Схема подключения лазерного диода. Собираем карманный лазер

Мечта о маленьком карманном лазере стала реальностью с появлением и развитием полупроводниковых лазерных диодов. В просторах интернета достаточно много статей о том, как можно сделать выжигающий лазер из привода для компакт дисков. Но не стоит ограничиваться только этой информацией.

Выбор лазерного диода:

Если вы задались серьёзной целью сделать лазер то просмотрите справочник и выберете подходящий по параметрам лазерный диод. Если нет у вас есть неисправный DVD RW привод — то вам придется раскошелится и купить лазерный светодиод. Причём в этом случае, вы можете в меру своих финансовых возможностей, подобрать лазер нужной вам мощности. А как с ним быть дальше? Рекомендую прочитать и прислушаться к нашей статье что бы не тратить время на сборку сомнительных схем подключения лазерного диода.

Классификация лазерных установок:

В лазерном пучке концентрируется высокая энергия и потому существует опасность повредить зрение при неосторожном обращении с лазерами. Существует классификация опасности лазерных установок в соответствии с EN60825-1 рисунок №1.

Рисунок №1 – Классификация опасности лазерных установок

При работе с лазерными диодами нужно СТРОГО СОБЛЮДАТЬ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ. Нельзя направлять луч лазера прямо в глаза, это может привести к полной или частичной потере зрения. Не давайте вашу лазерную установку детям, не оставляйте её в легкодоступных местах! Исключайте возможность не санкционированного (случайного) включения лазера, используйте ваше творение только в мирных целях!!! Одевайте защитные очки при настройке и работе с ним.

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.

Рисунок №4 – Лазерный диод вразрезе.

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.

Мой вариант лазера:

Я тоже попробовал сделать лазер из DVD RW привода и хочу сразу вас предупредить, что идея хорошая, но реализовать её достаточно сложно. Разбирать рабочий DVD RW привод это глупо, а в поломанных приводах, как правило, лазерный диод уже палёный и восстановлению не подлежит. Даже если вам всё же удалось вынуть рабочий лазерный диод, то будьте готовы к тому, что к нему необходима специальная собирающая линза, так как сам по себе лазерный диод светит не сфокусировано. А что б сформировать требуемое расхождение луча вам понадобиться хорошая оптика. Линзы от DVD RW привод не дают желаемый эффект. Я просто купил готовый лазерный модуль типа HLDPM12-655-5 (в корпусе с оптикой и защитой от переполюсовки), и подключил его к обыкновенному блоку питания.

Изобретение полупроводникового лазерного диода заслуженно считается одним из лучших достижений в области физики второй половины прошлого века. Независимые разработки советских и американских ученых в области оптического излучения твердотельных материалов, проведенные более полувека назад, сегодня показывают свою эффективность в бытовой, промышленной и военной сфере.
В отличие от светоизлучающих диодов, работа которых основана на спонтанном излучении фотонов, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и структуру кристалла.

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.

Виды лазерных диодов

За годы развития устройство лазерного диода претерпело множество изменений. Его конструкция совершенствовалась, во многом благодаря появлению высокотехнологичного оборудования. Высочайшая точность легирования и полировки полупроводникового кристалла, а также создание гетероструктурной модели – факторы, которые обеспечили высокий коэффициент отражения на границе «кристалл-воздух» и формирование когерентного излучения.

Первый лазерный диод (диод с гомоструктурой) имел один p-n переход и мог работать исключительно в импульсном режиме из-за быстрого перегрева кристалла. Он имеет лишь историческое значение и не применяется на практике.

Более эффективным оказался лазерный диод с двойной гетероструктурой (диод ДГС). Его кристалл создан на основе двух гетероструктур. Каждая гетероструктура – это материал (арсенид галлия и арсенид алюминия-галлия) с малой шириной запрещённой зоны, который расположен между слоями с большей шириной запрещенной зоны. Преимущество лазерного диода ДГС состоит в существенном увеличении концентрации разнополярных носителей в тонком слое, что значительно ускоряет проявление положительной обратной связи. К тому же отражение фотонов от гетеропереходов ведёт к снижению их концентрации в области низкого усиления, а значит, повышает эффективность всего устройства.

