Diodni laserski stroj

Vrste diodnih laserskih strojeva

Diodni laseri s rubnom emisijom
Diodni laseri s rubnim emitiranjem emitiraju lasersko svjetlo s ruba poluvodičkog čipa. Oni emitiraju svjetlost paralelno s površinom čipa. Diodni laseri s rubnim emitiranjem izrađeni su od čipa napravljenog od galij arsenida (GaAs), indij fosfida (InP) ili galij nitrida (GaN). Čip je sastavljen od dva (ili više) slojeva, uključujući (aktivno) područje za smanjenje naboja na pn spoju, gdje se javlja laserski učinak.

Diode s rubnim emitiranjem mogu pružiti visoke razine optičke snage, u rasponu od milivata do deset vata ili više. Oni također pokazuju veću električnu učinkovitost od tipične, u usporedbi s većinom drugih vrsta lasera i laserskih dioda. Ovi se laseri koriste u većini područja: telekomunikacije, optička pohrana podataka, skeniranje crtičnog koda, laserski ispis, optička detekcija, medicinska oprema i industrijski laserski sustavi.

Laseri s površinskom emitirajućom diodom (VCSED) s okomitom šupljinom
VCSED uređaji se češće nazivaju površinski emitirajući laseri s vertikalnom šupljinom (VCSEL). To su klase poluvodičkih laserskih dioda koje emitiraju lasersko svjetlo okomito na površinu čipa, kroz gornju površinu čipa. VCSEL se formiraju od čipa pn spojnice s okomitom šupljinom, koja se sastoji od dva raspoređena Braggova reflektorska zrcala. Aktivno područje, gdje se svjetlost pokreće poništavanjem naboja, u središtu je između tih zrcala. Ovaj tip lasera općenito naseljava aktivno područje kvantnim jažicama ili sličnim strukturama koje izazivaju pojačanje. Svjetlost se emitira okomito na površinu čipa kao kružna ili eliptična zraka s dobro definiranim i simetričnim profilom. Ovaj profil snopa dobro reagira na kolimaciju, s relativno malom divergencijom.

Ovi uređaji imaju nekoliko prednosti u odnosu na diodne lasere s rubnom emisijom. Njihova struja praga je niska, što omogućuje visoku električnu učinkovitost pri niskim razinama snage. Ti uređaji s kružnim profilom snopa dobro su prikladni za spajanje na optička vlakna. Glavna prednost VCSEL-a je to što se mogu proizvoditi na razini pločice, što rezultira nižim troškovima proizvodnje i većom ujednačenošću od pojedinačno konstruiranih uređaja.

Dostupni su VCSED laseri koji emitiraju niz valnih duljina, od srednje do bliske infracrvene, kao i vidljivu svjetlost. Valna duljina izlaza rezultat je odabira materijala, dizajna spoja i oblika rezonantne šupljine. Široko se koriste u: optičkim mrežama, optičkim interkonekcijama i sustavima za prijenos podataka velike brzine. Također se koriste u 3D senzoru za prepoznavanje lica i senzor dubine u mobilnim uređajima, te u općenitijim optičkim i senzorskim aplikacijama kao što su optički miševi, laserski pisači i 3D skeneri.

Laseri s raspodijeljenom povratnom spregom (DFB).
DFB (distribuirana povratna sprega) laseri imaju strukturu sličnu drugim poluvodičkim laserima. Međutim, uključivanje periodične rešetkaste strukture unutar aktivnog područja ili vanjskog valovoda jedinstveno je za ovu klasu. Rešetka raspodijeljene povratne sprege sastoji se od periodičke varijacije indeksa loma područja valovoda, što rezultira periodičnom modulacijom profila pojačanja. Ovo djeluje kao mehanizam povratne sprege, forsirajući optičku povratnu spregu/pojačanje na odabranoj valnoj duljini dok potiskuje druge načine. To znači da ovi uređaji proizvode svjetlost na određenoj valnoj duljini visoke spektralne čistoće i uske širine linije. Ovo je idealno za komunikaciju optičkim vlaknima velike brzine prijenosa podataka, senzore i različite spektroskopske i mjeriteljske primjene visoke razlučivosti.

