Das natürliche weiße Licht besteht aus allen VIBGYOR-Farben des sichtbaren Lichtspektrums, das ein breites breites Band mit vielen verschiedenen Frequenzen darstellt. Die gewöhnlichen LEDs liefern eine Lichtleistung, die oft aus einer Farbe besteht, aber selbst dieses Licht enthält elektromagnetische Wellen, die ein ziemlich breites Frequenzband abdecken. Das Linsensystem, das das Licht fokussiert, hat eine feste Brennweite, aber die Brennweite, die erforderlich ist, um verschiedene Wellenlängen (Farben) des Lichts zu fokussieren, ist unterschiedlich. Daher wird jede Farbe an verschiedenen Punkten fokussiert, was zu einer „chromatischen Aberration“ führt. Das Laserdiodenlicht enthält nur eine einzige Frequenz. Daher kann es sogar mit einem einfachen Linsensystem auf einen extrem kleinen Punkt fokussiert werden. Es gibt keine chromatische Aberration, da nur eine Wellenlänge existiert und auch die gesamte Energie von der Lichtquelle in einem sehr kleinen Lichtpunkt konzentriert ist. LASER ist eine Abkürzung für Lichtverstärkung durch stimulierte Strahlungsemission.
Chromatische Abweichung
Aufbau einer Laserdiode
Die obige Abbildung zeigt einen vereinfachten Aufbau einer Laserdiode, die a ähnlich ist Leuchtdiode (LED) . Es verwendet Galliumarsenid, das mit Elementen wie Selen, Aluminium oder Silizium dotiert ist, um P-Typ und N-Typ herzustellen Halbleitermaterialien . Während eine Laserdiode eine zusätzliche aktive Schicht aus undotiertem (intrinsischem) Galliumarsenid aufweist, hat die Dicke nur wenige Nanometer, die zwischen der P- und der N-Schicht angeordnet sind, wodurch effektiv eine erzeugt wird PIN-Diode (P-Typ-Intrinsic-N-Typ) . In dieser Schicht wird das Laserlicht erzeugt.
Aufbau einer Laserdiode
Wie funktioniert die Laserdiode?
Jedes Atom kann nach der Quantentheorie Energien nur innerhalb eines bestimmten diskreten Energieniveaus. Normalerweise befinden sich die Atome im niedrigsten Energiezustand oder Grundzustand. Wenn eine Energiequelle, die den Atomen im Grundzustand gegeben wird, angeregt werden kann, auf eine der höheren Ebenen zu gelangen. Dieser Vorgang wird Absorption genannt. Nachdem das Atom für eine sehr kurze Zeit auf diesem Niveau geblieben ist, kehrt es in seinen ursprünglichen Grundzustand zurück und emittiert dabei ein Photon. Dieser Prozess wird als spontane Emission bezeichnet. Diese beiden Prozesse, Absorption und spontane Emission, finden in einer herkömmlichen Lichtquelle statt.
Prinzip der Laserwirkung
Wenn das Atom, das sich noch in einem angeregten Zustand befindet, von einem äußeren Photon getroffen wird, das genau die Energie hat, die für die spontane Emission erforderlich ist, wird das äußere Photon um das vom angeregten Atom abgegebene erhöht. Außerdem werden beide Photonen aus dem freigesetzt Gleicher angeregter Zustand in derselben Phase. Dieser als stimulierte Emission bezeichnete Prozess ist für die Laserwirkung von grundlegender Bedeutung (siehe Abbildung oben). Der Schlüssel dabei ist das Photon, das genau die gleiche Wellenlänge wie das zu emittierende Licht hat.
Amplifikation und Populationsinversion
Wenn günstige Bedingungen für die stimulierte Emission geschaffen werden, werden immer mehr Atome gezwungen, Photonen zu emittieren, wodurch eine Kettenreaktion ausgelöst und eine enorme Energiemenge freigesetzt wird. Dies führt zu einem schnellen Energieaufbau der Emission einer bestimmten Wellenlänge (monochromatisches Licht), die sich kohärent in eine bestimmte feste Richtung bewegt. Dieser Vorgang wird als Verstärkung durch stimulierte Emission bezeichnet.
Die Anzahl der Atome in einer Ebene zu einem bestimmten Zeitpunkt wird als Population dieser Ebene bezeichnet. Wenn das Material nicht von außen angeregt wird, ist normalerweise die Population der unteren Ebene oder des Grundzustands größer als die der oberen Ebene. Wenn die Bevölkerung der oberen Ebene die der unteren Ebene überschreitet, was eine Umkehrung der normalen Belegung darstellt, wird der Prozess als Populationsinversion bezeichnet. Diese Situation ist für eine Laseraktion wesentlich. Für jede stimulierte Emission.
