Лазерные инфракрасные диоды — устройство и применение

Применение

Каждый тип лазерного диода находит практическое применение, ввиду своих уникальных особенностей. Стоимость маломощных образцов снизилась в разы, о чём свидетельствует их применение в детских игрушках и указках. Ими оснащают лазерные рулетки-дальномеры, что позволяет одному человеку проводить замер расстояний и сопутствующие вычисления. На красных лазерах основана работа считывателей штрих-кодов, компьютерных манипуляторов и DVD-проигрывателей. Некоторые виды используют в проведении научных исследований и для накачки других лазеров.

• способствуют росту скорости интернета;
• улучшению телефонной и видеосвязи;
• повышают качество телевизионного приёма.

Результатом совершенствования лазерного диода стал увеличенный срок службы, который теперь сопоставим с наработкой на отказ светоизлучающих диодов. Уменьшение тока накачки повысило надёжность приборов, а их вклад в развитие технического прогресса не меньше, чем у других электронных компонентов.

Устройство и особенности ИК-светодиодов

Теоретически мы разобрались, чем отличаются инфракрасные светодиоды от обычных светоизлучающих. Но как это достигается на практике? Разберемся в принципе работы и тех, и других.

Некогерентные светодиоды

Конструктивно прибор представляет собой «слоеный пирог», состоящий из двух типов полупроводников: n и p. При прохождении тока через этот pn-переход отрицательный заряд электронов (n) соединяется с ионами положительно заряженных дырок (p). В этот момент выделяется энергия, и мы видим излучение света.

Принцип работы некогерентного светодиода

Но, как мы знаем, светодиоды могут светиться разным цветом, т. е. излучать волны разной длины – от ультрафиолета до инфракрасного спектра. Почему? На спектр излучения кристалла влияет тип материала, из которого он изготовлен. К примеру, светодиоды на основе нитрида алюминия работают в ультрафиолетовом спектре, фосфид галлия даст красный цвет, а приборы на основе арсенида галлия излучают в инфракрасном спектре.

Осталось разобраться, почему они называются некогерентными. Любой светодиод излучает волну не строго определенной частоты, а захватывает небольшой участок спектра. Участок этот не особенно велик и лежит в одном цветовом диапазоне, но он есть.

То есть если полупроводник светится, скажем, синим, то этот цвет не чисто синий с определенной, строго заданной длиной волны, а просто спектр излучения прибора лежит в синем диапазоне. К примеру, устройства на основе селенида цинка излучают волны длиной от 450 до 500 нм, но мы все равно видим синий цвет. Это хорошо видно по нижеприведенной таблице спектров.

Таблица цветовых спектров

То же касается светодиодов и другого цвета свечения, включая инфракрасные. Для того чтобы получить излучение строго заданной частоты, используется совершенно иной принцип, а сами приборы, которые так работают, получили название полупроводниковых лазеров.

Лазеры – когерентные светодиоды

Полупроводниковый лазер представляет собой все тот же «слоеный пирог», только размеры этого «пирога» имеет строго заданные параметры, совпадающие с длиной волны определенного спектра или кратные ей. При этом торцы кристалла отполированы до зеркального блеска, а нижняя и верхняя его части непрозрачны.

При подаче на кристалл напряжения происходит то же, что и в обычном светодиоде: он начинает излучать спектр волн, лежащих в некотором диапазоне. Излучение же, направленное внутрь, начинает отражаться от полированных стенок кристалла. Причем длина волны, на которую настроен кристалл, будет отражаться многократно, остальные частоты начнут затухать, накладываясь друг на друга в разных фазах.

Проходя вдоль кристалла, являющегося, по сути, резонатором, излучение определенной длины будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые и новые фотоны с теми же параметрами, и излучение будет усиливаться (механизм вынужденного излучения). Эта фаза называется процессом накачки лазера. Как только усиление превысит потери, начнётся лазерная генерация.

Принцип работы полупроводникового лазера

Второй вариант сборки

В данном случае при сборке лазерной установки необходимо руководствоваться следующей схемой.