DFB laseri također mogu biti dizajnirani za podešavanje valne duljine unutar ograničenog raspona. To je rezultat podešavanja temperature, podešavanja struje ili vanjskog mehanizma povratne sprege koji omogućuje podešavanje indeksa loma.

Kvantni kaskadni laseri (QCL)
Kvantni kaskadni laser (QCL) koristi kvantne kaskadne prijelaze između energetskih razina unutar više poluvodičkih spojeva kao laserski izvor. QCL su konstruirani od višestrukih kvantnih jažica, s barijerama koje tvore slojevi poluvodiča s različitim propusnim pojasima. Kada se primijeni prednapredna struja, elektroni i rupe putuju kroz više kvantiziranih energetskih razina, učinkovito generirajući fotone pri svakom prijelazu. Oni emitiraju u srednjim infracrvenim i terahercnim područjima elektromagnetskog spektra i mogu emitirati širok raspon valnih duljina unutar tih područja. Većina tehnologija srednjeg infracrvenog lasera zahtijeva kriogeno hlađenje, dok QCL rade na sobnoj temperaturi, što ih čini idealnim za aplikacije kojima je potreban ovaj frekvencijski raspon. Isporuka visokih razina optičke snage čini ih prikladnima za aplikacije s višom energijom, isporučujući način kontinuiranog vala (CW) s vrlo stabilnim izlazom.

Relativno jednostavno podešavanje valne duljine emisije postiže se podešavanjem debljine slojeva i prednapona, što ih čini idealnim za aplikacije spektroskopske analize koje zahtijevaju više valnih duljina. Također se koriste za praćenje okoliša, medicinske dijagnostičke sustave, daljinsko očitavanje i komunikaciju u slobodnom prostoru.

Diodni laseri s vanjskom šupljinom (ECDL)
ECDL su format uređaja koji koristi vanjsku šupljinu, obično vanjski reflektor ili rešetku, za pojačavanje laserskog izlaza i kontrolu njegovih karakteristika. ECDL-ovi omogućuju povećanu prilagodljivost, usku širinu linije i preciznu kontrolu valne duljine u usporedbi s drugim formatima diodnog lasera. Imaju strukturu sličnu ostalim diodnim laserima, s pn spojem usmjerenim naprijed i aktivnim područjem u kojem se emitiraju fotoni. Vanjska šupljina dodana je laseru kako bi se osigurala optička povratna sprega koja omogućuje precizno podešavanje frekvencije emisije. Ova šupljina sadrži reflektor, rešetku ili drugu optičku strukturu koja reflektira dio zrake natrag u šupljinu.

ECDL-ovi mogu omogućiti uže širine linija, u usporedbi s drugim vrstama diodnih lasera. Vanjska šupljina potiskuje neželjene uzdužne modove i optički šum, pružajući bolju koherenciju i užu širinu snopa. Ova klasa uređaja idealna je za primjene koje zahtijevaju visoku spektralnu čistoću za vrlo preciznu optičku kvantizaciju.

ECDL-ovi daju značajno poboljšanu prilagodljivost valne duljine u usporedbi s većinom diodnih lasera. Valna duljina lasera može se precizno podesiti suptilnim podešavanjem položaja ili upadnog kuta vanjskog reflektora ili rešetke. To omogućuje širok spektar zahtjevnih primjena u spektroskopiji, atomskoj i molekularnoj fizici te mjeriteljstvu. Prednost dobrog dizajna u vanjskoj rezonantnoj šupljini je u tome što prilagodba frekvencije emisije može biti bez skokova u modu—to jest, mogu se napraviti glatke prilagodbe između željenih valnih duljina, bez asimptotskih i ometajućih koraka.

