Masina cu laser cu dioda

Tipuri de aparate cu laser cu diode

Laser cu diode cu emisie de margine
Laserele cu diodă emițătoare de margine emit lumină laser de la marginea cipului semiconductor. Ele emit lumină paralelă cu suprafața cipului. Laserele cu diodă cu emisie de margine sunt formate dintr-un cip format din arseniură de galiu (GaAs), fosfură de indiu (InP) sau nitrură de galiu (GaN). Cipul este compus din două (sau mai multe) straturi, inclusiv regiunea de epuizare a sarcinii (activă) la joncțiunea pn, unde are loc efectul laser.

Diodele cu emisie de margine pot oferi niveluri mari de putere optică, variind de la miliwați la zece wați sau mai mult. Ele prezintă, de asemenea, o eficiență electrică mai mare decât cea tipică, în comparație cu majoritatea celorlalte tipuri de laser și diode laser. Aceste lasere sunt utilizate în majoritatea domeniilor: telecomunicații, stocare optică a datelor, scanare coduri de bare, imprimare cu laser, detecție optică, echipamente medicale și sisteme laser industriale.

Laser cu diodă emițătoare de suprafață cu cavitate verticală (VCSED).
Dispozitivele VCSED sunt denumite mai frecvent lasere cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VCSEL). Acestea sunt o clasă de diode laser semiconductoare care emite lumină laser perpendicular pe suprafața cipului, prin suprafața superioară a cipului. VCSEL-urile sunt formate dintr-un cip de joncțiune pn cu o cavitate verticală, constând din două oglinzi reflectoare Bragg distribuite. Regiunea activă, unde lumina este inițiată prin anularea încărcării, este centrată între aceste oglinzi. Acest tip de laser populează în general regiunea activă cu puțuri cuantice sau structuri similare care inducă câștig. Lumina este emisă perpendicular pe suprafața cipului ca un fascicul circular sau eliptic cu un profil bine definit și simetric. Acest profil al fasciculului răspunde bine la colimare, cu divergență relativ scăzută.

Aceste dispozitive au mai multe avantaje față de laserele cu diodă emițătoare de margini. Curentul lor de prag este scăzut, permițând o eficiență electrică ridicată la niveluri scăzute de putere. Acele dispozitive cu profil de fascicul circular sunt potrivite pentru cuplarea la fibre optice. Un avantaj major al VCSEL-urilor este că pot fi fabricate la scară de napolitană, ceea ce duce la costuri de producție mai mici și o uniformitate mai mare decât dispozitivele construite individual.

Laserele VCSED sunt disponibile pentru a emite o gamă de lungimi de undă, de la mijlocul până la infraroșu apropiat, precum și lumină vizibilă. Lungimea de undă a ieșirii rezultă din selecția materialului, proiectarea joncțiunii și forma cavității rezonante. Sunt utilizate pe scară largă în: rețele de fibră optică, interconexiuni optice și sisteme de transmisie de date de mare viteză. Ele sunt, de asemenea, utilizate în detectarea 3D pentru recunoașterea facială și detectarea adâncimii în dispozitivele mobile și în aplicații optice și de detectare mai generale, cum ar fi șoarecii optici, imprimantele laser și scanerele 3D.

Laser cu feedback distribuit (DFB).
Laserele DFB (feedback distribuit) au o structură similară cu alte lasere semiconductoare. Cu toate acestea, includerea unei structuri periodice de rețea în regiunea activă, sau ghidul de undă extern, este unică pentru această clasă. Rețeaua de feedback distribuit constă dintr-o variație periodică a indicelui de refracție al regiunii ghidului de undă, rezultând o modulare periodică a profilului câștigului. Acesta acționează ca un mecanism de feedback, forțând feedback-ul/amplificarea optică la o lungime de undă selectată în timp ce suprimă alte moduri. Aceasta înseamnă că aceste dispozitive produc lumină la o anumită lungime de undă, cu puritate spectrală ridicată și lățime de linie îngustă. Acesta este ideal pentru comunicații prin fibră optică cu viteză mare de date, detecție și diverse aplicații de spectroscopie și metrologie de înaltă rezoluție.