Схема сборки лазерной установки

Данная схема, в отличие от вышеописанной не имеет проблем с падением яркости лазера. Эта проблема была решена благодаря применению в схеме специального регулируемого стабилизатора (например, КРЕН12А или его распространенного аналога LM317T). При этом необходимо знать, что выбранный стабилизатор является компенсационным. Он подает напряжение примерно на 1.4 В больше, чем требуется. В результате, чтобы получить в схеме на лазерный диод 3 В нужно подать от 4.4 В до 37 В. При этом на выходе все равно будет 3 В (конечно, при условии правильно подобранных резисторов). Если на схему подавать меньше 4.4 В, то яркость лазера начнет падать, что характерно для первой схемы. В результате возникнет ситуация, аналогичная разрядке аккумулятора. Для диодов 780нм на схему потребуется подавать от 3,8 В до 37 В. Поэтому в такой ситуации данная схема может оказаться неэффективной, так как вольт-амперная характеристика здесь будет сильно плавать в зависимости от температуры окружающей среды. А это может привести к перегоранию схемы, если повышение значения тока вовремя не удаётся отследить.

Чтобы избежать перегрева, необходимо до полного разогрева источника света измерять ток. Это позволить устранить риск повышения предельно допустимого значения тока. Специалисты рекомендуют использовать сопротивление для R1 в значении Ом. А для определения параметра R2 необходимо использовать следующую формулу: R2=R1*(Uвых.-Uопор.)/Uопор. Следует знать, что первоначально R2 нужно ставить несколько меньше, чем было получена цифра при вычислениях. При этом следует одновременно к диоду подключить последовательно мультиметр, чтобы оценивать силу тока. Это позволит избежать ситуации появления тока чрезмерного значения. В этой схеме допускается использование таких же конденсаторов, как и в предыдущей. А вот резисторы должны быть более качественными, особенно их подключение. Если во время работы установки произойдет обрыв контакта (размыкание цепи), то из-за возросшего напряжения светодиодный диод перегорит.

Принцип работы

Чтобы понять, откуда появляются фотоны, рассмотрим процесс рекомбинации (исчезновения пары свободных носителей – электрона и дырки). При подаче прямого напряжения к p-n переходу диода возникает инжекция, т.е. резкое увеличение концентрации неравновесных носителей. В процессе инжекции, движущиеся навстречу друг другу, электроны и дырки рекомбинируют, выделяя энергию в виде частицы – фотона и квазичастицы – фонона. Так происходит спонтанное излучение, наблюдаемое в светодиодах.

В случае с лазерным диодом вместо спонтанного необходимо запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами. Для этого из кристалла формируют оптический резонатор, проходя через который, фотон с заданной частотой вынуждает рекомбинировать электронные носители, что способствует появлению новых фотонов той же поляризации и фазы. Их называют когерентными.

При этом лазерная генерация возможна только в случае наличия чрезмерно большого количества электронных носителей на верхнем энергетическом уровне, высвобожденных в результате инжекции. Для этого используют ток накачки такой силы, чтобы вызвать инверсию электронных населённостей. Под этим явлением подразумевают состояние, в котором верхний уровень намного больше заселён электронами, чем нижний. В результате стимулируется излучение когерентных фотонов.

Далее такие фотоны многократно отражаются от граней оптического резонатора, провоцируя запуск положительной обратной связи. Это явление носит лавинообразный характер, в результате которого рождается лазерный луч. Таким образом, создание любого оптического генератора, в том числе лазерного диода, требует выполнения двух условий:

• наличие когерентных фотонов;
• организация положительной оптической обратной связи (ПООС).

Чтобы сформированный луч не рассеивался вследствие дифракции, прибор компонуют собирающей линзой. Тип устанавливаемой линзы зависит от вида лазера.

