Diode Laser Machine

Vrste diodnih laserskih mašina

Diodni laseri koji emituju rubove
Diodni laseri koji emituju ivice emituju lasersku svetlost sa ivice poluprovodničkog čipa. Emituju svjetlost paralelno s površinom čipa. Diodni laseri koji emituju ivice formiraju se od čipa napravljenog od galijum arsenida (GaAs), indijum fosfida (InP) ili galijum nitrida (GaN). Čip je sastavljen od dva (ili više) sloja, uključujući područje smanjenja naboja (aktivno) na pn spoju, gdje se javlja laserski efekat.

Diode koje emituju ivice mogu da obezbede visoke nivoe optičke snage, u rasponu od milivata do deset vati ili više. Takođe pokazuju veću električnu efikasnost od tipične, u poređenju sa većinom drugih tipova lasera i laserskih dioda. Ovi laseri se koriste u većini oblasti: telekomunikacije, optičko skladištenje podataka, skeniranje bar kodova, lasersko štampanje, optičko detekciju, medicinska oprema i industrijski laserski sistemi.

Laseri sa diodnom diodom s vertikalnom šupljinom (VCSED).
VCSED uređaji se češće nazivaju laseri koji emituju površinu vertikalne šupljine (VCSEL). Ovo je klasa poluvodičkih laserskih dioda koja emituje lasersko svjetlo okomito na površinu čipa, kroz gornju površinu čipa. VCSEL su formirani od čipa pn spoja sa vertikalnom šupljinom, koja se sastoji od dva distribuirana Braggova reflektorska ogledala. Aktivno područje, gdje je svjetlost pokrenuta poništavanjem naboja, centrirana je između ovih ogledala. Ovaj tip lasera općenito popunjava aktivnu regiju kvantnim bunarima ili sličnim strukturama koje induciraju pojačanje. Svetlost se emituje okomito na površinu čipa kao kružni ili eliptični snop sa dobro definisanim i simetričnim profilom. Ovaj profil snopa dobro reaguje na kolimaciju, sa relativno malom divergencijom.

Ovi uređaji imaju nekoliko prednosti u odnosu na diodne lasere koji emituju rubove. Njihova struja praga je niska, što omogućava visoku električnu efikasnost pri niskim nivoima snage. Ovi uređaji sa kružnim profilom snopa dobro su prikladni za spajanje na optička vlakna. Glavna prednost VCSEL-a je to što se mogu proizvoditi u mjerilu wafer-a, što rezultira nižim troškovima proizvodnje i većom uniformnošću u odnosu na individualno konstruirane uređaje.

VCSED laseri su dostupni da emituju niz talasnih dužina, od srednje do blizu infracrvene, kao i vidljivu svetlost. Talasna dužina izlaza je rezultat odabira materijala, dizajna spoja i oblika rezonantne šupljine. Široko se koriste u: optičkim mrežama, optičkim interkonekcijama i sistemima za prijenos podataka velike brzine. Koriste se i u 3D sensingu za prepoznavanje lica i dubinu na mobilnim uređajima, te u općenitijim optičkim i sensing aplikacijama kao što su optički miševi, laserski štampači i 3D skeneri.

Laseri s distribuiranom povratnom spregom (DFB).
DFB (distributed feedback) laseri imaju sličnu strukturu kao i drugi poluvodički laseri. Međutim, uključivanje periodične rešetkaste strukture unutar aktivnog područja, ili vanjskog valovoda, jedinstveno je za ovu klasu. Distribuirana povratna rešetka sastoji se od periodične varijacije indeksa prelamanja valovodnog područja, što rezultira periodičnom modulacijom profila pojačanja. Ovo djeluje kao mehanizam povratne sprege, forsirajući optičku povratnu informaciju/pojačavanje na odabranoj talasnoj dužini dok potiskuje druge modove. To znači da ovi uređaji proizvode svjetlost na određenoj talasnoj dužini sa visokom spektralnom čistoćom i uskom linijom. Ovo je idealno za optičke komunikacije velike brzine podataka, senzore i razne spektroskopske i metrološke aplikacije visoke rezolucije.

DFB laseri takođe mogu biti dizajnirani za podešavanje talasne dužine unutar ograničenog opsega. Ovo je rezultat podešavanja temperature, trenutnog podešavanja ili eksternog mehanizma povratne sprege koji omogućava podešavanje indeksa prelamanja.

