Полупроводниковые лазеры: виды и принцип работы

Когда-то изготовление лазера было связано с серьезными трудностями, так как оно требовало наличия меленького кристалла и разработки схемы для его функционирования. Для простого обывателя такая задача была невыполнимой. С развитием технологий, появилась возможность получения лазерного луча даже в бытовых условиях. Миниатюрные полупроводниковые лазеры (лазерные диоды), которые на сегодняшний день производятся электронной промышленностью довольно широко, могут генерировать стабильный луч лазера. О них мы с вами сегодня и поговорим.

Общая характеристика

Полупроводниковыми или диодными называют лазеры, которые имеют усиливающую среду на основе полупроводников. Генерация в ней происходит во время межзонного перехода электронов, при низкой концентрации носителя в зоне проводимости, в основном за счет вынужденного излучения фотонов. Формально такие лазеры можно отнести к твердотельным, однако в силу иного принципа работы их выделяют в отдельную группу.

Благодаря повышенной оптической мощности и отличным функциональным свойствам полупроводников, их можно использовать в измерительных приборах повышенной точности, не только в производстве, но и в быту, и даже медицине. Полупроводниковый лазер является основой для чтения и записи компьютерных дисков. Благодаря нему работают лазерные указки, уровнемеры, измерители расстояния и прочие полезные для человека устройства.

Появление такого электронного компонента стало революцией в конструировании электрических устройств разной сложности. Луч, образованные диодами высокой мощности, используется в медицине при выполнении всяческих хирургических процедур, в том числе по восстановлению зрения. Лазерный луч способен за незначительный промежуток времени произвести коррекцию глазного хрусталика.

В быту и промышленности, применение полупроводникового лазера в основном связано с измерительными приборами. Мощность таких устройств может варьироваться в весьма широком диапазоне. Так, мощности в 8 Вт достаточно для сборки портативного уровнемера в бытовых условиях. При этом прибор будет надежно работать, и создавать очень длинный лазерный луч. Кстати говоря, попадание такого луча в глаза опасно, так как на малом расстоянии он способен повредить мягкие ткани.

Принцип действия полупроводникового лазера

В светодиодах, главным источником энергии является процесс спонтанного излучения. Его суть состоит в том, что на анод подается положительный заряд, и диод смещается в прямом направлении. При этом дырки инжектируются из области р в область n р-n перехода, а из области n в область р полупроводника. Поэтому такие устройства часто называют инжекционными полупроводниковыми лазерами. Когда дырка и электрон находятся рядом друг с другом, они рекомбинируют, выделяя фотонную энергию с определенной длиной волны и фонона.

В некоторых случаях электрон и дырка могут продолжительное время (микросекунды) перед рекомбинацией находиться в одном месте. Если в этот момент около них пройдет фотон с частотой резонанса, то произойдет вынужденная рекомбинация с выделением второго фотона. Он будет иметь абсолютно такое же направление, фазу и вектор поляризации, как первый фотон.

Кристалл полупроводника представляет собой тонкую пластину прямоугольной формы. По сути, она служит оптическим волноводом, в котором ограничен объем излучения. Поверхностный слой кристалла может модифицироваться, создавая область n. Нижний же слой служит для образования области р.

В результате получается переход р-n, которые имеет плоскую форму и значительную площадь. Пара боковых торцов кристалла подвергается полировке, нацеленной на создание параллельных гладких поверхностей, представляющих собой оптический резонатор. Случайный фотон проходит по всему оптическому волноводу перпендикулярно плоскости спонтанного излучения. Перед выходом наружу он несколько раз отражается от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создает вынужденную рекомбинацию, порождая новые фотоны с такими же характеристиками. Так излучение усиливается. В момент, когда усиление начинает превосходить потери, появляется луч.