Лазерный диод с квантовыми ямами устроен по принципу диода ДГС, но с более тонкой активной областью. Это означает, что элементарные частицы, попадая в такую потенциальную яму, начинают двигаться в одной плоскости. Эффект квантования в данном случае заменяет потенциальный барьер и служит генератором излучения.

Недостаточная эффективность удержания светового потока в диодах ДГС привела к созданию гетероструктурного лазера с раздельным удержанием. В этой модели кристалл дополнительно покрывается слоем материала с каждой из сторон. Несмотря на меньший коэффициент преломления этих слоёв, они уверенно удерживают частицы, выступая в роли световода. Технология SCH занимает лидирующую позицию в производстве диодных лазеров.

Лазерный диод с распределённой обратной связью (РОС) является частью оптического оборудования в сфере построения телекоммуникационных систем. Длина волны РОС лазера является константой, что достигается путем нанесения поперечной насечки на полупроводник в области p-n-перехода. Насечка выполняет функцию дифракционной решётки, тем самым возвращая в резонатор фотоны только с одной (заданной) длиной волны. Эти когерентные фотоны и участвуют в усилении.

Поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором или вертикально-излучающий лазер ВИЛ (англ. – VCSEL) в отличие от ранее рассмотренных приборов испускает луч света перпендикулярно поверхности кристалла. В основе конструкции VCSEL лежит метод использования вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами, а также достижения метода ДГС и квантовой ямы. Преимущество технологии VCSEL состоит в температурной и радиационной стабильности, в возможности группового производства кристаллов и их тестирования непосредственно на стадии изготовления.

Модификацией VCSEL является ВИЛ с внешним резонатором (англ. – VECSEL). Оба лазерных диода позиционируются как приборы высокого быстродействия с возможностью обеспечения передачи данных в будущем на скорости до 25 Гбит/с через волоконно-оптическую связь.

Разновидности корпусов

Популяризация лазерных диодов вынуждала производителей самостоятельно разрабатывать новые типы корпусов. С учетом их специфического назначения компании выпускали всё новые и новые виды защиты и охлаждения кристалла, что привело к отсутствию унификации. В настоящее время не существует международных стандартов, регламентирующих корпуса лазерных диодов.
Пытаясь навести порядок, крупные производители заключают между собой договор об унификации корпусов. Однако перед практическим применением неизвестного лазерного диода всегда следует уточнять назначение выводов и длину волны излучения, невзирая на знакомый тип корпуса. Среди промышленно выпускаемых полупроводниковых лазеров наиболее часто встречаются два вида с указанными ниже корпусами.
1 Приборы с открытым оптическим каналом:

• TO-can (transistor-out-line metal-can package). Корпус выполнен из металла и применяется в изготовлении транзисторов;
• C-mount;
• D-mount.

2 Приборы с волоконным выходом:

• DIL (Dual-In-Line);
• DBUT (Dual-Butterfly);
• SBUT (Single-Butterfly).

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. Наиболее востребованы лазерные диоды для передачи данных в оптоволоконных сетях. Новые модели VCSEL обеспечивают скорость в 10 Гбит/с, что открывает дополнительные возможности для комплекса телекоммуникационных услуг, в том числе:

• 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.

Все конечно знают лазерные указки. Такие указки только светят и не имеют нагревательного эффекта. Это и неудивительно, т. к. его оптическая сила всего 1 мВт (максимальная 5 мВт). Автор хотел сделать лазер высокой мощности, но строительство классического лазера является очень сложным, поэтому он поступил иначе...

В наличии оказались три сломанных CD-RW привода. Лазеры в них, как правило, имеют мощность при импульсном режиме 100 - 250 мВт, при непрерывном- 50 - 125 МВт. Работают в инфракрасном диапазоне на длине волны 780 нм. Средний рабочий ток 100 мА - 150 мА, импульсный до 200 мА. При подключении диода лучше не рисковать и настроить ток в цепи питания около 100 мА (можно и больше, но существует риск разрушения диодов, так как его тип трудно установить). Падение напряжения на диоде около 2,1 - 2,15 В. Для ограничения тока можно использовать резистор. Это не идеальное решение, но это работает. Лучше конечно применить источник питания со стабилизированным током с 7805 или LM317.

