Diody laserowe_1.pdf

Klub Konstruktorów

Klub Konstruktorów jest przezna−

czony dla bardziej zaawansowanych

Czytelników, mających pewne do−

świadczenie w konstruowaniu i wyko−

nywaniu urządzeń elektronicznych.

Formuła Klubu jest następująca: po

zaprezentowaniu danego elementu na

łamach EdW, do końca miesiąca cze−

kamy na listy, w których przedstawi−

cie propozycje, jak chcielibyście wy−

korzystać dany podzespół. Osoba lub

osoby, które nadeślą najbardziej prze−

konujące listy, otrzymają dany ele−

ment bezpłatnie (i bez żadnych zobo−

wiązań względem redakcji). Nie sta−

wiamy szczegółowych wymagań −

Twoim zadaniem, Czytelniku, jest

przekonać nas, że dany element nale−

ży udostępnić do eksperymentów

właśnie Tobie! List powinien zawierać

schemat ideowy proponowanego roz−

wiązania układowego, planowany spo−

sób praktycznego zastosowania, ale

można też napisać coś o sobie

i swoich dotychczasowych osiągnię−

ciach. W przeciwieństwie do Szkoły

Konstruktorów, listy te nie będą publi−

kowane, ani oceniane. Osoba, która

otrzyma dany podzespół może, ale

wcale nie jest zobowiązana, napisać

potem do redakcji EdW i albo zapre−

zentować samodzielnie opracowane,

kompletne urządzenie, albo podzielić

się swymi uwagami na temat napo−

tkanych trudności, albo nawet opisać

okoliczności uszkodzenia elementu

(wiemy, że często zdarza się to pod−

czas eksperymentów). Najbardziej in−

teresujące listy zawierające plon ta−

kich praktycznych doświadczeń, zo−

staną opublikowane w EdW.

Redakcja będzie też prezentować

własne rozwiązania.

Dziś w Klubie Konstruktorów pre−

zentujemy diody laserowe.

Nasi Czytelnicy otrzymają wszyst−

kie informacje, niezbędne do podjęcia

praktycznych prób ich wykorzystania.

Dziesięć diod laserowych i trzy goto−

we moduły laserowe zostanie bezpłat−

nie rozdzielonych między tych Czytel−

ników, którzy do końca kwietnia przy−

ślą najbardziej przekonujące propozy−

cje ich wykorzystania. Na razie prosi−

my nie przysyłać zgłoszeń, ponieważ

dodatkowe wskazówki na ten temat

będą podane w następnym numerze

EdW.

Hallotrony KSY14 otrzymują do

prób i eksperymentów:

1. Krzysztof Forysiak z Łodzi

2. Piotr Perzak z Warszawy

Ponieważ temat ten wzbudził nie−

oczekiwanie duże zainteresowanie,

firma AVT zamierza w najbliższym

czasie wprowadzić te elementy do

swej oferty handlowej, i pozostali za−

interesowani będą mogli zaopatrzyć

się w hallotrony tą drogą.

Diody laserowe, część 1

Lasery

Od lat znane są różne rodzaje lase−

rów: gazowe (helowo−neonowe, argono−

we, kryptonowe), stałe (rubinowe, YAG,

neodymowe) i półprzewodnikowe. Obec−

nie coraz szerzej wykorzystywane są la−

sery półprzewodnikowe − właśnie ich do−

tyczy niniejszy materiał.

Choć wszystkie wymienione lasery

wyglądają odmiennie, podstawowa za−

sada pracy każdego z nich jest zawsze

taka sama. Jak świadczy nazwa LASER

(Light Amplification by Simulating Emis−

sion of Radiation), chodzi o element,

gdzie wzmacnianie światła zachodzi pod

wpływem wymuszonej emisji promienio−

wania − właśnie to wzmacnianie światła

jest kluczem do zrozumienia funkcjono−

wania lasera. Żeby zrozumieć działanie

laserów i uniknąć przykrych niespodzia−

nek przy ich wykorzystaniu, niezbędne

jest zapoznanie się z fizycznymi podsta−

wami ich budowy. Prześledzimy to na

przykładzie lasera półprzewodnikowego.