Существуют разные виды полупроводниковых лазеров. Основное их количество выполняется на особо тонком слое. Их структура позволяет формировать лишь параллельное излучение. Однако если выполнить волновод широким относительно длины волны, то он будет работать в разных поперечных режимах. Такие диоды называют многодомовыми. Применение этих лазеров позволяет создать повышенную мощность излучения без надлежащей сходимости луча. Некоторое его рассеивание допустимо. Данный эффект применяется для «накачки» других лазеров в лазерных принтерах и химическом производстве. Тем не менее, если есть необходимость в определенной фокусировке луча, волновод выполняется такой ширины, которая могла бы быть сравнимой с длиной волны.

В последнем случае ширина луча будет зависеть от наложенных рефракцией границ. Приборы, работающие по этому принципу, используются в оптических запоминающих устройствах, лазерных указателях и оптоволоконной технике. Стоит отметить, что они не могут поддерживать несколько продольных режимов и создавать луч на разных длинах волн одновременного. На длину луча влияет запрещенная зона, расположенная между уровнями энергии р и n областей.

Так как излучающий компонент очень тонкий, на выходе лазерный луч сразу же расходится. Для компенсации расходимости полупроводникового лазера и создания тонкого луча используются собирающие линзы. В многодомовых устройствах используют цилиндрические линзы. В однодомовых лазерах при использовании симметричных линз луч в разрезе будет иметь эллиптическую форму, так как вертикальное расхождение превосходит его размер в горизонтальной плоскости. Наглядным тому доказательством служит лазерная указка.

Классификация

Полупроводниковые лазеры, физика которых была рассмотрена выше, обладают n-р структурой. Они имеют невысокую эффективность, требуют большой мощности на входе и работают исключительно в режиме импульсов. Из-за быстрого перегрева они не могут работать по-другому. В этой связи сфера применения таких лазеров ограничена. На их основе были созданы устройства с более внушительными параметрами. Рассмотрим типы полупроводниковых лазеров.

Лазер с двойной гетероструктурой

В конструкции данного устройства предусмотрен слой вещества с узкой зоной запрета. Он находится между материалами, у которых эта зона значительно шире. Как правило, для изготовления таких лазеров используют арсениды галия и алюминия-галия. Такие соединения называют гетероструктурами.

Преимуществом этого полупроводникового лазера является то, что активная область (область электронов и дырок) находится в среднем слое. Из этого следует, что усилие создается намного большим количеством пар электронов и дырок. В области с малым усилием, этих пар практически не остается. В дополнение к этому, свет отражается от гетеропереходов. Таким образом, излучение полностью находится в области наиболее эффективного усилия.

Лазер с квантовыми ямами

Когда средний слой диода выполнен более тонким, он начинает работать как квантовая яма. Следовательно, электронная энергия в таком случае квантуется вертикально. Разница между количеством энергии квантовых ям используется для формирования излучения, вместо барьера. Это весьма эффективно с точки зрения управления волной луча, которая прямо зависит от толщины среднего слоя. Этот вид лазера намного продуктивнее, нежели однослойный аналог, так как в нем плотность электронов и дырок распределяется более равномерно.

Гетероструктурный лазер с раздельным удержанием

Основная особенность тонкослойного лазера состоит в том, что он не способен к эффективному удержанию светового луча. Чтобы решить эту проблему, с обеих сторон кристалла прикладывают пару дополнительных слоев, обладающих более низким преломлением, нежели центральные слои. Такая структура напоминает световод. Она гораздо эффективнее удерживает луч и называется гетероструктурой с отдельным удержанием. Полупроводниковый лазер на гетероструктуре массово производился в 2000 годах.

Лазеры с обратной связью

Такая конструкция преимущественно используется для волоконно-оптической связи. Чтобы стабилизировать волну, на р-n переходе наносят поперечную насечку, в результате чего получается дифракционная решетка. Из-за этого, обратно в резонатор возвращается лишь одна длина волны, которая в нем усиливается. У полупроводниковых лазеров с обратной связью волна имеет постоянную длину, которая определяется шагом той самой насечки. Под действием температуры, возможно изменение насечки. Принцип работы полупроводниковых лазеров этой модели лежит в основе телекоммуникационных оптических систем.

VCSEL и VECSEL

VCSEL представляет собой поверхностно-излучающую модель лазера с вертикальным резонатором, которая излучает свет в направлении, перпендикулярном плоскости кристалла, в то время как излучение обычных лазерных диодов параллельно этой плоскости.