Konusni diodni laseri
Konusni diodni laseri (ili konusna pojačala; konusni laseri) su klasa lasera sa konusnom šupljinom za pojačanje. Ovi laseri postižu veliku izlaznu snagu, dobru kvalitetu snopa i visoku električnu učinkovitost. Ovo suženo područje je šire na ulaznom kraju i postupno se sužava prema izlaznom kraju. Ovo sužavanje služi za povećanje širine snopa i smanjenje optičke gustoće u području laserskog pojačanja.

Konusni odjeljak za pojačanje omogućuje povećano područje moda, omogućujući veću ekstrakciju optičke snage. Također pomaže u poboljšanju kolimacije kvalitete zrake u izlazu. Konus također povećava učinkovitost iskorištavanja primijenjene energije pumpe. Još jedna prednost suženja je povećanje spektra pojačanja, što omogućuje širi raspon valnih duljina u izlazu. Ova mogućnost podešavanja posebno je vrijedna značajka klase. Ovi uređaji imaju široku primjenu u obradi materijala, laserskom graviranju i laserskom pumpanju (za plinske i krute lasere velike snage). Njihova velika snaga i dobra kvaliteta snopa čine ih prikladnima za zahtjevne primjene u kojima su preciznost, brzina i snaga ključni.

Laseri sa superluminiscentnom diodom (SLD).
SLD (superluminiscentna dioda) laseri, također poznati kao izvori pojačane spontane emisije (ASE), tip su lasera koji spaja svojstva laserskih dioda i LED dioda. Oni proizvode svjetlo širokog spektra visokog intenziteta, što ih čini prikladnima za posebne primjene u slikanju, senzorima optičkih vlakana i telekomunikacijama. SLD laseri stvaraju nekoherentnu svjetlost kroz pojačanu spontanu emisiju. Ovi uređaji proizvode široku propusnost svjetlosti, u rasponu od desetaka do stotina nanometara, čineći SLD-ove prikladnima za aplikacije koje zahtijevaju široki spektralni raspon ili slike visoke rezolucije. SLD daje vrlo svijetli izlaz, što je mjera optičke snage po jedinici prostornog kuta i jedinici propusnosti valne duljine. Visoka svjetlina rezultat je pojačane spontane emisije i optičkog pojačanja. Njihov izlaz ima kratku duljinu koherencije u usporedbi s konvencionalnim laserima. To je udaljenost preko koje elektromagnetski valovi održavaju svoj fazni odnos. To ih čini prikladnima za primjene koje zahtijevaju smetnje niske koherencije ili dubinsko razlučivo snimanje. SLD se koriste u optičkoj koherentnoj tomografiji (OCT), svjetlovodnom senzoru, spektroskopiji, biomedicinskom slikanju, optičkom mjeriteljstvu i optičkom ispitivanju. Osobito su vrijedni u OCT sustavima za snimanje bioloških tkiva i materijala visoke rezolucije.

Dvostruki heterostrukturni laseri
Laseri s dvostrukom heterostrukturom (DH) grana su obitelji laserskih dioda koja integrira heterostrukturu koja poboljšava performanse tehnologije. DH laseri imaju nižu struju praga, veću učinkovitost i povećanu izlaznu snagu u usporedbi s uobičajenom homospojnom konstrukcijom.

DH laseri sastavljeni su od dva pn spoja formirana u tri sloja. Osiromašena zona (središnji sloj n-tipa) spojena je između dva sloja p-tipa sa širim pojasnim razmakom. Ova konfiguracija stvara učinkovito ograničenje nosača i optički način rada bez curenja, povećavajući električnu učinkovitost i ukupne performanse. Povećano ograničenje nositelja pomaže u povećanju gustoće nositelja i rekombinacije, što dovodi do većeg dobitka i poboljšane operativne učinkovitosti u većini aspekata. Sekundarna prednost je da heterostruktura inducira optičko ograničenje, pojačavajući interakciju svjetlosti i materije. Struja nižeg praga proizlazi iz nižeg curenja nositelja naboja, što omogućuje laseru da dosegne prag za početak laseriranja pri nižim razinama struje.