В оригинальной конструкции лазерного устройства, лазерный луч фокусируется c расстоянием в несколько мм, существуют две линзы: первая преобразует расходящийся свет диода в параллельный пучок, вторая- фокусирует его на необходимом расстоянии. Такой диод не подходит для экспериментов, поэтому нужна небольшая переделка.

Есть два возможных решения:
1) Снимите лазерный диод и применяем к нему оптику от другого устройства (лазерный принтер. Это подходит только для лазерных диодов с обычными корпусами диаметром 5,6 мм, которые стыкуются со старонней оптикой.
2) Оставляем лазерный диод в оригинальной части, удаляем одну из линз (ближнюю к CD диску). Вторую линзу смещаем от диода и фокусируем луч в точку на нужное расстояние (1 см до 1 м или более).
Лазерный диод должен быть соосно совмещен с линзой, в противном случае вы не сможете с фокусировать пучок. Лазерные диоды никогда не должны быть включены, если они не помещены в достаточно большом металлический корпус, который служит теплоотводом!

То, что вы можете найти в различных устройствах для записи дисков: В DVD-RW дисководах есть 2 лазерные диоды: красный для сжигание DVD и инфракрасный для сжигания CD. В DVD-ROM приводах (только чтение) может предложить вам только слабый красный диод на 1 мВт, они хороши только для конструирования указок. Они не смогут зажигать или вырезать что-нибудь. В комбинированных CD-RW / DVD-ROM (прожиг CD и только читает DVD) вы можете найти диод инфракрасного и слабый красный диод (как в DVD-ROM). И, наконец, диоды из только читатающих CD-ROM совершенно бесполезны:).

Внимание! Лазерные диоды из CD-RW излучают невидимое лазерное излучение, и они очень опасны! Их свет может повредить глаза. Вы никогда не должны смотреть в рабочей диода даже без линзы или указать его на отражающей поверхности. Лазерный луч может вызвать ожоги или пожар. Это, как правило, класс лазера III b. Все, что вы делаете, вы делаете на свой страх и риск.

Простейшее подключение лазерного диода.

Подключение лазерного диода

R= (U-Ud) /I

Расчет сопротивления серии лазерного диода (напряжения U должно быть по крайней мере выше на 1 В чем падение напряжения Ud на лазерном диоде. Падение напряжения Ud 2,15 В для инфракрасного и 2,5 В для красных диодов. Никогда не устанавливайте ток лазерного диода выше 0,2 A.

Примечание: Если диод подключен к любому источнику питания (даже регулируемому) без сопротивления или регулятора тока, диод будет уничтожен! Лазерный диод имеет почти нулевое сопротивление. Падение напряжения 2,1 В не означает, что диод может быть подключен к 2.1 В!

Сделать мощный прожигающий лазер своими руками – несложная задача, однако, кроме умения пользоваться паяльником, потребуется внимательность и аккуратность подхода. Сразу стоит отметить, что глубокие познания из области электротехники здесь не нужны, а смастерить устройство можно даже в домашних условиях. Главное при работе – это соблюдение мер предосторожности, так как воздействие лазерного луча губительно для глаз и кожи.

Лазер – опасная игрушка, которая может нанести вред здоровью при его неаккуратном использовании. Запрещается направлять лазер на людей и животных!

Что потребуется?

Любой лазер можно разбить на несколько составляющих:

• излучатель светового потока;
• оптика;
• источник питания;
• стабилизатор питания по току (драйвер).

Чтобы сделать мощный самодельный лазер, потребуется рассмотреть все эти составляющие по отдельности. Наиболее практичным и простым в сборке является лазер на основе лазерного диода, его и рассмотрим в данной статье.

Откуда взять диод для лазера?