VECSEL отличается от предыдущей модели только тем, что он имеет внешний резонатор и может выполняться с токовой или оптической накачкой.

Импульсный выход

Принцип работы полупроводникового лазера предполагает генерирование непрерывного пучка. В силу того, что электроны пребывают на уровне проводимости не долго, такие устройства непригодны для генерации импульса с модуляцией добротности. Тем не менее благодаря использованию квазинепрерывного режима работы, можно в значительной степени повысить мощность квантового генератора. Кроме того, лазерные диоды можно использовать в случаях, когда необходимо сформировать сверхкороткий импульс с переключением коэффициента усилия или синхронизацией мод. Мощность коротких импульсов, как правило, ограничивается несколькими мВт. Исключение составляют разве что VECSEL-лазеры, выход которых исчисляется многоваттными высокочастотными импульсами.

Корпуса для полупроводниковых лазеров

По мере распространения лазерных диодов росло разнообразие корпусов, каждый из которых предназначен под определенный тип работ. Официальных стандартов в этом направлении нет, однако крупные производители часто заключают договора об унификации своей продукции. Существуют также услуги по корпусированию лазеров по индивидуальным требованиям заказчика. Таким образом, перечислить все типы корпусов если и возможно, то довольно проблематично.

Распиновка контактов в каждом корпусе может быть уникальной, поэтому назначение пинов всегда стоит уточнять перед его покупкой. Кроме того, стоит отметить, что внешний вид корпуса далеко не всегда имеет прямую корреляцию с длиной волны.

Лазерный модуль состоит из таких элементов:

1. Излучатель.
2. Элемент Пельтье.
3. Термистор.
4. Фотодиод.
5. Оптический изолятор.
6. Коллумирующая линза.

Кратко разберем модели корпусов, которые имеют наибольшее распространение.

С излучением на выходе

TO-CAN. Этот тип корпусов предназначен для излучения малого и среднего диапазонов мощности (до 250 мВт), так как не имеет специальных теплоотводящих поверхностей. Его размеры варьируются от 4 до 10 мм, а количество ножек от 3 до 4. Они могут быть коммутированы разными способами, образуя 8 типов распиновки.

Менее популярными являются корпуса с излучением на выходе, моделей C-MOUNT и D-MOUNT.

С волоконным выходом

Это следующие виды:

• DIL. Данный корпус создан для лазеров мощностью более 10 мВт, поверхности которых недостаточно для отведения тепла. Более эффективное охлаждение производится с помощью встроенного холодильника Пельтье. Он отводит тепло на грань алюминиевого корпуса, противоположную волоконному выходу. Благодаря размещению ножек в два ряда с шагом в 2,5 мм, наряду с впаиванием можно использовать разъемное электрическое соединение.
• DBUT - Dual-Butterfly. Это наиболее популярный корпус для полупроводниковых лазеров мощностью до 10-800 мВТ. Главное преимущество этой модели заключается в более эффективном отводе тепла за счет увеличенной площади контакта Пельтье-элемента с лазерным модулем. Нижняя поверхность устройства является основной в плане теплоотдачи. Электрические выводы расположены на боковых гранях, что усложняет разъемное соединение модуля с платой для управления.
• SBUT - Single-Butterfly. Представляет собой односторонний вариант предыдущего корпуса. Так как количество выводов уменьшено вдвое, возможность использования внутреннего фотодиода отсутствует.

Драйвера

Полупроводниковый лазер используется во многих устройствах, в которых необходим направленный луч света. Правильное подключение является самым важным моментом в сборке устройства.

От Led-моделей лазерные отличаются наличием миниатюрного кристалла. В нем много мощности и высокое напряжение, которое может вывести прибор из строя. Чтобы облегчить работу полупроводникового лазера, используют специальные схемы устройств, называемые драйверами.

Лазеры нуждаются в стабильном источнике питания. Однако некоторые модели с красным лучом могут нормально работать и с нестабильной сетью. Так или иначе, подключать лазер напрямую даже при наличии драйвера нельзя. Из этих соображений используется датчик тока, в качестве которого подходит простой резистор. Его ставят между лазером и драйвером.