Ovi uređaji imaju široku primjenu u telekomunikacijama, optičkim podatkovnim uređajima, laserskom ispisu i laserski mjernim sustavima. Osobito su vrijedni u komunikacijama optičkim vlaknima na velikim udaljenostima u kojima su visoka učinkovitost, struje niskog praga i veliki izlaz korisni.

Diodni laseri s kvantnom jamom
Diodni laseri s kvantnom bušotinom obitelj su uređaja koji sadrže kvantno dobre strukture koje poboljšavaju optička/električna svojstva. Postižu struju nižeg praga, veću energetsku učinkovitost i poboljšanu kontrolu valne duljine u odnosu na jednostavnije uređaje. Ovi uređaji izrađeni su od slojevite strukture tankih poluvodičkih pločica užeg pojasnog razmaka, omotanih u slojeve većeg pojasnog razmaka. Sloj kvantne jažice stvara ograničeno područje za nositelje i generirane fotone, poboljšavajući optičko pojačanje. Ograničeni nosač postiže veću gustoću u području kvantne jame, što olakšava poboljšanu upotrebu nosača za stimuliranu emisiju, što rezultira poboljšanom učinkovitošću pretvorbe energije. Omogućuju preciznu kontrolu nad generiranom valnom duljinom, podešavanjem širine jažice i sastava. To omogućuje precizno podešavanje valne duljine emisije prema zahtjevnim specifikacijama.

Diodni laseri s kvantnom bušotinom poznati su po izlazu uske širine linije. Suzbijanje konkurencije longitudinalnih modova i smanjeni optički šum rezultiraju boljom koherencijom i užim spektralnim ponašanjem. Ovaj format uređaja posebno je koristan u telekomunikacijama, optičkoj pohrani podataka, laserskom ispisu i medicinskoj dijagnostici. Kompaktni i učinkoviti izvori zračenja za komunikaciju optičkim vlaknima kritični su u optičkim vlaknima velike propusnosti i velikim udaljenostima.

Laseri s jednim uzdužnim modom (SLM).
Laseri s jednim uzdužnim modom (SLM) emitiraju svjetlost kako bi proizveli izlaz s jednom frekvencijom ili valnom duljinom s visokom koherencijom i uskom širinom linije. SLM laseri primjenjuju različite tehnike kao što su elementi odabira moda, metode stabilizacije frekvencije i optimizacija dizajna šupljine kako bi se postigao ovaj izlaz jednog moda. Suzbijanje interferirajućih longitudinalnih modova stvara visoko koherentan izlaz s uskim frekvencijskim spektrom.

SLM laseri se koriste u raznim područjima kao što su telekomunikacije, senzori optičkih vlakana, mjeriteljstvo, spektroskopija i interferometrija te kao istraživački alati, zbog svoje visoke koherencije, precizne kontrole valne duljine i uske širine linije.

Interband kaskadni laseri
Međupojasni kaskadni laseri (ICL) rade na međupojasnom prijelazu između različitih elektroničkih vrpci unutar aktivnog područja. Omogućuju učinkovit i visokoučinkovit rad u srednjem infracrvenom spektru valnih duljina. ICL-ovi imaju koristi od međupojasnih prijelaza između energetskih pojaseva unutar svake pločice, iskorištavajući kaskadne prijelaze između višestrukih stupnjeva/kvantnih jažica za postizanje poboljšanog optičkog dobitka i laserske emisije. Konvencionalni diodni laseri oslanjaju se na ograničenije unutarpojasne prijelaze. Obično su dizajnirani za generiranje zračenja u srednjim infracrvenim valnim duljinama, između 3 i 12 mikrometara. Višestruki stupnjevi kvantne jame električno su povezani u kaskadnu konfiguraciju. Svaki stupanj sudjeluje u procesu pojačanja, što rezultira većim optičkim pojačanjem od uređaja s jednim spojem.

ICL isporučuju posebno nisku struju praga za početak laserskog zračenja. Veća učinkovitost prijenosa i korištenja nositelja rezultira manjom potrošnjom energije. ICL se primjenjuju na detekciju plina, kemijsku analizu, praćenje okoliša, kontrolu industrijskih procesa i optičku komunikaciju u slobodnom prostoru. Srednje infracrveno zračenje korisno je za otkrivanje i mjerenje specifičnih zagađivača.

