используют в стробоскопах), создающей мигающий свет. Первый твердотельный Laser использовал стержень из розового рубина и искусственного кристалла сапфира. В настоящее время используются два обычных твердотельных лазера:
- неодим: иттрий-алюминиевый гранат
- неодим: стекло
Оба используют криптоновые или ксеноновые импульсные лампы для оптической накачки. Яркие вспышки света могут достигать тысяч ватт, а срок службы составляет около 10000 часов диодные
Поскольку их свет может быть сфокусирован на небольшом пятне с большой интенсивностью, маленький импульсный Laser может генерировать достаточно тепла для испарения различных материалов. Таким образом, лазеры используются в различных процессах удаления материала, включая механическую обработку. Например, рубиновые лазеры используются для сверления отверстий в алмазах для штампов волочения проволоки и в сапфирах для подшипников часов.
Концепция лазеров была впервые предложена Альбертом Эйнштейном, который показал, что свет состоит из частиц без массы, называемых фотонами. Каждый фотон имеет энергию, соответствующую частоте волн. Чем выше частота, тем больше энергии переносится волнами фотонов. Эйнштейн и еще один ученый по имени С. Н. Бозе разработали теорию явления, при котором фотоны движутся направленно. Это принцип, лежит в основе лазера.
Лазерное воздействие было впервые продемонстрировано в 1954 году лауреатом Нобелевской премии Чарльзом Таунсом и его коллегами. Они проецировали пучок молекул аммиака через систему фокусирующих электродов. Когда мощность микроволнового излучения соответствующей частоты пропускалась через резонатор, происходило усиление и тогда появился термин микроволновое усиление посредством стимулированного излучения. Термин Laser был впервые введен в 1957 году физиком Гордоном Гулдом твердотельных диодные
Год спустя Таунс работал с Артуром Шавлоу, и оба предложили использовать название Laser, получив патент на него в 1960 году. В том же году Теодор Майман, физик из исследовательской лаборатории Хьюза, изобрел первый практически работающий Laser. Он был твердотельного типа, в котором использовался розовый рубиновый кристалл, окруженный лампой, заключенной в цилиндрическую полированную алюминиевую полость, охлаждаемую принудительно подаваемым воздухом. Рубиновый цилиндр был отполирован с обоих концов, чтобы быть параллельным с точностью до трети длины волны света. Каждый конец был покрыт выпаренным серебром. Этот лазер работал в импульсном режиме. Два года спустя был создан непрерывно работающий рубиновый Laser. Он получился при замене лампы производящей вспышки на дуговую лампу, которая испускала свет постоянно твердотельных диодные
После того, как Laser Маймана был успешно продемонстрирован публике, другие исследователи испробовали множество других субстратов и редкоземельных элементов для создания лазеров, в том числе эрбий, неодим и даже уран. Были испытаны субстраты иттрий-алюминиевого граната, стекла и фторида кальция. Разработка мощных лазерных диодов (устройства, которое формирует когерентный световой поток с использованием электродов или полупроводников) в 1980-х годах привела к появлению полностью твердотельных лазеров.
Существуют в основном три вида ионов металлов, которые могут производить стимулированное излучение в твердом теле:
- Ионы переходных металлов (такие как Cr3 +)
- Большинство ионов металлов лантаноидов (Nd3 +, Sm2 +, Dy2 + и т. д.)
- Ионы металла актинида (такие как U3 +)
Основные характеристики легированных ионов металлов в твердой матрице имеют эффективный спектр поглощения в широкой полосе, высокую эффективность флуоресценции, длительное время жизни флуоресценции и относительно узкие спектры флуоресценции, поэтому легко производить инверсию и вынужденное излучение. В качестве разновидности искусственной кристаллической матрицы используются твердотельных диодные
- Корунд (NaAlSi2O6)
- Иттриево-алюминиевый гранат (Y3Al5, O12)
- Вольфрамат кальция (CaWO4)
- Фторид кальция (CaF2)
- Алюминат иттрия (YAlO3)
- Бериллат лантана (La2Be2O5)
- и т. д.