Es ist notwendig, dass das obere Energieniveau oder der erfüllte stabile Zustand eine lange Lebensdauer haben, d. H. Die Atome sollten im erfüllten stabilen Zustand länger als auf dem unteren Niveau pausieren. Für die Laserwirkung sollte der Pumpmechanismus (anregend mit einer externen Quelle) von einem solchen stammen, dass eine höhere Population von Atomen im oberen Energieniveau im Vergleich zu dem im unteren Niveau erhalten bleibt.
Es ist notwendig, dass das obere Energieniveau oder der erfüllte stabile Zustand eine lange Lebensdauer haben, d. H. Die Atome sollten im erfüllten stabilen Zustand länger als auf dem unteren Niveau pausieren. Für die Laserwirkung sollte der Pumpmechanismus (anregend mit einer externen Quelle) von einem solchen stammen, dass eine höhere Population von Atomen im oberen Energieniveau im Vergleich zu dem im unteren Niveau erhalten bleibt.
Steuerung der Laserdiode
Die Laserdiode wird mit einem viel höheren Strom betrieben, typischerweise etwa zehnmal größer als eine normale LED. Die folgende Abbildung vergleicht ein Diagramm der Lichtleistung einer normalen LED mit der einer Laserdiode. Bei einer LED steigt die Lichtleistung stetig an, wenn der Diodenstrom erhöht wird. In einer Laserdiode wird jedoch kein Laserlicht erzeugt, bis der Strompegel den Schwellenwert erreicht, wenn eine stimulierte Emission auftritt. Der Schwellenstrom beträgt normalerweise mehr als 80% des maximalen Stroms, den das Gerät durchlässt, bevor es zerstört wird! Aus diesem Grund muss der Strom durch die Laserdiode sorgfältig geregelt werden.
Vergleich zwischen einer LED
Ein weiteres Problem besteht darin, dass die Emission von Photonen sehr temperaturabhängig ist, die Diode bereits nahe an ihrer Grenze betrieben wird und so heiß wird, wodurch sich die emittierte Lichtmenge (Photonen) und der Diodenstrom ändern. Wenn die Laserdiode effizient arbeitet, steht sie kurz vor einer Katastrophe! Wenn der Strom abnimmt und unter den Schwellenstrom fällt, hört die stimulierte Emission nur ein wenig zu viel Strom auf und die Diode wird zerstört.
Da die aktive Schicht mit oszillierenden Photonen gefüllt ist, entweicht ein Teil (typischerweise etwa 60%) des Lichts in einem schmalen, flachen Strahl vom Rand des Diodenchips. Wie in der folgenden Abbildung gezeigt, entweicht auch an der gegenüberliegenden Kante etwas Restlicht und ist daran gewöhnt Aktivieren Sie eine Fotodiode , der das Licht wieder in elektrischen Strom umwandelt. Dieser Strom wird als Rückkopplung an die automatische Diodentreiberschaltung verwendet, um die Aktivität in der Laserdiode zu messen und durch Steuern des Stroms durch die Laserdiode sicherzustellen, dass der Strom und die Lichtleistung auf einem konstanten und sicheren Niveau bleiben.
Steuerung der Laserdiode
Anwendungen von Laserdioden
Laserdiodenmodule sind ideal für Anwendungen wie Biowissenschaften, industrielle oder wissenschaftliche Instrumente. Laserdiodenmodule sind in einer Vielzahl von Wellenlängen, Ausgangsleistungen oder Strahlformen erhältlich.
Laser mit geringem Stromverbrauch werden in immer mehr bekannten Anwendungen eingesetzt, darunter CD- und DVD-Player und -Recorder, Barcodeleser, Sicherheitssysteme, optische Kommunikation und chirurgische Instrumente
Industrielle Anwendungen: Gravieren, Schneiden, Schreiben, Bohren, Schweißen usw.
Medizinische Anwendungen entfernen unerwünschte Gewebe, Diagnostik von Krebszellen mittels Fluoreszenz, Zahnmedikamente. Im Allgemeinen sind die Ergebnisse mit Lasern besser als mit einem chirurgischen Messer.
Für die Telekommunikation verwendete Laserdioden: Im Telekommunikationsbereich weisen Laserdioden mit 1,3 μm und 1,55 μm Band, die als Hauptlichtquelle für Silica-Faserlaser verwendet werden, einen geringeren Übertragungsverlust im Band auf. Die Laserdiode mit dem unterschiedlichen Band wird zum Pumpen der Quelle zur optischen Verstärkung oder für die optische Kurzstreckenverbindung verwendet.
Das ist also alles über Aufbau einer Laserdiode und seine Verwendung. Wenn du interessiert bist Erstellen von LED-basierten Projekten Sie können sich dann selbst an uns wenden, indem Sie Ihre Fragen oder innovativen Gedanken im Kommentarbereich unten veröffentlichen. Hier ist eine Frage an Sie: Was ist die Funktion einer Laserdiode?