Суперлюминесцентные диоды

В суперлюминесцентном диоде (SLD или SLED — суперлюминесцентный светодиод) для излучения света используется явление суперлюминесценции. Как и лазерный диод, он имеет относительно высокую мощность и яркость, и в то же время — как обычный светодиод — низкую когерентность излучаемого света. В диодной структуре, которая аналогична структуре используемой в диоде LED, для усиления светового луча делается оптическое волокно, но без отражающих зеркал. Примеры применений: оптическая когерентная томография, сканирующая интерферометрия, оптические датчики, волоконно-оптические гироскопы и волоконно-оптическая связь.

Разновидности лазерных диодов

В большинстве случаев слой лазерного диода весьма тонок и генерация фотонового потока происходит параллельно структуре этого слоя. Однако, при конструкции достаточной ширины, диод может функционировать в поперечном варианте. Это многомодовые диоды, и их использование демонстрирует высокую мощность излучения в комбинации с высокой его расходимостью.

С целью обеспечения лучшей фокусировки по ширине волновод должен сопоставляться с длиной волны излучения.

Ввиду малой толщины излучающего элемента и дифракции наблюдается сильное расхождение луча в момент выхода. Компенсировать данный эффект можно при помощи собирающих линз. В случае с многомодовыми лазерами обычно используют линзы цилиндрического типа. А если для стандартного лазера применить симметричные линзы, то луч в сечении приобретёт форму эллипса поскольку в вертикальном направлении луч расходится сильнее, чем в горизонтальном.

Лазерный диоды данного типа не отличаются эффективностью. Для их работы применяется большая входная мощность и импульсное воздействие (позволяющее избежать перегрева). В производстве они практически не используются.

Лазерный диод с двойной гетероструктурой (ДГС).

Особенностью диодов данного типа является то, что в них кристаллический слой, имеющий более узкую запрещённую зону, фиксируется между двух кристаллических слоёв, имеющих более широкую запрещённую зону.

Большим плюсом моделей данного типа является увеличение активной области (распространяющуюся практически на весь средний слой) и усиление потока фотонов (благодаря дополнительному отражению света от гетеропереходов).

Лазерный диод с квантовыми ямами.

При более сильном истончении среднего слоя в диодах ДГС-типа, его свойства изменяются таким образом, что он превращается в квантовую яму. Таким образом по вертикали электронная энергия будет подвергаться квантованию.

Рис 2 Лазерный диод — вид разрезе

Разность энергетических уровней квантовых ям может быть использована излучения взамен возможного барьера. Это позволяет регулировать длину волны при излучении, определяемую толщиной среднего слоя. Более эффективный вариант ввиду равномерности распределения электронов и дырок.

Лазерный диод с гетероструктурой и раздельным удержанием

Гетероструктурные лазеры с тонким слоем имеют один весомый недостаток — они не в состоянии эффективно удерживать свет. Для разрешения проблемы к двум сторонам кристалла крепится по дополнительному слою. По коэффициенту преломления эти слои уступают центральным. Общая конструкция при этом становится подобна световоду. Наибольший процент лазерных диодов сформирован по данной технологии.

Лазерные диоды с распределением обратной связи (РОС).

Лазеры РОС-типа применяются для многочастотных волоконно-оптических связей. При помощи поперечной насечки в области p-n — перехода, необходимой для формирования дифракционной решётки, становится возможной стабилизация длины волны. Конкретное её значение зависит от параметров насечки, однако возможны некоторые деформации под действием температурных всплесков. Лазеры данного типа применяются преимущественно для телекоммуникаций и оптики.

VCSEL

Лазер поверхностного излучения, снабжённый вертикальным резонатором. Это означает, что свет будет направлен перпендикулярно относительно грани кристалла, в то время как лазеры других типов излучают свет параллельно кристаллу.

VECSEL

Аналогичен по свойствам предыдущему варианту, но оснащён внешним резонатором.

О лазерном диоде:

Как правило, лазерный диод это миниатюрное устройство с тремя (рисунок №2) или четырьмя ножками в зависимости от типа.

