Het natuurlijke witte licht bestaat uit alle VIBGYOR-kleuren van het zichtbare lichtspectrum, dat een brede brede band is met veel verschillende frequenties. De gewone leds geven een lichtopbrengst die vaak uit één kleur bestaat, maar zelfs dat licht bevat elektromagnetische golven die een vrij brede frequentieband beslaan. Het lenssysteem dat het licht focust, heeft een vaste brandpuntsafstand, maar de brandpuntsafstand die nodig is om verschillende golflengten (kleuren) licht te focussen, is anders. Daarom zal elke kleur op verschillende punten scherpstellen, wat ‘chromatische aberratie’ veroorzaakt. De laserdiode licht bevat slechts een enkele frequentie. Daarom kan het worden scherpgesteld door zelfs een eenvoudig lenssysteem tot een extreem klein punt. Er is geen chromatische aberratie aangezien er maar één golflengte bestaat, ook wordt alle energie van de lichtbron geconcentreerd in een zeer kleine lichtvlek. LASER is een afkorting voor Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.
Chromatische aberratie
Laserdiode constructie
De bovenstaande afbeelding toont een vereenvoudigde constructie van een laserdiode, die vergelijkbaar is met een lichtgevende diode (LED) Het gebruikt galliumarsenide gedoteerd met elementen zoals selenium, aluminium of silicium om P-type en N-type te produceren halfgeleidermaterialen Hoewel een laserdiode een extra actieve laag van niet-gedoteerd (intrinsiek) galliumarsenide heeft met een dikte van slechts enkele nanometers, ingeklemd tussen de P- en N-lagen, waardoor effectief een PIN-diode (type P-intrinsiek-N) Het is in deze laag dat het laserlicht wordt geproduceerd.
Laserdiode constructie
Hoe laserdiode werken?
Elk atoom kan volgens de kwantumtheorie alleen energieën binnen een bepaald discreet energieniveau. Normaal gesproken bevinden de atomen zich in de laagste energietoestand of grondtoestand. Wanneer een energiebron aan de atomen in de grondtoestand wordt gegeven, kan deze opgewonden worden om naar een van de hogere niveaus te gaan. Dit proces wordt absorptie genoemd. Na een zeer korte tijd op dat niveau te zijn gebleven, keert het atoom terug naar zijn oorspronkelijke grondtoestand, waarbij het een foton uitzendt. Dit proces wordt spontane emissie genoemd. Deze twee processen, absorptie en spontane emissie, vinden plaats in een conventionele lichtbron.
Principe van laseractie
In het geval dat het atoom, dat zich nog in een aangeslagen toestand bevindt, wordt geraakt door een extern foton dat precies de energie heeft die nodig is voor spontane emissie, wordt het externe foton verhoogd door het foton dat wordt opgegeven door het geëxciteerde atoom. Bovendien worden beide fotonen vrijgegeven uit het dezelfde aangeslagen toestand in dezelfde fase. Dit proces, gestimuleerde emissie genoemd, is fundamenteel voor laseractie (weergegeven in bovenstaande afbeelding). Bij dit proces is de sleutel het foton met exact dezelfde golflengte als die van het uit te zenden licht.
Amplificatie en populatie-inversie
Als er gunstige omstandigheden worden gecreëerd voor de gestimuleerde emissie, worden steeds meer atomen gedwongen fotonen uit te zenden, waardoor een kettingreactie op gang komt en een enorme hoeveelheid energie vrijkomt. Dit resulteert in een snelle opbouw van energie door het uitzenden van een bepaalde golflengte (monochromatisch licht), die coherent in een bepaalde, vaste richting beweegt. Dit proces wordt versterking door gestimuleerde emissie genoemd.
Het aantal atomen op een bepaald niveau op een bepaald moment wordt de populatie van dat niveau genoemd. Normaal gesproken, wanneer het materiaal niet extern wordt geëxciteerd, is de populatie van het lagere niveau of de grondtoestand groter dan die van het bovenste niveau. Wanneer de bevolking van het bovenste niveau groter is dan die van het onderste niveau, wat een omkering is van de normale bezetting, wordt het proces populatie-inversie genoemd. Deze situatie is essentieel voor een laseractie. Voor elke gestimuleerde emissie.