Kvantni kaskadni laseri (QCL)
Kvantni kaskadni laser (QCL) kao izvor lasera koristi kvantne kaskadne prelaze između nivoa energije unutar višestrukih poluvodičkih spojeva. QCL-ovi su konstruisani iz više kvantnih bunara, sa barijerama formiranim od poluprovodničkih slojeva različitih zazora. Kada se primeni struja prednapona, elektroni i rupe putuju kroz više kvantizovanih energetskih nivoa, efikasno generišući fotone pri svakom prelazu. Oni daju emisiju u srednjim infracrvenim i teraherc regijama elektromagnetnog spektra i mogu emitovati širok raspon talasnih dužina unutar ovih regiona. Većini srednje infracrvenih laserskih tehnologija potrebno je kriogeno hlađenje, dok QCL rade na sobnoj temperaturi, što ih čini idealnim za aplikacije kojima je potreban ovaj frekventni opseg. Pružanje visokog nivoa optičke snage čini ih pogodnim za aplikacije veće energije, isporučujući kontinuirani talas (CW) režim sa veoma stabilnim izlazom.

Relativno jednostavno podešavanje talasne dužine emisije postiže se podešavanjem debljine sloja i prednapona, što ih čini idealnim za aplikacije spektroskopske analize koje zahtevaju više talasnih dužina. Koriste se i za nadzor okoline, medicinske dijagnostičke sisteme, daljinsko ispitivanje i komunikaciju u slobodnom prostoru.

Diodni laseri s vanjskim šupljinama (ECDL)
ECDL-ovi su format uređaja koji koristi vanjsku šupljinu, obično vanjski reflektor ili rešetku, za pojačavanje laserskog izlaza i kontrolu njegovih karakteristika. ECDL-ovi omogućavaju povećanu prilagodljivost, usku širinu linije i preciznu kontrolu talasne dužine u poređenju sa drugim formatima diodnog lasera. Imaju sličnu strukturu kao i drugi diodni laseri, s pn spojem usmjerenim naprijed i aktivnim područjem u kojem se emituju fotoni. Vanjska šupljina se dodaje laseru kako bi se osigurala optička povratna sprega koja omogućava precizno podešavanje frekvencije emisije. Ova šupljina sadrži reflektor, rešetku ili drugu optičku strukturu koja odražava dio zraka natrag u šupljinu.

ECDL-ovi mogu olakšati uže širine linija, u poređenju sa drugim tipovima diodnih lasera. Vanjska šupljina potiskuje neželjene longitudinalne modove i optički šum, pružajući bolju koherentnost i uži snop širine linije. Ova klasa uređaja je idealna za aplikacije koje zahtijevaju visoku spektralnu čistoću za vrlo preciznu optičku kvantizaciju.

ECDL isporučuju značajno poboljšanu prilagodljivost talasne dužine, u poređenju sa većinom diodnih lasera. Talasna dužina lasera može se precizno podesiti suptilnim podešavanjem položaja ili upadnog ugla vanjskog reflektora ili rešetke. Ovo omogućava širok spektar zahtjevnih primjena u spektroskopiji, atomskoj i molekularnoj fizici i mjeriteljstvu. Prednost dobrog dizajna u vanjskoj rezonantnoj šupljini je to što podešavanje frekvencije emisije može biti bez mod-hop-a – to jest, glatka podešavanja se mogu izvršiti između željenih valnih dužina, bez asimptotičkih i ometajućih promjena koraka.

Konusni diodni laseri
Konusni diodni laseri (ili konusni pojačivači; konusni laseri) su klasa lasera sa konusnom šupljinom za pojačavanje. Ovi laseri postižu veliku izlaznu snagu, dobar kvalitet zraka i visoku električnu efikasnost. Ovo suženo područje je šire na ulaznom kraju i postepeno se sužava prema izlaznom kraju. Ovo sužavanje služi za povećanje širine snopa i smanjenje optičke gustine u području laserskog pojačanja.

Konusni dio za pojačanje omogućava povećanu površinu moda, omogućavajući veću ekstrakciju optičke snage. Takođe pomaže u poboljšanju kolimacije kvaliteta zraka u izlazu. Konus takođe povećava efikasnost korišćenja primenjene energije pumpe. Još jedna prednost tapera je povećanje spektra pojačanja, omogućavajući širi raspon talasnih dužina u izlazu. Ova mogućnost podešavanja je posebno vrijedna karakteristika klase. Ovi uređaji se široko koriste u obradi materijala, laserskom graviranju i laserskom pumpanju (za gasne i čvrste lasere velike snage). Njihova velika snaga i dobar kvalitet zraka čine ih pogodnim za zahtjevne primjene u kojima su preciznost, brzina i snaga bitni.