Рисунок № 2 – Внешний вид лазерного светодиода с тремя ножками

Почему три ножки? Дело в том что внутри корпуса находится кроме лазерного излучающего диода ещё и фотодиод рисунок №3.

Риснок №3 – Схема лазерного светодиода

Фотодиод предназначен для того чтобы управлять (регулировать или ограничивать) током лазера. Конструктивно это выглядит так: рисунок №4.

Маломощные лазерные диоды эксплуатируются с напряжениями в несколько вольт и силой тока в диапазоне примерно от 50 до 80 мА. Указанный в соответствующих паспортах на них (Datasheet). Например рабочий ток (50-60 мА) ни в коем случае нельзя превышать! Опасны также им­пульсные перегрузки

Поэтому при питании лазерного светодиода нужно принимать во внимание то, чтобы такие пики отсутствовали. Надежнее всего использо­вать в качестве источника питания для диода не блок питания, а батареи

Но это не всегда подходит – особенно если вы хотите сделать стационарную установку.

Итак, если вы желаете подключить ваш лазерный диод (ЛД) к не стабилизированному (простому) блоку питания рекомендую воспользоваться схемой рисунок №5:

Рисунок №5 – Схема подключения ЛД к нестабилизированному источнику питания

С1– 10 мкФ С2 – 47 пФ С3,С4 – 10 нФ R1 – 10 К R2 – 1,5 К R3 – 33 Ом VT1 – ВС548 VT2 –BD675 VD1 – Лазерный диод VD2 – 3,3 В/ 1,3Вт Благодаря такому подключению лазерного диода можно предотвратить его выход из строя. Падение напряжения на резисторе R2 открывает транзистор VT 1, он управляет током базы транзистора VT 2. В контуре регулирования ток фотодиода колеблется около 400 мкА. Конденсатор С4 устраняет импульсные помехи, а емкостной делитель напряжения, состоящий из конденсаторов С2 и СЗ, обеспечивает запуск процесса регулирования сразу при подаче напряжения питания.

Как проверить исправность ИК-диода

Осталось научиться проверять исправность ИК-светодиодов. Начнем с самой распространенной в быту поломки – выходу из строя ИК-диодов для пультов ДУ (ПДУ). Как проверить, исправен ли светодиод, не разбирая сам пульт? Ведь излучение таких приборов невидимо для человека. Да, невидимо, но его отлично видят видеокамеры.

Берем смартфон, ставим его в режим фотосъемки, подносим к камере мобильного устройства пульт ДУ, нажимаем на любую кнопку и смотрим на дисплей. Если с пультом все в порядке, то мы увидим, как светодиод начнет мигать.

Проверка ИК-светодиода в пульте ДУ при помощи камеры мобильного телефона

Тот же результат можно получить и при помощи веб-камеры или любой другой видеокамеры с контрольным дисплеем.

Есть и еще один метод проверки инфракрасного светодиода – при помощи мультиметра (тестера). Он очень удобен, если светодиод никуда не впаян. Для этого понадобится любой мультиметр, имеющий режим проверки диодов.

Этот прибор имеет режим проверки диодов

Инфракрасный светодиод проверяют следующим образом. Переключают прибор в режим теста диодов (на фото выше обозначен стрелкой) и щупами касаются выводов светодиода сначала в одной полярности, затем в другой. Отметим, что в этом режиме измеряется падение напряжения.

Схема подключения инфракрасного диода к тестеру

В одной из полярностей падение напряжения на переходе излучателя будет намного меньше, а через камеру смартфона мы увидим, как диод засветился.

Проверка светодиода при помощи батарейки

Можно ли проверить светодиод, не выпаивая его из платы? Можно. Берем мультиметр и проводим те же операции, что и в предыдущем случае. Благодаря токоограничивающему резистору внутренние элементы конструкции не будут влиять на качество проверки.

Вот и вся информация об инфракрасных светодиодах. Теперь мы знаем, что это за приборы, как работают и где используются.