Laserele DFB pot fi, de asemenea, proiectate pentru reglarea lungimii de undă într-un interval limitat. Acest lucru rezultă din reglarea temperaturii, reglarea curentului sau un mecanism de feedback extern care permite ajustarea indicelui de refracție.

Laseruri cuantice în cascadă (QCL)
Laserul cuantic în cascadă (QCL) utilizează ca sursă laser tranzițiile în cascadă cuantică între nivelurile de energie din mai multe joncțiuni semiconductoare. QCL-urile sunt construite din mai multe puțuri cuantice, cu bariere formate din straturi semiconductoare ale diferitelor benzi interzise. Când se aplică un curent de polarizare directă, electronii și găurile călătoresc prin mai multe niveluri de energie cuantificate, generând eficient fotoni la fiecare tranziție. Ele furnizează emisie în regiunile medii infraroșu și teraherți ale spectrului electromagnetic și pot emite o gamă largă de lungimi de undă în aceste regiuni. Majoritatea tehnologiilor laser cu infraroșu mediu au nevoie de răcire criogenică, în timp ce QCL-urile funcționează la temperatura camerei, ceea ce le face ideale pentru aplicațiile care au nevoie de acest interval de frecvență. Furnizarea de niveluri mari de putere optică le face potrivite pentru aplicații cu energie mai mare, oferind un mod de undă continuă (CW) cu o ieșire foarte stabilă.

Reglarea relativ simplă a lungimii de undă de emisie este realizată prin ajustarea grosimii stratului și a tensiunii de polarizare, făcându-le ideale pentru aplicațiile de analiză spectroscopică care necesită lungimi de undă multiple. Ele sunt, de asemenea, utilizate pentru monitorizarea mediului, sisteme de diagnostic medical, teledetecție și comunicare în spațiul liber.

Laser cu diodă cu cavitate externă (ECDL)
ECDL-urile sunt un format de dispozitiv care utilizează o cavitate externă, de obicei un reflector extern sau un grătar, pentru a amplifica ieșirea laserului și a controla caracteristicile acestuia. ECDL-urile permit reglabilitate crescută, lățime de linie îngustă și control precis al lungimii de undă în comparație cu alte formate ale laserului cu diodă. Au o structură similară cu alte lasere cu diodă, cu o joncțiune pn polarizată înainte și o regiune activă în care sunt emiși fotoni. Cavitatea externă este adăugată la laser pentru a oferi feedback optic care permite reglarea cu precizie a frecvenței de emisie. Această cavitate găzduiește un reflector, un grătar sau o altă structură optică care reflectă o parte din fascicul înapoi în cavitate.

ECDL-urile pot facilita lățimi de linii mai înguste, în comparație cu alte tipuri de laser cu diode. Cavitatea externă suprimă modurile longitudinale nedorite și zgomotul optic, oferind o mai bună coerență și un fascicul mai îngust. Această clasă de dispozitiv este ideală pentru aplicațiile care necesită puritate spectrală ridicată pentru cuantificare optică foarte precisă.

ECDL-urile oferă o reglabilitate semnificativ îmbunătățită a lungimii de undă, în comparație cu majoritatea laserelor cu diode. Lungimea de undă laser poate fi reglată cu precizie prin ajustarea subtilă a poziției sau a unghiului de incident al reflectorului extern sau al grătarului. Acest lucru permite un spectru larg de aplicații solicitante în spectroscopie, fizica atomică și moleculară și metrologie. Un avantaj al designului bun în cavitatea rezonantă externă este că reglarea frecvenței de emisie poate fi fără mod-hop - adică pot fi făcute ajustări netede între lungimile de undă dorite, fără modificări asimptotice și perturbatoare.