Heterostrukturni laseri s odvojenim ograničenjem
Heterostrukturni laseri s odvojenim ograničenjem (SCH) koriste dizajn heterostrukture za poboljšanje optičkih i električnih svojstava. To omogućuje smanjene optičke gubitke, poboljšano ograničenje nosača i poboljšanu ukupnu izvedbu u usporedbi s uobičajenim homospojnim laserima. SCH laseri uključuju nekoliko pločica s različitim pojasnim razmacima kako bi formirali složeniju heterostrukturu. Osiromašeni sloj je stisnut slojevima sa širim pojasnim razmakom. Ova složenost omogućuje poboljšano ograničenje i nositelja i optičkih načina.

Poboljšano ograničenje i smanjeno optičko curenje rezultat su slojeva obloge koji hvataju i optičku aktivnost i aktivnost nositelja naboja unutar aktivnog područja. Smanjeno curenje nositelja posebno doprinosi poboljšanoj struji praga i električnoj učinkovitosti. Zauzvrat, ovo poboljšava performanse, u usporedbi s homospojnim laserima, poboljšanjem temperaturne stabilnosti, veće propusnosti modulacije i temperaturno ovisnog pomaka valne duljine. SCH laseri su posebno korisni u aplikacijama koje zahtijevaju učinkovitost i temperaturnu stabilnost. Prilagođeni su općim primjenama kao što su telekomunikacije, optička pohrana podataka, laserski ispis, optički senzori i lasersko istraživanje, ali posebno su prikladni za oštrija okruženja i komunikacijske sustave s optičkim vlaknima.

Laseri s distribuiranim braggovim reflektorom (DBR).
Uređaji s distribuiranim Braggovim reflektorom (DBR) su uređaji koji uključuju distribuirani Braggov reflektor integriran u šupljinu za pojačanje. Ovaj aspekt omogućuje preciznu kontrolu emitirane frekvencije i usku filtraciju za dobru spektralnu čistoću i odabir. Braggova rešetka sastoji se od izmjeničnih slojeva materijala s visokim i niskim indeksom loma koji funkcioniraju kao zrcalo selektivno prema valnim duljinama. Ova struktura reflektira svjetlost svih neodabranih valnih duljina dok dopušta željenom zračenju da se širi kroz šupljinu za pojačanje. Ova struktura omogućuje preciznu selektivnost valne duljine, a podešavanjem perioda rešetke ili parova indeksa loma, emitirana valna duljina može se podesiti u određenom rasponu. To olakšava prilagodbu i kompatibilnost s nizom aplikacija, uključujući sustave multipleksiranja valne duljine (WDM) i optičku koherentnu tomografiju (OCT).

DBR laseri daju izlaz uske širine linije kao rezultat distribuirane povratne sprege Braggove rešetke. Rešetka potiskuje nepoželjne longitudinalne modove i rezultira jednomodnom emisijom uske spektralne širine. Ovi uređaji isporučuju korisne, visoke omjere potiskivanja bočnog načina rada (HSMSR), koji predstavljaju razliku u snazi ​​između željenog laserskog načina rada i susjednih načina rada, pružajući mjeru selektivnosti, spektralne čistoće i uske širine linije.

DBR laseri se koriste u telekomunikacijama, svjetlovodnom senzoru, spektroskopiji, mjeriteljstvu i optičkoj koherentnoj tomografiji. Koriste se kao precizni i stabilni izvori svjetlosti u raznim sustavima koji zahtijevaju specifične valne duljine, uske širine linija i visoku spektralnu čistoću.

Površinski emitirajući laseri s vertikalnom vanjskom šupljinom
Laseri s površinskim emitiranjem s okomitom vanjskom šupljinom (VECSEL) specijalizirani su tip laserskog uređaja koji kombinira korisna svojstva lasera s površinskim emitiranjem s okomitom šupljinom (VCSEL) i diodnih lasera s vanjskom šupljinom (ECDL). To rezultira jedinstvenim značajkama kao što su velika izlazna snaga, mogućnost podešavanja valne duljine i izvrsna kvaliteta snopa.