Что такое ИК-излучение

Прежде чем поговорить об инфракрасных светодиодах, разберемся, что такое инфракрасное (ИК) излучение. Взглянем на упрощенную таблицу спектра электромагнитного излучения.

Начинается она с ультрафиолета, с понижением частоты переходит сначала в видимый свет – от фиолетового до красного, затем в инфракрасное излучение и заканчивается обычными радиоволнами, которые мы используем в радиосвязи. Участок, обозначенный как видимый спектр, так называется потому, что наш глаз его видит. Все остальные диапазоны, к которым относится и ИК-излучение, невидимы.

Чем же так примечателен инфракрасный диапазон? Во-первых, он полностью безвреден для людей и животных. И, во-вторых, он абсолютно не заметен для человеческого глаза, но заметен для электронных систем регистрации – от фотоприемников до обычных видеокамер. Именно поэтому ИК-светодиоды нашли такое широкое применение как в быту, так и на производстве.

Важно. Ультрафиолетовый спектр тоже не виден, но, в отличие от ИК-излучения, он оказывает существенное влияние на организм человека: из-за него можно легко испортить зрение и получить серьезные ожоги кожи

Дополнительно инфракрасный диапазон делится на три поддиапазона:

1. Ближний – 0.74…2.5 мкм.
2. Средний – 2.5…50 мкм.
3. Дальний – 50…2 000 мкм.

Лазерные диоды:

Лазерные диоды — полупроводниковые лазеры, построенные на базе диода. В отличие от светоизлучающих диодов, работа которых основана на спонтанном излучении фотонов, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и структуру кристалла.

Рис. 1. Лазерные диоды

Лазерные диоды в своем строении имеют кристалл полупроводника, который выполнен в виде тонкой пластинки. Чтобы из пластинки сделать полупроводниковый электронный компонент, его легируют с двух сторон таким образом, чтобы с одной стороны получилась n-область, а с другой – p-область.

Для того чтобы запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами из кристалла формируют оптический резонатор: две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей. Случайный фотон спонтанного излучения, проходя вдоль резонатора, будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые фотоны с теми же параметрами, запуская механизм вынужденного излучения.

Рис. 2. Устройство лазерного диода

Вследствие дифракции, выходящий из кристалла полупроводника когерентный свет рассеивается, поэтому для формирования узконаправленного пучка применяются собирающие линзы.

Основными материалами, используемыми при производстве лазерных диодов, являются арсенид галлия GaAs, арсенид галлия алюминия AlGaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, нитрид галлия индия InGaN и другие.

А, если вам нужны запчасти для мобильных телефонов, ноутбуков или планшетов, то на сайте optnb.ru, вы можете купить соответствующие детали.

Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод

Единицей измерения длины волны лазерного диода является нанометр (нм). С изменением длины волны меняется цвет светового луча, что позволяет изготавливать лазеры с разным цветом пучка (в светотехнике часто используются многоцветные конструкции). Наиболее распространенные лазеры имеют следующие длины волны:

• 650 нм (красный луч). Чаще всего применяется в дисководах, лазерных указках малого радиуса действия, в лазерных строительных уровнях и т.п. луч красного цвета воспринимается как довольно слабый, тусклый, но это только кажущееся ощущение. При увеличении мощности такого луча до 200 мВт можно резать плотную бумагу;
• 532 нм (зеленый луч). Устройства, излучающие поток такого типа. Отличаются хрупкостью и чувствительностью к перепадам температуры. До недавнего времени они стоили значительно дороже других видов лазеров. В то же время, зеленый луч лучше всего воспринимается человеческими органами зрения, что позволяет применять его в строительных лазерах. Даже в солнечную погоду зеленый луч хорошо различается на поверхностях, в отличие от красного, более тусклого потока. Примечательно, что в силу особенностей конструкции вместе с зеленым лучом такие устройства излучают и инфракрасный, что создает определенную опасность для человека. Поэтому устройства мощнее 5 мВт промышленностью не выпускаются;
• 405 нм (фиолетовый луч). Невооруженным глазом воспринимается слабо, что вызывает у человека ощущение маломощности потока. На деле ситуация прямо противоположна — луч обладает большой мощностью и интенсивностью, способен нанести органам зрения серьезные травмы;
• 780 нм (инфракрасный луч). Опасен для человека своей невидимостью, совмещенной с мощным воздействием на органы зрения;
• 1000 нм. Это также инфракрасный луч, который используется в промышленных лазерах для резки листовых материалов разного типа.