Superluminiscentni diodni (SLD) laseri
SLD (superluminiscentna dioda) laseri, također poznati kao izvori pojačane spontane emisije (ASE), su laserski tip koji spaja svojstva laserskih dioda i LED dioda. Oni proizvode svjetlo širokog spektra visokog intenziteta, što ih čini pogodnim za posebne primjene u slikovnim, optičkim senzorima i telekomunikacijama. SLD laseri stvaraju nekoherentnu svjetlost kroz pojačanu spontanu emisiju. Ovi uređaji proizvode širok propusni opseg svjetlosti, u rasponu od desetina do stotina nanometara, čineći SLD-ove prikladnim za aplikacije koje zahtijevaju širok spektar ili snimanje visoke rezolucije. SLD isporučuje vrlo svijetao izlaz, što je mjera optičke snage po jedinici čvrstog ugla i jediničnog opsega talasne dužine. Visoka svjetlina je rezultat pojačane spontane emisije i optičkog pojačanja. Njihov izlaz ima kratku dužinu koherentnosti u poređenju sa konvencionalnim laserima. Ovo je udaljenost na kojoj elektromagnetski valovi održavaju svoj fazni odnos. To ih čini pogodnim za aplikacije koje zahtijevaju smetnje niske koherencije ili slike s dubinom. SLD se koriste u optičkoj koherentnoj tomografiji (OCT), optičkom senzoru, spektroskopiji, biomedicinskom snimanju, optičkoj metrologiji i optičkom testiranju. Posebno su vrijedni u OCT sistemima za snimanje bioloških tkiva i materijala visoke rezolucije.

Laseri dvostruke heterostrukture
Laseri sa dvostrukom heterostrukturom (DH) su grana porodice laserskih dioda koja integriše heterostrukturu koja poboljšava performanse tehnologije. DH laseri imaju nižu graničnu struju, veću efikasnost i povećanu izlaznu snagu, u poređenju sa uobičajenom konstrukcijom homospojnice.

DH laseri su sastavljeni od dva pn spoja formirana u tri sloja. Zona iscrpljivanja (centralni sloj n-tipa) je spojena između dva sloja p-tipa sa širim razmakom pojasa. Ova konfiguracija stvara efikasno zatvaranje nosača i optički način rada bez curenja, povećavajući električnu efikasnost i ukupne performanse. Povećano ograničenje nosioca pomaže da se poveća gustina nosioca i rekombinacija, što dovodi do većeg dobitka i poboljšane operativne efikasnosti u većini aspekata. Sekundarna prednost je to što heterostruktura inducira optičko ograničenje, pojačavajući interakciju svetlost-materija. Struja nižeg praga je rezultat manjeg curenja nosioca naboja, omogućavajući laseru da dostigne prag za početak laserskog rada na nižim nivoima struje.

Ovi uređaji se široko koriste u telekomunikacijama, optičkim uređajima za podatke, laserskoj štampi i laserskim mjernim sistemima. Oni su posebno vrijedni u komunikacijama optičkim vlaknima na velike udaljenosti u kojima su korisni visoka efikasnost, niske granične struje i visok izlaz.

Diodni laseri kvantnog bunara
Diodni laseri za kvantne jame su porodica uređaja koji sadrže kvantno dobre strukture koje poboljšavaju optička/električna svojstva. Oni postižu nižu graničnu struju, veću energetsku efikasnost i poboljšanu kontrolu talasne dužine, u odnosu na osnovne uređaje. Ovi uređaji su konstruisani od slojevite strukture tankih poluprovodničkih pločica užeg pojasnog razmaka, zatvorenih u slojeve sa višim razmakom pojasa. Sloj kvantnog bunara stvara područje ograničenja i za nosioce i za generirane fotone, poboljšavajući optičko pojačanje. Ograničeni nosač postiže veću gustinu u oblasti kvantnih bunara, što olakšava poboljšanu upotrebu nosača za stimulisanu emisiju, što rezultira poboljšanom efikasnošću konverzije energije. Oni omogućavaju preciznu kontrolu nad generiranom talasnom dužinom, podešavanjem širine i sastava bunara. Ovo omogućava da se talasna dužina emisije precizno podesi prema zahtevnim specifikacijama.

Diodni laseri kvantnog bunara poznati su po izlaznoj širini uske linije. Potiskivanje konkurencije longitudinalnih modova i smanjeni optički šum rezultiraju boljom koherentnošću i užim spektralnim ponašanjem. Ovaj format uređaja posebno je koristan u telekomunikacijama, optičkom skladištenju podataka, laserskom štampanju i medicinskoj dijagnostici. Kompaktni i efikasni izvori zračenja za optičke komunikacije su kritični u optičkim vlaknima velikog propusnog opsega i velikih udaljenosti.