Laser cu diode conice
Laserele cu diodă conică (sau amplificatoarele conice; laserele conice) sunt o clasă de lasere cu o cavitate de amplificare conică. Aceste lasere realizează o putere mare de ieșire, o calitate bună a fasciculului și o eficiență electrică ridicată. Această regiune conică este mai largă la capătul de intrare și se îngustează treptat spre capătul de ieșire. Această înclinare servește la creșterea lățimii fasciculului și la reducerea densității optice în regiunea de amplificare a laserului.

Secțiunea de amplificare conică permite o suprafață de mod crescută, permițând extragerea puterii optice mai mari. De asemenea, ajută la îmbunătățirea colimării calității fasciculului în ieșire. Conicitatea crește, de asemenea, eficiența utilizării energiei pompei aplicate. Un alt beneficiu al conicității este creșterea spectrului de câștig, permițând o gamă mai largă de lungimi de undă în ieșire. Această adaptabilitate este o caracteristică deosebit de valoroasă a clasei. Aceste dispozitive sunt utilizate pe scară largă în prelucrarea materialelor, gravarea cu laser și pomparea cu laser (pentru lasere cu gaz și cu stare solidă de mare putere). Puterea lor mare și calitatea bună a fasciculului le fac să fie potrivite pentru aplicații solicitante în care precizia, viteza și puterea sunt esențiale.

Laser cu diode superluminiscente (SLD).
Laserele SLD (diodă superluminiscentă), cunoscute și ca surse cu emisie spontană amplificată (ASE), sunt un tip de laser care îmbină proprietățile diodelor laser și ale LED-urilor. Ele produc lumină cu spectru larg de intensitate ridicată, făcându-le potrivite pentru aplicații speciale în imagistică, detecție prin fibră optică și telecomunicații. Laserele SLD generează lumină incoerentă prin emisie spontană amplificată. Aceste dispozitive produc o lățime de bandă largă de lumină, variind de la zeci la sute de nanometri, făcând SLD-urile potrivite pentru aplicații care necesită o gamă spectrală largă sau imagini de înaltă rezoluție. SLD oferă o ieșire foarte luminoasă, care este o măsură a puterii optice pe unitatea de unghi solid și unitatea de lățime de bandă a lungimii de undă. Luminozitatea ridicată rezultă din emisia spontană amplificată și amplificarea optică. Ieșirea lor are o lungime de coerență scurtă în comparație cu laserele convenționale. Aceasta este distanța pe care undele electromagnetice își mențin relația de fază. Acest lucru le face potrivite pentru aplicații care necesită interferențe cu coerență scăzută sau imagini cu rezoluție în profunzime. SLD-urile sunt utilizate în tomografia cu coerență optică (OCT), detecția cu fibră optică, spectroscopie, imagistica biomedicală, metrologia optică și testarea optică. Ele sunt deosebit de valoroase în sistemele OCT pentru imagistica de înaltă rezoluție a țesuturilor și materialelor biologice.

Laseruri cu heterostructură dublă
Laserele cu heterostructură dublă (DH) sunt o ramură a familiei de diode laser care integrează o heterostructură care îmbunătățește performanța tehnologiei. Laserele DH au un prag de curent mai mic, o eficiență mai mare și o putere de ieșire crescută, în comparație cu construcția obișnuită a homouncțiunii.

Laserele DH sunt asamblate din două joncțiuni pn formate în trei straturi. Zona de epuizare (stratul central, de tip n) este cuplată între două straturi de tip p cu un bandgap mai larg. Această configurație creează o izolare eficientă a purtătorilor și un mod optic fără scurgeri, crescând eficiența electrică și performanța generală. Limitarea sporită a purtătorului ajută la creșterea densității și recombinarii purtătorilor, ceea ce duce la un câștig mai mare și o eficiență operațională îmbunătățită în majoritatea aspectelor. Un beneficiu secundar este că heterostructura induce confinarea optică, stimulând interacțiunea lumină-materie. Curentul de prag inferior rezultă din scurgerile mai mici ale purtătorului de sarcină, permițând laserului să atingă pragul pentru apariția laserului la niveluri de curent mai scăzute.