Рабочий орган любого лазера – это лазерный диод. Его можно купить почти в любом магазине радиотехнике, либо достать из нерабочего привода для компакт-дисков. Дело в том, что неработоспособность привода редко связана с выходом из строя лазерного диода. Имея в наличии сломанный привод можно без лишних затрат достать нужный элемент. Но нужно учесть, что его тип и свойства зависят от модификации привода.

Самый слабый лазер, работающий в инфракрасном диапазоне, установлен в CD-ROM дисководах. Его мощности хватает только для считывания CD дисков, а луч почти невидим и не способен прожигать предметы. В CD-RW встроен более мощный лазерный диод, пригодный для прожига и рассчитанный на ту же длину волны. Он считается наиболее опасным, так как излучает луч в невидимой для глаза зоне спектра.

Дисковод DVD-ROM оснащён двумя слабыми лазерными диодами, энергии которых хватает только для чтения CD и DVD дисков. В пишущем приводе DVD-RW установлен красный лазер большой мощности. Его луч виден при любом освещении и может легко воспламенять некоторые предметы.

В BD-ROM стоит фиолетовый или синий лазер, который по параметрам схож с аналогом из DVD-ROMа. Из пишущих BD-RE можно достать наиболее мощный лазерный диод с красивым фиолетовым или синим лучом, способным к прожигу. Однако найти для разборки такой привод достаточно сложно, а рабочее устройство стоит дорого.

Самым подходящим является лазерный диод, взятый из пишущего привода DVD-RW дисков. Наиболее качественные лазерные диоды установлены в LG, Sony и Samsung приводах.

Чем выше скорость записи DVD привода, тем мощнее установлен в нем лазерный диод.

Разбор привода

Имея перед собой привод, первым делом снимают верхнюю крышку, открутив 4 винта. Затем извлекают подвижный механизм, который находится в центре и соединён с печатной платой гибким шлейфом. Следующая цель – лазерный диод, надёжно впрессованный в радиаторе из алюминиевого или дюралевого сплава. Перед его демонтажем рекомендуется обеспечить защиту от статического электричества. Для этого выводы лазерного диода спаивают или обматывают тонкой медной проволокой.

Далее возможны два варианта. Первый подразумевает эксплуатацию готового лазера в виде стационарной установки вместе со штатным радиатором. Второй вариант – это сборка устройства в корпусе переносного фонарика или лазерной указки. В этом случае придётся приложить силу, чтобы раскусить или распилить радиатор, не повредив излучающий элемент.

Драйвер

К питанию лазера необходимо отнестись ответственно. Как и для светодиодов, это должен быть источник стабилизированного тока. В интернете встречается множество схем с питанием от батарейки или аккумулятора через ограничительный резистор. Достаточность такого решения сомнительна, так как напряжение на аккумуляторе или батарейки меняется в зависимости от уровня заряда. Соответственно ток, протекающий через излучающий диод лазера, будет сильно отклоняться от номинального значения. В результате на малых токах устройство будет работать не эффективно, а на больших – приведёт к быстрому снижению интенсивности его излучения.

Оптимальным вариантом считается использование простейшего стабилизатора тока, построенного на базе . Данная микросхема относится к разряду универсальных интегральных стабилизаторов с возможностью самостоятельного задания тока и напряжения на выходе. Работает микросхема в широком диапазоне входных напряжений: от 3 до 40 вольт.

Аналогом LM317 является отечественная микросхема КР142ЕН12.

Для первого лабораторного эксперимента подойдет схема, приведенная ниже. Расчет единственного в схеме резистора производят по формуле: R=I/1,25, где I – номинальный ток лазера (справочное значение).

Иногда на выходе стабилизатора параллельно диоду устанавливают полярный конденсатор на 2200 мкФх16 В и неполярный конденсатор на 0,1 мкФ. Их участие оправдано в случае подачи напряжения на вход от стационарного блока питания, который может пропустить незначительную переменную составляющую и импульсную помеху. Одна из таких схем, рассчитанная на питание от батарейки «Крона» или небольшого аккумулятора, представлена ниже.

На схеме указано примерное значение резистора R1. Для его точного расчета необходимо воспользоваться вышеприведенной формулой.