Het is noodzakelijk dat het bovenste energieniveau of de behaalde stabiele toestand een lange levensduur heeft, d.w.z. de atomen zouden langer moeten pauzeren bij de behaalde stabiele toestand dan op het lagere niveau. Dus voor laserwerking moet het pompmechanisme (opwindend met externe bron) van een zodanig zijn, om een hogere populatie atomen in het bovenste energieniveau te behouden ten opzichte van dat in het lagere niveau.
Het is noodzakelijk dat het bovenste energieniveau of de behaalde stabiele toestand een lange levensduur heeft, d.w.z. de atomen zouden langer moeten pauzeren bij de behaalde stabiele toestand dan op het lagere niveau. Dus voor laserwerking moet het pompmechanisme (opwindend met externe bron) van een zodanig zijn, om een hogere populatie atomen in het bovenste energieniveau te behouden ten opzichte van dat in het lagere niveau.
Besturen van de laserdiode
De laserdiode werkt met een veel hogere stroom, typisch ongeveer 10 keer groter dan een normale LED. De onderstaande figuur vergelijkt een grafiek van de lichtopbrengst van een normale LED en die van een laserdiode. In een LED neemt de lichtopbrengst gestaag toe naarmate de diodestroom toeneemt. In een laserdiode wordt laserlicht echter pas geproduceerd als het huidige niveau het drempelniveau bereikt wanneer gestimuleerde emissie begint op te treden. De drempelstroom is normaal gesproken meer dan 80% van de maximale stroom die het apparaat zal passeren voordat het wordt vernietigd! Om deze reden moet de stroom door de laserdiode zorgvuldig worden geregeld.
Vergelijking tussen een LED
Een ander probleem is dat de emissie van fotonen erg temperatuurafhankelijk is, de diode wordt al dicht tegen zijn limiet bediend en dus heet wordt, waardoor de hoeveelheid uitgezonden licht (fotonen) en de diodestroom veranderen. Tegen de tijd dat de laserdiode efficiënt werkt, staat hij op de rand van een ramp! Als de stroom afneemt en onder de drempelstroom daalt, stopt de gestimuleerde emissie net iets te veel stroom en gaat de diode kapot.
Omdat de actieve laag is gevuld met oscillerende fotonen, ontsnapt een deel (meestal ongeveer 60%) van het licht in een smalle, platte straal vanaf de rand van de diodechip. Zoals onderstaande figuur laat zien, ontsnapt er ook wat restlicht aan de tegenoverliggende rand en is dat ook gewend activeer een fotodiode , die het licht weer omzet in de elektrische stroom. Deze stroom wordt gebruikt als terugkoppeling naar het automatische diodestuurcircuit, om de activiteit in de laserdiode te meten en er zo voor te zorgen door de stroom door de laserdiode te regelen, dat de stroom en de lichtopbrengst op een constant en veilig niveau blijven.
Besturen van de laserdiode
Toepassingen van laserdiode
Laserdiodemodules zijn ideaal voor toepassingen zoals biowetenschappen, industriële of wetenschappelijke instrumenten. Laserdiodemodules zijn verkrijgbaar in een breed scala aan golflengten, uitgangsvermogen of straalvormen.
Lasers met laag vermogen worden gebruikt in een toenemend aantal bekende toepassingen, waaronder cd- en dvd-spelers en recorders, streepjescodelezers, beveiligingssystemen, optische communicatie en chirurgische instrumenten
Industriële toepassingen: Graveren, snijden, krassen, boren, lassen etc.
Medische toepassingen verwijderen ongewenste weefsels, diagnostiek van kankercellen met behulp van fluorescentie, tandheelkundige medicatie. Over het algemeen zijn de resultaten met lasers beter dan de resultaten met een chirurgisch mes.
Laserdiodes gebruikt voor telecom: Op het gebied van telecom hebben laserdiodes van 1,3 μm en 1,55 μm die worden gebruikt als de belangrijkste lichtbron voor silicavezellasers een minder transmissieverlies in de band. De laserdiode met de verschillende band wordt gebruikt als pompbron voor optische versterking of voor de optische verbinding op korte afstand.
Dit gaat dus allemaal over Laserdiode constructie en het gebruik ervan. Als je geïnteresseerd bent in het bouwen van op LED gebaseerde projecten alleen, dan kunt u ons benaderen door uw vragen of innovatieve gedachten te posten in de opmerkingen hieronder. Hier is een vraag voor u, Wat is de functie van een laserdiode?