Aceste dispozitive sunt utilizate pe scară largă în telecomunicații, dispozitive optice de date, imprimare cu laser și sisteme de măsurare cu laser. Ele sunt deosebit de valoroase în comunicațiile cu fibră optică pe distanțe lungi, în care eficiența ridicată, curenții de prag scăzut și puterea mare sunt benefice.

Laser cu diode cuantice
Laserele cu diodă cuantică sunt o familie de dispozitive care conțin structuri cuantice bune care îmbunătățesc proprietățile optice/electrice. Acestea realizează un prag de curent mai mic, o eficiență energetică mai mare și un control îmbunătățit al lungimii de undă, în comparație cu dispozitivele mai de bază. Aceste dispozitive sunt construite dintr-o structură stratificată de plăci subțiri semiconductoare cu bandgap mai îngustă, încapsulate în straturi cu bandgap mai înalte. Stratul de puțuri cuantice creează o regiune de izolare atât pentru purtători, cât și pentru fotonii generați, îmbunătățind amplificarea optică. Purtătorul limitat atinge o densitate mai mare în regiunea sondei cuantice, ceea ce facilitează utilizarea îmbunătățită a purtătorilor pentru emisia stimulată, rezultând o eficiență îmbunătățită a conversiei puterii. Acestea permit controlul precis asupra lungimii de undă generate, prin ajustarea lățimii și compoziției puțului. Acest lucru permite ca lungimea de undă de emisie să fie reglată cu precizie la specificații exigente.

Laserele cu diode cu puțuri cuantice sunt renumite pentru ieșirea cu lățime de linie îngustă. Suprimarea competiției în modul longitudinal și zgomotul optic redus au ca rezultat o mai bună coerență și un comportament spectral mai îngust. Acest format de dispozitiv este deosebit de benefic în telecomunicații, stocarea datelor optice, imprimarea cu laser și diagnosticarea medicală. Sursele compacte și eficiente de radiație pentru comunicațiile cu fibră optică sunt critice în lățimea de bandă mare și fibra optică pe distanțe lungi.

Laser cu un singur mod longitudinal (SLM).
Laserele cu un singur mod longitudinal (SLM) emit lumină pentru a produce o singură frecvență sau lungime de undă cu o coerență ridicată și lățime de linie îngustă. Laserele SLM aplică diverse tehnici, cum ar fi elemente de selecție a modului, metode de stabilizare a frecvenței și optimizarea designului cavității pentru a obține această ieșire monomod. Suprimarea modurilor longitudinale interferente generează o ieșire foarte coerentă cu un spectru de frecvență îngust.

Laserele SLM sunt utilizate în diverse domenii, cum ar fi telecomunicațiile, detecția cu fibră optică, metrologie, spectroscopie și interferometrie și ca instrumente de cercetare, datorită coerenței lor ridicate, controlului precis al lungimii de undă și lățimii de linie înguste.

Laseruri în cascadă interbandă
Laserele în cascadă interbandă (ICL) operează pe tranziția interbandă între diferite benzi electronice din regiunea activă. Acestea oferă o funcționare eficientă și de înaltă performanță în spectrul lungimii de undă în infraroșu mijlociu. ICL-urile beneficiază de tranzițiile inter-benzi între benzile de energie din cadrul fiecărei plăci, exploatând tranzițiile în cascadă între mai multe etape/puțuri cuantice pentru a obține un câștig optic și o emisie laser îmbunătățite. Laserele cu diodă convenționale se bazează pe tranziții intrabandă mai limitate. Ele sunt de obicei proiectate pentru a genera radiații în lungimi de undă medii în infraroșu, între 3 și 12 micrometri. Mai multe etape de sondă cuantică sunt conectate electric într-o configurație în cascadă. Fiecare etapă participă la procesul de câștig, rezultând o amplificare optică mai mare decât dispozitivele cu o singură joncțiune.

ICL-urile furnizează un curent de prag deosebit de scăzut pentru apariția laserului. Transportul și utilizarea transportatorului cu eficiență mai mare au ca rezultat un consum mai mic de energie. ICL-urile sunt aplicate la detectarea gazelor, analiza chimică, monitorizarea mediului, controlul proceselor industriale și comunicațiile optice în spațiu liber. Radiația în infraroșu mediu este utilă pentru detectarea și măsurarea anumitor poluanți.