Собрав электрическую схему, можно сделать предварительное включение и как доказательство работоспособности схемы, наблюдать ярко-красный рассеянный свет излучающего диода. Измерив его реальный ток и температуру корпуса, стоит задуматься о необходимости установки радиатора. Если лазер будет использоваться в стационарной установке на больших токах длительное время, то нужно обязательно предусмотреть пассивное охлаждение. Теперь для достижения цели осталось совсем немного: произвести фокусировку и получить узконаправленный луч большой мощности.

Оптика

Выражаясь по-научному, пришло время соорудить простой коллиматор, устройство для получения пучков параллельных световых лучей. Идеальным вариантом для этой цели будет штатная линза, взятая из привода. С её помощью можно получить довольно тонкий луч лазера диаметром около 1 мм. Количества энергии такого луча достаточно, чтобы насквозь прожигать бумагу, ткань и картон в считаные секунды, плавить пластик и выжигать по дереву. Если сфокусировать более тонкий луч, то данным лазером можно резать фанеру и оргстекло. Но настроить и надежно закрепить линзу от привода достаточно сложно из-за ее малого фокусного расстояния.

Намного проще соорудить коллиматор на основе лазерной указки. К тому же в её корпусе можно поместить драйвер и небольшой аккумулятор. На выходе получится луч в диаметре около 1,5 мм меньшего прожигающего действия. В туманную погоду или при обильном снегопаде можно наблюдать неимоверные световые эффекты, направив световой поток в небо.

Через интернет-магазин можно приобрести готовый коллиматор, специально предназначенный для крепления и настройки лазера. Его корпус послужит радиатором. Зная размеры всех составных частей устройства, можно купить дешевый светодиодный фонарик и воспользоваться его корпусом.

В заключение хочется добавить несколько фраз об опасности лазерного излучения. Во-первых, никогда не направляйте луч лазера в глаза людей и животных. Это приводит к серьёзным нарушениям зрения. Во-вторых, во время экспериментов с красным лазером надевайте зелёные очки. Они препятствуют прохождению большей части красной составляющей спектра. Количество света, прошедшее сквозь очки, зависит от длины волны излучения. Смотреть со стороны на луч лазера без защитных средств допускается лишь кратковременно. В противном случае может появиться боль в глазах.

Читайте так же

Под термином «лазерный диод » понимается лазер полупроводникового типа, основа конструкции которого представлена диодом. Принцип работы такого лазера строится на том, что после того, как в диод были инжектированы носители заряда в зоне p-n — перехода возникает инверсия населённостей.

Принцип работы лазерного диода

Всегда необходимо помнить, что при формировании излучения больше важен не ток лазерного диода, а напряжение. В момент подачи на анодный конец диода положительного потенциала, наблюдается смещение диода по прямому направлению. Это подразумевает инжекцию дырок из p-области в n-область и аналогичную инжекцию электронов в обратном направлении. Расположение электрона и дырки в достаточной близости для проявления эффекта туннелирования делает возможной их рекомбинацию. Данное действие сопровождается образованием:

• Фотонов, имеющих определённую длину волны (результат принципа сохранения энергии);
• Фононов (компенсируют забираемые фотонами импульсы).

Явление носит название спонтанного излучения и применительно к светодиодам считается главным методом создания излучения.

Рис 1 Конструкция лазерного диода.

Если рекомбинирование электрона и дырки, несмотря на общую пространственную область, не происходит весьма долго. Пересечение этой области фотоном с резонансной частотой провоцирует процесс вынужденной рекомбинации, результатом которой становится формирование другого фотона, полностью совпадающего с первым по всем значимым параметрам.

Особенности конструкции

Кристалл полупроводника лазерного диода представляет собой весьма тонкую прямоугольную пластинку. Деление на p и n области здесь происходит по принципу не лево-право, а верх-низ. То есть, вверху расположена p-область, а внизу — n-область.