VECSEL-i imaju lasersku šupljinu okomito, tako da se svjetlost emitira okomito na površinu čipa. Ovaj vertikalni dizajn omogućuje učinkovito odvođenje topline i preciznu kontrolu nad emitiranim snopom. Njihova vanjska konfiguracija šupljine izgrađena je od dodatnih reflektirajućih površina smještenih izvan strukture čipa. To omogućuje kontrolu valne duljine, oblikovanje snopa i skaliranje snage. VECSEL-i imaju veću izlaznu snagu od VCSEL-a jer konfiguracija vanjske šupljine poboljšava rasipanje topline. Precizno podešavanje valne duljine u širokom spektralnom rasponu postiže se promjenom položaja zrcala vanjske šupljine ili podešavanjem radne temperature uređaja. Kroz precizno dizajniranu upotrebu vanjske šupljine, VECSEL-i postižu visokokvalitetni izlaz niskog kuta divergencije i jednolikog profila snopa.

VECSEL se koriste u znanstvenim istraživanjima, obradi materijala, medicinskoj dijagnostici, optičkim senzorima i telekomunikacijama. Služe preciznim aplikacijama kao što su laserska spektroskopija, lasersko hlađenje i hvatanje/manipulacija atomima, laserska ablacija i optičke komunikacije velike brzine prijenosa podataka.

Multi-longitudinal mode (MLM) laseri
Multi-longitudinal mode (MLM) laseri nude neobičnu mogućnost emitiranja na nekoliko, blisko razmaknutih, ali uskih frekvencijskih pojaseva, preko relativno širokog spektra. Uzdužni modovi u MLM laserima su usko raspoređeni. Razmak ovisi o funkcionalnom dizajnu rezonantne šupljine kao što je njezina duljina i indeks loma laserskog medija. Njihov široki emisioni spektar posljedica je prisutnosti ovih više načina. Spektralna širina i distribucija modova nastaju zbog dizajna šupljine i spoja, kao i zbog radnih uvjeta.

MLM laseri se koriste u spektroskopiji, mjeriteljstvu, interferometriji i telekomunikacijama. Osobito su primjenjivi na optičku koherentnu tomografiju (OCT), u kojoj je moguća slika visoke razlučivosti, koja je rezultat interferencije višestrukih longitudinalnih modova.

Primjena diodnog laserskog stroja

Kako održavati diodni laserski stroj

Kako radi diodni laser

Diodni laseri rade stimulirajući emisiju fotona na spoju poluvodiča. Poluvodički materijal ima specifične energetske razmake koji pokreću stvaranje i pojačanje koherentne svjetlosti. Dioda se sastoji od pn spoja. Područje n-tipa stvara višak negativno nabijenih nositelja (elektrona), dok p-tip stvara višak pozitivno nabijenih nositelja (rupa). Spoj čini osiromašeno područje između dva materijala. Kada se prednapon prednapona (+ve na p i -ve na n materijal) primijeni preko spoja, struja teče. To uzrokuje pomicanje nositelja naboja preko spoja. Elektroni iz n područja i šupljine iz p područja ubrizgavaju se u osiromašeno područje. Oni se susreću i neutraliziraju, oslobađajući foton za svaki poništeni naboj.

Diodni laser je dizajniran s reflektirajućim površinama na krajevima, tvoreći "optičku šupljinu". Fotoni se reflektiraju iznutra, a optička povratna sprega pojačava stimulirane emisije i rezultira uskopojasnom, koherentnom svjetlošću. Stimulirajuća emisija također se događa kada foton stupa u interakciju s pobuđenim elektronom, uzrokujući da emitira drugi foton. Ovi dodatni fotoni identični su fotonu koji pokreće, što dovodi do pojačanja. Kako se stimulirana emisija nastavlja i fotoni se reflektiraju unutar šupljine, intenzitet laserske energije raste.