Если для светодиодов важны яркость и цветовая температура, то для лазера главным моментом будет мощность и длина световой волны. Поэтому и подход к выбору этих устройств должен быть своим для каждого вида.

Как осуществляется лазерная связь?

Лазерная связь в отличие от GSM связи позволяет осуществлять соединения типа «точка-точка» со скоростью передачи информации до 155 Мбит/с. В компьютерных и телефонных сетях лазерная связь обеспечивает обмен информацией в режиме полного дуплекса. Для приложений, не требующих высокой скорости передачи (например, для передачи видеосигнала и сигналов управления в системах технологического и охранного телевидения), имеется специальное экономичное решение с полудуплексным обменом. Когда требуется объединить не только компьютерные, но и телефонные сети, могут применяться модели лазерных устройств со встроенным мультиплексором для одновременной передачи трафика ЛВС и цифровых групповых потоков телефонии (Е1/ИКМ30).

Лазерные устройства могут осуществлять передачу любого сетевого потока, который доставляется им при помощи оптоволокна или медного кабеля в прямом и обратном направлениях. Передатчик преобразует электрические сигналы в модулированное излучение лазера в инфракрасном диапазоне с длиной волны 820 нм и мощностью до 40 мВт. В качестве среды распространения лазерная связь использует атмосферу. Затем лазерный луч попадает в приемник, имеющий максимальную чувствительность в диапазоне длины волны излучения. Приемник производит преобразование излучения лазера в сигналы используемого электрического или оптического интерфейса. Так осуществляется связь с помощью лазерных систем.

Газовый лазер

Принцип действия и использование лазера этого типа позволяет создавать устройства практически любой мощности (от милливатта до мегаватта) и длин волн (от УФ до ИК) и позволяет работать в импульсном и непрерывном режимах. Исходя из природы активных сред, различают три типа газовых квантовых генераторов, а именно атомные, ионные, и молекулярные.

Большинство газовых лазеров накачиваются электрическим разрядом. Электроны в разрядной трубке ускоряются электрическим полем между электродами. Они сталкиваются с атомами, ионами или молекулами активной среды и индуцируют переход на более высокие энергетические уровни для достижения состояния населения инверсии и вынужденного излучения.

Медицинский

• Косметическая хирургия ( удаление татуировок , шрамов, растяжек, солнечных пятен, морщин, родинок и волос): см. Лазерная эпиляция . Типы лазеров, используемых в дерматологии, включают рубин (694 нм), александрит (755 нм), матрицу импульсных диодов (810 нм), Nd : YAG (1064 нм), Ho : YAG (2090 нм) и Er : YAG (2940 нм). .
• Глазная хирургия и рефракционная хирургия
• Хирургия мягких тканей : CO ₂ , Er: YAG-лазер
• Лазерный скальпель (общая хирургия, гинекологический, урологический, лапароскопический)
• Фотобиомодуляция (например, лазерная терапия)
• Удаление опухолей без прикосновения, особенно головного и спинного мозга.
• В стоматологии для удаления кариеса , эндодонтических / пародонтологических процедур, отбеливания зубов и хирургии полости рта.
• Лечение рака
• Обработка ожогов и хирургических рубцов: контрактура рубца с использованием CO2 (особенно новые фракционированные CO2-лазеры), покраснение и зуд (импульсный лазер на красителях — PDL), поствоспалительная гиперпигментация (лазеры с модуляцией добротности: рубин, александрит), шрам от ожога, нежелательные волосы рост и застревание волосков (Ruby, IPL и многочисленные лазеры для удаления волос)