Diody laserowe to jedne z najbardziej zaawansowanych elementów elektronicznych. Ich zastosowanie obejmuje m.in. napędy optyczne, drukarki laserowe oraz precyzyjne pomiary bezkontaktowe przy niskich kosztach. Od pierwszych komercyjnych laserów z lat 60. XX wieku technologia ta rozwija się w szybkim tempie. Obecnie półprzewodnikowe źródła laserowe są powszechnie wykorzystywane w medycynie, telekomunikacji, nauce i przemyśle rozrywkowym. W tym artykule omówione zostaną kluczowe cechy diod laserowych oraz wskazówki dotyczące ich doboru.
Półprzewodnikowa dioda generująca światło laserowe w różnych zakresach fal to niewielki, energooszczędny i ekonomiczny element elektroniczny. Przekształca energię elektryczną bezpośrednio w promieniowanie. Przy napięciu rzędu kilku woltów, domieszkowany złącze p-n umożliwia rekombinację elektronu z dziurą. Przejście elektronu na niższy poziom energetyczny powoduje emisję fotonu.
Obszar wzmocnienia otoczony jest optycznym rezonatorem pełniącym funkcję falowodu. Emitowane fotony przemieszczają się wzdłuż jego struktury, wielokrotnie odbijając się od powierzchni końcowych. Przejście fali świetlnej przez wnękę powoduje wzmacnianie wiązki w wyniku emisji wymuszonej. Jednocześnie część światła ulega absorpcji lub zostaje utracona z powodu niepełnej refleksji na krawędziach. Gdy jednak zysk energetyczny przewyższa straty, dioda zaczyna emitować spójną wiązkę laserową. Wybór materiału półprzewodnikowego determinuje długość fali, która w nowoczesnych diodach laserowych obejmuje zakres od podczerwieni po ultrafiolet.
Diody laserowe są najczęściej produkowanym typem laserów o szerokim zakresie zastosowań. W telekomunikacji pełnią funkcję łatwo modulowanych i efektywnie sprzęganych źródeł światła w systemach komunikacji światłowodowej. Różne urządzenia pomiarowe, w tym dalmierze, często wykorzystują te komponenty ze względu na ich ekonomiczność. Powszechnie stosowane są również w czytnikach kodów kreskowych. Lasery emitujące światło widzialne, zazwyczaj w odcieniach czerwieni lub zieleni, wykorzystywane są w wskaźnikach laserowych.
W przemyśle poligraficznym stosuje się zarówno diody o niskiej, jak i wysokiej mocy. Wykorzystuje się je jako źródła światła w systemach skanowania obrazów oraz do produkcji płyt drukarskich, co umożliwia osiągnięcie dużej prędkości i wysokiej rozdzielczości. Infrarowne i czerwone diody laserowe są integralnym elementem technologii CD, CD-ROM oraz DVD. W systemach HD-DVD i Blu-ray dominują lasery o barwie fioletowej.
Diody laserowe znalazły również wiele zastosowań w laserowej spektrometrii absorpcyjnej do szybkiego i ekonomicznego oznaczania lub monitorowania stężenia różnych gatunków w fazie gazowej.
Diody laserowe o dużej mocy coraz częściej znajdują zastosowanie w aplikacjach przemysłowych, takich jak obróbka cieplna, cięcie i spawanie.
Większość zastosowań może być obsługiwana przez większe lasery na ciele stałym lub optyczne oscylatory parametryczne, ale niski koszt masowo produkowanych diod laserowych czyni je niezbędnymi do zastosowań na rynku detalicznym.
Wiele zastosowań wykorzystuje przede wszystkim właściwości kierunkowe wiązki optycznej. Kategoria ta obejmuje na przykład drukarki laserowe, czytniki kodów kreskowych, systemy skanowania obrazu, oświetlenie, optyczną rejestrację danych, zapłon spalin, chirurgię laserową i sortowanie przemysłowe. Niektóre z tych zastosowań mają już ugruntowaną pozycję, podczas gdy inne dopiero się pojawiają.
Ponieważ światło laserów jest z natury spójne, niektóre zastosowania wykorzystują tę cechę. Dominujące obszary to pomiar odległości, telekomunikacja, wykrywanie spektroskopowe, generowanie fal o wysokiej częstotliwości lub terahercowych, generowanie stanu zegara atomowego, kryptografia kluczy kwantowych, podwajanie i konwersja częstotliwości, oczyszczanie wody i terapia fotodynamiczna.
Warto mieć świadomość, że wiele diod laserowych jest oferowanych w wersji niewykończonej, czyli bez optycznej soczewki koncentrującej wiązkę. Dopiero zastosowanie kolimatora umożliwia skupienie promienia i utrzymanie jego precyzyjnej ogniskowej nawet na większych odległościach. Istotnym parametrem jest również wartość dywergencji, określająca stopień rozszerzania się wiązki – wskazuje, o ile milimetrów zwiększa się jej szerokość na każdy metr propagacji.
FAQ - często zadawane pytania
Czy istnieją specjalne elementy kontrolne i monitorujące dla diod laserowych?
Obwody takie są określane ogólnym terminem kontrolera diody laserowej. Zazwyczaj składają się one ze źródła stałego prądu połączonego z regulatorem temperatury TEC. Ich zadaniem jest zasilanie lasera półprzewodnikowego stałym, stabilnym prądem oraz regulacja temperatury lasera.
Oprócz niskoszumowego źródła prądu do polaryzacji lasera, kontrolery diod laserowych zawierają również bipolarne źródło prądu dla chłodnicy Peltiera, która reguluje temperaturę lasera.
Dlaczego istnieją również diody laserowe z trzema przewodami połączeniowymi?
Półprzewodniki laserowe z trzema złączami zawierają fotodiodę wewnątrz obudowy TO-18 oprócz diody laserowej. Jej zadaniem jest monitorowanie mocy lasera. Zaleta: Jeśli moc lasera wzrasta lub maleje, fotodioda sygnalizuje zmianę stanu do obwodu kontrolera, który następnie zwiększa lub zmniejsza na przykład napięcie robocze.