Полупроводниковые лазеры.

Полупроводниковые  лазеры 

Слово Laser означает Light Amplification by Stimulated Emission of  Radiation – усиление света вынужденным излучением, или в русскоязычной терминологии  -  это оптический квантовый генератор.  Энергия лазера представляет собой электромагнитное излучение, которое может быть видимым или невидимым (рис. 1), и представима в виде очень коротких импульсов, называемых фотонами (фотон – минимальная частица энергии). Видимый луч лазера может быть красным или голубым, невидимый луч лазера может быть, например, инфрокрасным. Полупроводниковые инжекционные лазеры, обеспечивающие ко­герентное во времени и пространстве излучение, широко используются в накопителях на оптических компакт-дисках. Они имеют малые габа­риты, а их накачка осуществляется электрическим током определенной величины с высоким полным КПД. Для того, чтобы лазерный усили­тель превратить в генератор излуче­ния, необходимо создать положи­тельную обратную связь, т.е. часть усиленного оптического выходного сигнала возвратить на  вход. Для это­го служат различные резонаторы, обеспечивающие много­кратное прохождение световой вол­ны через активную среду, причем длина резонатора определяется длиной волны лазерного излучения. Имеются такие мешающие факторы, как поглощение излучения в активной среде и отражение. По­этому лишь при превышение некоторого по­рога возбуждения, при котором пе­рекрываются все виды потерь - происходит возникновение стимулиро­ванного когерентного излучения.

Рис. 1.

 Фотоны создаются в результате цепной реакции вынужденного излучения, при которой все образующиеся фотоны представляют собой волны, находящиеся в одной фазе. То есть когерентность означает, что лазерный находится в фазе во времени и пространстве. Свет лазера является когерентным, поскольку в результате вынужденного излучения рождается фотон, который находится в фазе с исходным лучом (рис. 2).

 Рис. 2. Когерентные и некогерентные волны

При некотором значении энергии накачки, которое называется по­рогом генерирования лазера, проис­ходит лавинообразное усиление энергии лазерного излучения, т.е ге­нерация, а спектр излучения су­жается резонатором до одной длины волны. При энергии ниже порога генерации активная среда обычно излучает довольно широкий спектр, соответствующий спектру спонтанно­го излучения. Таким образом, лазер может ге­нерировать почти монохроматичес­кое излучение. Однако в любом ре­зонаторе условие резонанса может выполняться не для одного, а для многих типов колебаний, так как п=1, 2. 3. Эти типы колебаний, для которых в данном резонаторе одно­временно выполняется условие ре­зонанса, называют модами. В ре­зультате спектр излучения лазера состоит из набора мод, лежащих в полосе спонтанного излучения ак­тивной среды. Для получения одно-модового режима используют спе­циальные методы селекции мод. Лазер генерирует волну одной длины, которой соответствует один цвет.

Направленность лазерного излу­чения характеризуется его расходи­мостью, которая определяется отно­шением длины волны генерируемо­го излучения к линейному размеру резонатора. . Многие недостатки простых ла­зерных структур (высокая пороговая плотность тока, низкий КПД, малая долговечность) были устранены с разработкой гетеролазеров при ис­пользовании гетероструктур с одно­сторонним (ОГС) и двухсторонним (ДГС) ограничением.

Для генерации лазерного луча могут быть использованы различные рабочие вещества, например, кристаллический или полупроводниковый материал, газ и др.. Самым распространенным типом лазера является твердотельный, или полупроводниковый, лазер, который состоит из двух полупроводниковых пластинок, отличающихся введенными в них примесями. Возбуждение такого лазера осуществляют пропусканием через него внешнего электрического тока, при этом место соединения двух пластинок излучает свет обычно в инфракрасной части спектра. Рабочий материал, используемый в полупроводниковых лазерах называется лазерным диодом, который может генерировать невидимый инфракрасный луч с максимальной выходной мощностью 5 милливатт опасной для зрения человека.

Мощ­ность излучения полупроводниковых лазеров лежит в пределах единиц милливатт (единичные лазерные дио­ды). Лазерный луч сильно сфокусирован и несколько миллионов фотонов почти одновременно попадают в одну и ту же точку, в которой концентрируется очень большая энергия. Нанесенный на лазер желтым цветом знак «CAUSION» («предостережение») означает, что немедленное закрывание глаз защитит глаза от повреждения. Нанесенный на лазер красный знак «DANGER» («опасно») предупреждает, что даже кратковременное попадание луча в глаза опасно. Если вы видите символ лазера (рис. 3) – это предупреждение об опасности, с которой можно столкнуться при техническом обслуживании оборудования.

Рис. 3. Символ лазера

 Возможность генера­ции излучения с требуемой длиной волны достигается выбором или синтезом прямозонных полупровод­ников. Наиболее распространенным мате­риалом для изготовления инжекци­онных лазеров является арсенид галлия и его соединения. С ростом температуры длина волны излуче­ния лазеров периодически переска­кивает в направлении более длин­ных волн. Это происходит в резуль­тате изменения показателя прелом­ления материала лазера, а также с уменьшением ширины запрещенной зоны.

Стабильное излучение лазерного диода LD возможно только при определенном рабочем токе, ве­личина которого лежит в пределах 40-90 мА и может колебаться в пределах ±8 мА.

Превышение рабочего тока приводит к разрушению LD. Фирмы изготовители оптических преобразователей на этикетке с названием модели указывают рабочий ток LD. величина которого равна последнему трехзначному числу, деленному на величину сопротивления резистора (R10). стоящего в цепи эмиттера транзистора, управляющего мощностью излучения лазерного диода (величина сопро­тивления этого резистора обычно составляет 10...12 Ом). Например, рабочий ток лазерного диода равен 504/R10 = 50.4 мА. где R10 = 10 Ом. Мощность излучения LD контролируется монитор-фотодиодом (MD) и поддерживается на постоянном  уровне цепями автоматического управления мощностью - АРС. Часть излу­чения лазерного диода LD попа­дает на монитор-фотодиод, кото­рый преобразует его в электриче­ский сигнал. При уменьшении мощности излучения LD уменьша­ется потенциал на инвертирую­щем входе операционного усилителя DA, что приводит увеличению коллекторного тока транзистора VT2. т.е. увеличению рабочего тока LD. При увеличении мощнос­ти излучения происходит обратный процесс. Транзистор VT2 называется лазер-драйвером.

Существует способ проверки рабочего тока лазерного диода, который заключается в измерении падения напря­жения на резисторе, включенном в цепь эмиттера лазер-драйвера. Зная сопротивление этого резистора, легко по­лучить рабочий ток LD. Реко­мендуется следующий порядок проведения проверки: подключить вольтметр мультиметра к эмиттерному резистору, включить принтер, снять показания вольт­метра, затем выключить принтер и отключить мультиметр. Касаться щупами измерительных приборов выводов лазерного диода не допускается. Не допускает­ся также использование омметра в цепях LD. Многие активные элементы устройства восприимчивы к статическому электричест­ву, особенно это относится к полупроводниковым лазе­рам. Такие компоненты имеют название ESD (Electro Static Discharge). При работе с ними необходимо, чтобы рабочее место и жало паяльника были надежно зазем­лены. Кроме этого необходимо помнить, что полупро­водниковые инжекционные лазеры очень критичны даже к кратковременным выбросам отрицательного на­пряжения и могут легко выйти из строя при небольших обратных напряжениях. В ряде устройств их даже шун­тируют быстродействующими импульсными диодами, которые подключают параллельно.

Рис. 4.