Стеклянная матрица в основном изготавливается из высококачественного силикатного оптического стекла — бариевое коронное стекло и кальциевое коронное стекло. По сравнению с кристаллической матрицей основными характеристиками стеклянной матрицы являются простота приготовления и легкий доступ к крупногабаритным высококачественным материалам. Основные требования к кристаллу и стеклянной матрице легко включаются в активацию ионов легких металлов; обладает хорошими спектральными характеристиками, оптическим пропусканием и высокими оптическими свойствами (показателем преломления); с физическими и химическими свойствами, подходящими для длительной работы лазера (такими как термические свойства, свойства против разложения, химическая стабильность и т. д.) твердотельных диодные
Кристаллический Laser представлен Al2O3: Cr3 + и иттриево-алюминиевым гранатом, легированным неодимом (YAG: Nd3 +)
Стеклянные лазеры типичны для лазеров на неодимовом стекле. В настоящее время разработаны и успешно применяются различные типы твердотельных лазеров тип твердотельных диодные
Рабочее вещество твердого лазера
абочее вещество твердого лазера, состоящее из оптически прозрачных кристаллов или стекла в качестве основного материала, легированного активированными ионами или другими активными веществами. Рабочие материалы должны иметь хорошие физико-химические свойства, узкие спектры флуоресценции, сильные и широкие полосы поглощения и высокую квантовую эффективность флуоресценции твердотельных диодные
Материалы для лазерной обработки стекла легко превращаются в материалы даже больших размеров и могут использоваться в лазерах с высокой энергией или с высокой пиковой мощностью. Но спектр его флуоресценции широк, а его тепловые характеристики плохие, поэтому он не подходит для работы при высокой средней мощности. Обычное стекло Nd имеет силикатное, фосфатное и фторфосфатное стекло. В начале 80-х годов было разработано неодимовое стекло с отрицательным показателем преломления и отрицательным температурным коэффициентом. Может использоваться в лазерах средней и малой энергии с высокой частотой повторения.
Материалы для работы кристаллического лазера обычно имеют хорошие термические и механические свойства, узкие флуоресцентные линии, но технология получения высококачественных материалов большого размера затрудняется ростом кристаллов. С 60-х годов более 300 видов редкоземельных металлов или оксидов ионов переходных металлов и кристаллов фтора были применены для реализации лазерных колебаний. Кристаллы рубина (Cr: Al2O3, длина волны 6943 ангстрем), иттриево-алюминиевый гранат, легированный неодимом (Nd: Y3Al5O12, Nd: YAG, длина волны 1,064 микрона), фторид лития иттрия (LiYF4, YLF; Nd: YLF, длина волны 1,047 или 1,05 микрона ; Ho: Er: Tm: YLF, длина волны 2,06 мкм) диодные
Ангстрем (Å) — единица измерения длины, равная 10 в −10 степени метра.
С 1973 года существует класс самоактивируемых лазерных кристаллов. Их активный ион является химическим компонентом кристалла, поэтому концентрация ионов активации высока и не приводит к гашению флуоресценции. Лазерное усиление кристалла высокое, а порог накачки низкий. Основными разновидностями являются пять фосфорнокислый неодим (NdP5O14), четыре лития фосфата неодим (NdLiP4O12) и борат алюминия неодима (NdAl3 (BO4) 3) и так далее. Они выращены с помощью расплавленной соли, которая имеет небольшие размеры и может быть использована в небольших твердотельных лазерах диодные
Источник возбуждения
Твердотельный лазер использует свет в качестве источника возбуждения. Используют источник непрерывного возбуждения с криптоновой дуговой лампой, галогенной лампой, калиево идиевая лампа и т. д. В небольших лазерах с длительным сроком службы в качестве источника возбуждения можно использовать полупроводниковый светодиод или солнечный свет. Некоторые новые твердотельные лазеры также имеют лазерное возбуждение твердотельных диодные
Свет является лишь частью спектра излучения, поглощаемого рабочим веществом, в сочетании с другими потерями, поэтому эффективность преобразования энергии не высока, как правило, от нескольких тысячных до нескольких процентов.
Осуществляем поставки лазерных диодов мелкими и крупными партиями для организаций и предприятий. Поставка лазерных диодов по договору в течении недели на прямую с завода. Любые типы лазерных диодов 405, 450, 520, 532, 635, 660, 750, 808, 980, 1064, 1310, 1550 нм. 2, 5, 10, 20, 50, 200 мВт. Лазерные диоды высокой мощности укомплектованные оптическим волокном, а так же любые лазерные диоды и диодные сборки по вашему запросу.
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.
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.
Устройство и принцип работы
В простом диоде на анод подается положительное напряжение, то 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 расположении дырки и электрона рядом друг с другом, то они рекомбинируют и выделяют фотонную энергию 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, то он вызовет вынужденную рекомбинацию, и при этом выделится второй фотон. 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.
Разновидности
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.
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.
Виды драйверов
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.
- Перед подключением с помощью батарейки проверить работу лазерного диода.
- Выбрать необходимо самый яркий полупроводник. Если диод взят из дискового привода компьютера, то он светит инфракрасным светом. Луч лазера запрещается наводить на глаза, так как это приведет к повреждению глаз.
- Диод монтировать на радиатор для охлаждения, в виде алюминиевой пластины. Для этого предварительно сверлить отверстие.
- Между диодом и радиатором промазать термопастой.
- Резистор на 20 Ом и 5 ватт подключить по схеме с батарейками и лазером.
- Диод шунтировать керамическим конденсатором любой емкости.
- Отвернуть от себя диод и проверить его работу, подключив питание. Должен появиться красный луч.
При подключении следует помнить о безопасности. Все соединения должны быть качественными.