Jednostruki longitudinalni laser (SLM) laseri
Jednostruki longitudinalni mod (SLM) laseri emituju svetlost da bi proizveli jednu frekvenciju ili izlaz talasne dužine sa visokom koherentnošću i uskom širinom linije. SLM laseri primjenjuju različite tehnike kao što su elementi za odabir moda, metode stabilizacije frekvencije i optimizacija dizajna šupljine kako bi postigli ovaj single-mod output. Suzbijanje ometajućih longitudinalnih modova stvara visoko koherentan izlaz sa uskim spektrom frekvencija.

SLM laseri se koriste u različitim poljima kao što su telekomunikacije, optičko svjetlo, mjeriteljstvo, spektroskopija i interferometrija i kao istraživački alati, zbog svoje visoke koherentnosti, precizne kontrole valne dužine i uske širine linije.

Međupojasni kaskadni laseri
Međupojasni kaskadni laseri (ICL) rade na međupojasnoj tranziciji između različitih elektronskih opsega unutar aktivnog područja. Oni pružaju efikasan rad visokih performansi u srednjem infracrvenom spektru talasnih dužina. ICL-ovi imaju koristi od međupojasnih prelaza između energetskih opsega unutar svake pločice, iskorištavajući kaskadne prijelaze između više stupnjeva/kvantnih bunara za postizanje poboljšanog optičkog dobitka i laserske emisije. Konvencionalni diodni laseri se oslanjaju na ograničenije unutarpojasne prijelaze. Obično su dizajnirani da generišu zračenje u srednjim infracrvenim talasnim dužinama, između 3 do 12 mikrometara. Više stupnjeva kvantnih bunara električno je povezano u kaskadnoj konfiguraciji. Svaki stepen učestvuje u procesu pojačanja, što rezultira većim optičkim pojačanjem od uređaja sa jednim spojem.

ICL isporučuju posebno nisku struju praga za početak laserskog zračenja. Veća efikasnost transporta i korišćenja nosioca rezultira manjom potrošnjom energije. ICL se primenjuju na detekciju gasa, hemijsku analizu, praćenje životne sredine, kontrolu industrijskih procesa i optičke komunikacije u slobodnom prostoru. Srednje infracrveno zračenje je korisno za otkrivanje i mjerenje specifičnih zagađivača.

Laseri sa odvojenom zatvorenom heterostrukturom
Laseri sa odvojenom zatvorenom heterostrukturom (SCH) koriste dizajn heterostrukture za poboljšanje optičkih i električnih svojstava. Ovo donosi smanjene optičke gubitke, poboljšano ograničenje nosioca i poboljšane ukupne performanse u poređenju sa uobičajenim laserima sa homojunkcijom. SCH laseri uključuju nekoliko pločica sa različitim razmacima pojasa kako bi formirali složeniju heterostrukturu. Sloj iscrpljenosti je u sendviču sa širim razmakom pojasa. Ova složenost omogućava poboljšano ograničenje i nosilaca i optičkih modova.

Poboljšano zatvaranje i smanjeno optičko curenje su rezultat toga što slojevi omotača zarobljavaju i optičku aktivnost i aktivnost nosioca naboja unutar aktivnog područja. Smanjeno curenje nosioca posebno doprinosi poboljšanoj struji praga i električnoj efikasnosti. Zauzvrat, ovo poboljšava performanse, u poređenju sa laserima sa homojunkcijom, poboljšanjem temperaturne stabilnosti, veće propusnosti modulacije i temperaturno zavisnog drifta talasne dužine. SCH laseri su posebno korisni u aplikacijama koje zahtijevaju efikasnost i temperaturnu stabilnost. Pogodni su za opšte primene kao što su telekomunikacije, optičko skladištenje podataka, lasersko štampanje, optičko sensing i istraživanje zasnovano na laseru, ali su posebno prikladne za teža okruženja i optičke komunikacione sisteme.