Laseruri cu heterostructură de izolare separată
Laserele cu heterostructură separată (SCH) utilizează un design heterostructură pentru a îmbunătăți proprietățile optice și electrice. Acest lucru oferă pierderi optice reduse, limitare îmbunătățită a purtătorului și performanță generală îmbunătățită în comparație cu laserele cu homouncție obișnuite. Laserele SCH încorporează mai multe plachete cu diferite benzi interzise pentru a forma o heterostructură mai complexă. Stratul de epuizare este cuprins de straturi cu bandgap mai largi. Această complexitate permite o limitare sporită atât a purtătorilor, cât și a modurilor optice.

Limitarea îmbunătățită și scurgerea optică redusă rezultă din straturile de acoperire care captează atât activitatea optică, cât și cea a purtătorului de sarcină în regiunea activă. Scurgerile reduse ale purtătorului contribuie în special la îmbunătățirea curentului de prag și a eficienței electrice. La rândul său, acest lucru îmbunătățește performanța, în comparație cu laserele cu homouncție, prin îmbunătățirea stabilității temperaturii, a lățimii de bandă de modulare mai mare și a derivei lungimii de undă dependentă de temperatură. Laserele SCH sunt deosebit de utile în aplicații care necesită eficiență și stabilitate de temperatură. Acestea sunt potrivite pentru aplicații generale precum telecomunicații, stocarea datelor optice, imprimarea cu laser, detectarea optică și cercetarea bazată pe laser, dar sunt potrivite în special pentru medii mai dure și sisteme de comunicații cu fibră optică.

Laseruri cu reflectoare bragg distribuite (DBR).
Dispozitivele cu reflectoare Bragg distribuite (DBR) sunt dispozitive care încorporează un reflector Bragg distribuit integrat în cavitatea de amplificare. Acest aspect permite controlul precis al frecvenței emise și filtrarea îngustă pentru o bună puritate și selecție spectrală. Rețeaua Bragg constă din straturi alternante de materiale cu indice de refracție ridicat și scăzut care funcționează ca o oglindă selectivă a lungimii de undă. Această structură reflectă lumina tuturor lungimilor de undă neselectate, permițând în același timp radiației dorite să se propage prin cavitatea de amplificare. Această structură oferă o selectivitate precisă a lungimii de undă, iar prin ajustarea perioadei de rețea sau a perechilor de indici de refracție, lungimea de undă emisă poate fi reglată într-un interval. Acest lucru facilitează personalizarea și compatibilitatea cu o gamă largă de aplicații, inclusiv sistemele de multiplexare cu diviziune în lungime de undă (WDM) și tomografia cu coerență optică (OCT).

Laserele DBR furnizează o lățime de linie îngustă ca rezultat al feedback-ului distribuit al rețelei Bragg. Rețeaua suprimă modurile longitudinale nedorite și are ca rezultat o emisie monomod de lățime spectrală îngustă. Aceste dispozitive oferă rapoarte de suprimare a modului lateral (HSMSR) benefice, care reprezintă diferența de putere dintre modul laser dorit și modurile învecinate, oferind o măsură a selectivității, purității spectrale și lățimii de linie înguste.

Laserele DBR sunt utilizate în telecomunicații, detecție cu fibră optică, spectroscopie, metrologie și tomografie cu coerență optică. Sunt utilizate ca surse de lumină precise și stabile în diverse sisteme care necesită lungimi de undă specifice, lățimi înguste ale liniilor și puritate spectrală ridicată.

Laser cu emisie de suprafață cu cavitate verticală-externă
Laserele cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VECSEL) sunt un tip specializat de dispozitiv laser care combină caracteristicile benefice atât ale laserelor cu emisie de suprafață cu cavitate verticală (VCSEL) cât și ale laserelor cu diodă cu cavitate externă (ECDL). Acest lucru are ca rezultat caracteristici unice, cum ar fi putere mare de ieșire, reglajul lungimii de undă și calitate excelentă a fasciculului.