Как результат: площадь p-n — перехода достаточно велика. Для торцевых (боковых) сторон обязательна полировка, поскольку формирование оптического резонатора (Фабри-Перо) требуются наличие параллельных плоскостей абсолютной гладкости. Перпендикулярно направленный в отношении одной из таких плоскостей случайный фотон (сформированный спонтанным излучением) будет двигаться по всему оптическому волноводу, периодически отражаясь от боковых граней, пока наконец не покинет резонатор.

Во время движения этот фотон станет причиной нескольких актов вынужденной рекомбинации, формирования подобных фотонов и усиления излучения. В момент, когда усиление достаточно для перекрытия потерь, происходит лазерная генерация.

Разновидности лазерных диодов

• P-n гомоструктурный диод.

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.

Драйвер для лазерного диода

Выходная оптическая мощность лазерного диода (являющая одной из основных оптических характеристик) находится в зависимости от тока, проходящего по p-n — переходу. Ввиду этого драйвер лазерного диода обязательно должен соотноситься с источником тока. Все характеристики относящиеся к источнику тока отражаются на параметрах оптической мощности.

В сферу «обязанностей» драйвера входит не только регулировка мощности, но и терморегуляция, осуществляемая через охладитель. Конструкция управляющего блока при этом может быть как совмещённой, так и раздельной.

Рис з Схема простейшего драйвера лазерного диода

Как подключить лазерный диод

Питать лазерный диод можно при помощи:

1. Батарей;
2. Аккумуляторных источников питания;
3. Стационарных сетей на 220 В (при соответствующей защите от перепадов тока и напряжения).

Подключение лазерного диода к сети на 220 вольт опасно выбросами напряжения и высокочастотными всплесками. Чтобы обеспечить в защиту при данном варианте, потребуется конструкция, включающая в себя:

• Стабилизатор напряжения;
• Конденсатор;
• Токоограничивающие резисторы;
• Лазерный диод.

При использовании всех приведённых компонентов можно гарантировать безопасность эксплуатации диода.

Рис 4 Одно из подключений лазерного диода

Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод?

Единица измерения длины волны, которую может продуцировать лазерный диод — нм , иначе «нанометры». Благодаря этому значению можно определить цветовой спектр испускаемого светового луча:

• 650 нанометров

Поток фотонов красного цвета наиболее часто используется в конструкциях дисководов. При дневном свете луч этого лазера виден не очень хорошо, но причина этому только невосприимчивость человеческого зрения. При мощности от 20-50 мВт и фокусировки светового пятна в минимально возможную по площади точку проявляется эффект «жжения». Мощность на 200 мВт при правильной фокусировке позволяет резать бумагу различной плотности.

• 532 нанометра.

Зелёный поток. Лазеры данного типа очень хрупки и чувствительны к температурным всплескам, требуют крайне осторожного обращения. К тому же обладают сложным устройством и до недавнего времени были крайне дорогими.

Главный положительный момент их применения: зрительно излучение на 532 нм наиболее хорошо различимо. Поэтому использовать лазер зелёного цвета мощнее, чем на 5мВт будет небезопасно для зрения. Кроме того, в силу особенностей конструкции вместе с зелёным спектром лазер поставляет и инфракрасный с длиной волны на 808 нм и 1064 нм, а это только повышает травмоопасность такого прибора. Правда в более дорогих экземплярах стоят специальные фильтры, но это обязательно нужно проверять.

• 405 нанометров.

Фиолетовое излучение. Опасно тем, что слабо различимо для человеческого глаза и кажется слабым по мощности, хотя на деле ситуация строго противоположная. Его трудно сфокусировать. В общем, в целях эксплуатации не самый удобный вариант. Может быть актуален разве что при работе с фоторезисторами.

• 780 нанометров.

Инфракрасное излучение. Опасно в силу того, что не воспринимается человеческим зрением от слова совсем. А это грозит различными травмами зрения. Работа возможна только при отсутствии инфракрасного фильтра, что обеспечит хотя бы относительную видимость луча.

• 10 микрометров.

Излучение также инфракрасное с надбавкой CO2. Наиболее широко применяется в промышленности. Подобные лазеры имеют низкую стоимость, высокую мощность и отличаются высоким КПД. Используются данные лазерные диоды для резки металла или фанеры. С их помощью выполняется гравировка.