Distribuirani bragg reflektor (DBR) laseri
Distributed Bragg reflektor (DBR) uređaji su uređaji koji uključuju distribuirani Bragg reflektor integriran u šupljinu za pojačavanje. Ovaj aspekt omogućava preciznu kontrolu emitovane frekvencije i usku filtraciju za dobru spektralnu čistoću i selekciju. Braggova rešetka se sastoji od naizmjeničnih slojeva materijala visokog i niskog indeksa prelamanja koji funkcionišu kao ogledalo selektivno na talasnu dužinu. Ova struktura reflektuje svetlost svih neselektovanih talasnih dužina dok dozvoljava željenom zračenju da se širi kroz šupljinu za pojačavanje. Ova struktura pruža preciznu selektivnost talasne dužine, a podešavanjem perioda rešetke ili parova indeksa prelamanja, emitovana talasna dužina se može podesiti u određenom opsegu. Ovo olakšava prilagođavanje i kompatibilnost sa nizom aplikacija, uključujući sisteme multipleksiranja po talasnim dužinama (WDM) i optičku koherentnu tomografiju (OCT).

DBR laseri pružaju usku širinu 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 moda (HSMSR), koji predstavljaju razliku u snazi ​​između željenog laserskog moda i susjednih modova, pružajući mjeru selektivnosti, spektralne čistoće i uske širine linije.

DBR laseri se koriste u telekomunikacijama, optičkim senzorima, spektroskopiji, metrologiji i optičkoj koherentnoj tomografiji. Koriste se kao precizni i stabilni izvori svetlosti u različitim sistemima koji zahtevaju specifične talasne dužine, uske širine linija i visoku spektralnu čistoću.

Laseri koji emituju površinu sa vertikalnom eksternom šupljinom
Laseri koji emituju površinu sa vertikalnom eksternom šupljinom (VECSEL) su specijalizovani tip laserskog uređaja koji kombinuje korisne karakteristike i lasera koji emituju površinu vertikalne šupljine (VCSEL) i diodnih lasera sa eksternom šupljinom (ECDL). Ovo rezultira jedinstvenim karakteristikama kao što su visoka izlazna snaga, mogućnost podešavanja talasne dužine i odličan kvalitet snopa.

VECSEL imaju lasersku šupljinu vertikalno orijentisanu, tako da se svetlost emituje okomito na površinu čipa. Ovaj vertikalni dizajn omogućava efikasno odvođenje toplote i preciznu kontrolu nad emitovanim snopom. Njihova vanjska konfiguracija šupljine je konstruirana od dodatnih reflektirajućih površina postavljenih izvan strukture čipa. Ovo omogućava kontrolu talasne dužine, oblikovanje snopa i skaliranje snage. VECSEL su sposobni za veću izlaznu snagu od VCSEL jer konfiguracija vanjske šupljine poboljšava disipaciju topline. Precizno podešavanje talasne dužine u širokom spektralnom opsegu postiže se promenom položaja spoljašnjih ogledala ili podešavanjem radne temperature uređaja. Kroz precizno dizajniranu upotrebu eksterne šupljine, VECSEL postižu visokokvalitetni izlaz niskog ugla divergencije i ujednačenog profila snopa.

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

Multi-longitudinalni mod (MLM) laseri
Multi-longitudinalni mod (MLM) laseri nude neobičnu mogućnost emitovanja na nekoliko, blisko raspoređenih, ali uskih frekvencijskih opsega, u relativno širokom spektru. Uzdužni modovi u MLM laserima su usko raspoređeni. Razmak ovisi o funkcionalnom dizajnu rezonantne šupljine kao što je njena dužina i indeks loma laserskog medija. Njihov širok spektar emisije je rezultat prisustva ovih višestrukih modova. Spektralna širina i distribucija modova proizilaze iz dizajna šupljina i spojeva, kao i iz radnih uslova.

MLM laseri se koriste u spektroskopiji, metrologiji, interferometriji i telekomunikacijama. Oni su posebno primjenjivi na optičku koherentnu tomografiju (OCT), u kojoj je moguće snimanje slike visoke rezolucije, kao rezultat interferencije više uzdužnih modova.

Primjena Diode Laser Machine

Kako održavati diodnu lasersku mašinu

Kako radi diodni laser

Diodni laseri rade tako što stimulišu emisiju fotona na spoju poluvodiča. Poluprovodnički materijal ima specifične energetske razmake koji pokreću stvaranje i pojačavanje koherentne svjetlosti. Dioda se sastoji od pn spoja. Područje n-tipa stvara višak negativno nabijenih nosača (elektrona), dok p-tip stvara višak pozitivno nabijenih nosača (rupa). Spoj formira područje iscrpljivanja između dva materijala. Kada se napon prednapona (+ve prema p i -ve prema n materijalu) primijeni preko spoja, struja teče. Ovo uzrokuje da se nosioci naboja kreću preko spoja. Elektroni iz n regiona i rupe iz p regiona se ubrizgavaju u oblast iscrpljivanja. Oni se susreću i neutrališu, oslobađajući foton za svako poništeno punjenje.

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