VECSEL-urile au cavitatea laser orientată vertical, astfel încât lumina este emisă perpendicular pe suprafața cipului. Acest design vertical permite disiparea eficientă a căldurii și controlul precis asupra fasciculului emis. Configurația lor exterioară a cavității este construită din suprafețe reflectorizante suplimentare plasate în afara structurii cipului. Acest lucru permite controlul lungimii de undă, modelarea fasciculului și scalarea puterii. VECSEL-urile sunt capabile de o putere de ieșire mai mare decât VCSEL-urile deoarece configurația cavității externe îmbunătățește disiparea căldurii. Reglabilitatea precisă a lungimii de undă pe o gamă spectrală largă este obținută prin modificarea poziției oglinzilor cavității externe sau prin ajustarea temperaturii de funcționare a dispozitivului. Prin utilizarea cavității externe proiectate cu precizie, VECSEL-urile obțin o ieșire de înaltă calitate, cu unghi de divergență scăzut și profil uniform al fasciculului.

VECSEL-urile sunt utilizate în cercetarea științifică, prelucrarea materialelor, diagnosticarea medicală, detectarea optică și telecomunicațiile. Acestea servesc aplicații de precizie precum spectroscopia laser, răcirea cu laser și captarea/manipularea atomilor, ablația cu laser și comunicațiile optice cu viteză mare de date.

Laser cu modul multilongitudinal (MLM).
Laserele cu modul multi-longitudinal (MLM) oferă facilitatea neobișnuită de a emite pe mai multe benzi de frecvență apropiate, dar înguste, pe un spectru relativ larg. Modurile longitudinale în laserele MLM sunt distanțate îngust. Distanța depinde de designul funcțional al cavității rezonante, cum ar fi lungimea acesteia și indicele de refracție al mediului laser. Spectrul lor larg de emisie se datorează prezenței acestor moduri multiple. Lățimea spectrală și distribuția modurilor apar din cauza designului cavității și joncțiunii și, de asemenea, din condițiile de funcționare.

Laserele MLM sunt utilizate în spectroscopie, metrologie, interferometrie și telecomunicații. Ele sunt aplicabile în special tomografiei cu coerență optică (OCT), în care este posibilă imagistica de înaltă rezoluție, rezultată din interferența mai multor moduri longitudinale.

Aplicarea mașinii cu laser cu diode

Cum se întreține aparatul cu laser cu diode

Cum funcționează laserul cu diodă

Laserele cu diodă funcționează prin stimularea emisiei de fotoni la o joncțiune semiconductoare. Materialul semiconductor are benzi de energie specifice care declanșează generarea și amplificarea luminii coerente. O diodă este formată dintr-o joncțiune pn. Regiunea de tip n creează un exces de purtători încărcați negativ (electroni), în timp ce tipul p creează un exces de purtători încărcați pozitiv (găuri). Joncțiunea formează o regiune de epuizare între cele două materiale. Când o tensiune de polarizare directă (+ve la p și -ve la materialul n) este aplicată peste joncțiune, curentul curge. Acest lucru face ca purtătorii de sarcină să se deplaseze peste joncțiune. Electronii din regiunea n și găurile din regiunea p sunt injectați în regiunea de epuizare. Acestea se întâlnesc și se neutralizează, eliberând un foton pentru fiecare încărcare anulată.

Laserul cu diodă este proiectat cu suprafețe reflectorizante la capete, formând o „cavitate optică”. Fotonii se reflectă în interior, iar feedback-ul optic îmbunătățește emisiile stimulate și are ca rezultat o lumină în bandă îngustă, coerentă. Emisia de stimulare are loc și atunci când un foton interacționează cu un electron excitat, determinându-l să emită un alt foton. Acești fotoni suplimentari sunt identici cu fotonul declanșator, ceea ce duce la amplificare. Pe măsură ce emisia stimulată continuă și fotonii sunt reflectați în cavitate, intensitatea energiei laser crește.