Недостатком такого подключения является тот факт, что отрицательный полюс питания не соединяется с минусом схемы. Кроме того, он сопровождается падением мощности на резисторе. Именно поэтому, прежде чем подключить лазер, необходимо внимательно подобрать драйвер.

Виды драйверов

Обычно используется два типа устройств, обеспечивающих нормальную работу лазера:

• Импульсный. Выполняется по аналогии с импульсным преобразователем напряжения, способного к варьированию данного параметра. Мощность на выходе и входе у этого драйвера примерно равна. Незначительное количество энергии уходит на выделение тепла.
• Линейный. Работает по схеме, предполагающей частую (чаще, чем нужно) подачу напряжения на диод. Для снижения этого напряжения необходимо дополнительно использовать транзистор, преобразующий излишек энергии в тепло. Из-за малого коэффициента полезного действия, линейные драйверы не нашли широкого применения.

Подключение

Конструкция полупроводникового лазера предполагает наличие трех выводов. Средний из них подключается к минусу (плюсу). Плюс подключается к левой или правой ножке, в зависимости от модели. Чтобы выяснить, какая ножка подходит для подключения, необходимо подать питание. Для этого подойдет 1,5-вольтная батарейка, с сопротивлением в 5 Ом. Минус источника нужно подключать к средней ножке диода, а плюс – к правой, а потом к левой ножке. Путем такого подбора можно узнать, какая из боковых ножек «рабочая». Таким же путем лазер подключается к микроконтроллеру.

Диоды могут работать от аккумулятора мобильного телефона и пальчиковых батареек. Главное - не забывать, что дополнительно необходимо использовать ограничивающий резистор на 20 Ом.

Подключение к бытовой сети

Для подключения к бытовой сети нужно вспомогательно обезопасить систему от всплесков высокочастотного напряжения. Резистор и стабилизатор создают блок, который предотвращает перепады тока. Чтобы выровнять напряжение, используют стабилитрон. При правильной сборке лазер будет работать стабильно и прослужит долго.

Удобнее всего работать с красным диодом примерно на 200 мВт. Такими полупроводниковыми лазерами оснащают дисководы компьютеров.

Порядок подключения к бытовой сети:

1. Проверить работу диода с помощью батарейки.
2. Выбрать самый яркий полупроводник. Диод, взятый из компьютерного дисковода, светит инфракрасным светом. Ни в коем случае нельзя наводить его на глаза.
3. Смонтировать диод на алюминиевую пластину, которая будет служить радиатором для охлаждения. Для этого на ней предварительно просверливается отверстие.
4. Промазать термопастой пространство между лазером и диодом.
5. Подключить резистор на 5 Вт и 20 Ом к лазеру и батарейке.
6. Шунтировать диод керамическим конденсатором. Емкость последнего непринципиальна.
7. Отвернув от себя лазер, подключить питание и проверить работу. Должен появиться устойчивый красный луч.

Во время подключения стоит помнить о безопасности и о том, что лишь при качественных соединениях, все будет работать как следует.

Применение полупроводникового лазера

Пришло время узнать, где используются эти несложные, но очень полезные устройства. Мощные полупроводниковые лазеры, имеющие высокоэффективную электрическую накачку, при умеренном напряжении используют как средство подвода энергии твердотопливных лазеров. Они могут работать в широком диапазоне частот, включающем видимую, а также ближнюю и среднюю инфракрасные зоны спектра. Некоторые устройства способны менять частоту излучения. Полупроводниковый лазер, устройство которого мы сегодня узнали, может быстро модулировать и переключать оптическую мощность. Эта особенность используется в производстве передатчиков оптоволоконных линий.

Благодаря своим характеристикам, полупроводниковые лазеры на сегодняшний день являются самым важным классом квантовых генераторов.

Их используют в таких областях:

1. Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.
2. Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.
3. Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.
4. Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.
5. Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.
6. Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.
7. Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.
8. Производство систем зажигания и систем ПВО.