Podstawy fizyczne

W wielu mądrych książkach tłumaczy

się działanie półprzewodników przy uży−

ciu zaawansowanych pojęć fizycznych

i wzorów matematycznych. Zrozumienie

tego daje wiele satysfakcji, jednak nie

wszyscy Czytelnicy EdW lubią takie roz−

ważania. Dlatego posłużymy się starym,

niezbyt precyzyjnym modelem atomu.

W modelu tym atom to maleńkie jąd−

ro, otoczone przez chmurę elektro−

nów.

Musisz jeszcze wiedzieć, że światło,

jest pewną formą energii − światło może−

my traktować jako strumień pędzących

z prędkością światła cząstek − fotonów,

a jednocześnie światło jest falą elektro−

magnetyczną, taką jak fale radiowe, tyle

że o wiele większej częstotliwości. Mo−

że to jest trudne do zrozumienia, że

światło jest jednocześnie i cząstką i falą,

ale na razie nie potrafimy tego lepiej so−

bie wyobrazić i musimy używać takich

określeń.

Z wielką przyjemnością przedstawiam Czytelnikom EdW materiał dotyczący

diod laserowych. Był to jeden z tematów, o jaki najczęściej upominaliście się

w ankiecie. Temat jest superciekawy, ale także trudny, poza tym niewłaściwe ob−

chodzenie się z laserami może być niebezpieczne. Właśnie ze względu na niebez−

pieczeństwo utraty wzroku pozwalam sobie opisać pewne anegdotyczne zdarze−

nie:

Nie tak dawno redakcyjny kolega, Marek Mańkowski zapytał mnie, ile razy

można spojrzeć w wylot pracującego lasera. Wietrząc podstęp odpowiedziałem

natychmiast, że tylko raz. Nie miałem racji − Marek poprawił mnie: dwa razy − mo−

żesz spojrzeć raz jednym okiem, raz drugim...

Piotr Górecki

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

Klub Konstruktorów

Rys. 1. Zasada działania diody LED.

miliardowa metra), a nie w jednostkach

częstotliwości (hercach), choć wiadomo,

że światło to również po prostu fala elek−

tromagnetyczna. Długość fali i jej częs−

totliwość jest związana znaną zależnoś−

cią:

l = c / f

gdzie: l − długość fali, c − prędkość

światła, a f − częstotliwość, czyli jest to

z podanego wcześniej wzoru.

Oko ludzkie reaguje na promieniowa−

nie o długości fali od około 450 do około

650nm. Pokazuje to rysunek 3

rysunek 3.

Charakterystyki podane na rysunkach

2 i 3 będą za chwilę potrzebne.

Wiemy już z grubsza, że w diodzie

LED pod wpływem przepływającego prą−

du, elektrony z przedostatniej orbity

przeskakują do ostatniej orbity, a gdy sa−

moczynnie wracają z powrotem, każdy

z nich oddaje kwant światła o barwie za−

leżnej od odległości tych orbit.

Z diodami laserowymi jest podobnie.

Przy małych prądach dioda laserowa za−

chowuje się tak jak zwykła dioda LED.

Dopiero przy większych prądach daje

o sobie znać zjawisko laserowe.

Na rysunku 4

rysunek 3

Rys. 2. Charakterystyka widmowa diod LED.

rysunku 4 pokazano cztery mecha−

nizmy, które współdziałają w diodzie la−

serowej. Oprócz zjawisk znanych z ry−

sunku 1 (I i II), mamy tu dodatkowo ab−

sorpcję rezonansową (III) i emisję wy−

muszoną (IV). Elektrony mogą przeskaki−

wać na wyższą orbitę nie tylko pod wpły−

wem płynącego prądu, ale również pod

wpływem kwantów światła o odpowied−

niej energii − jest to zjawisko oznaczone

III (wykorzystuje się to zresztą w niektó−

rych laserach, gdzie takie naświetlanie

nazywa się pompowaniem).

Czwarte zjawisko ma kluczowe zna−

czenie dla działania lasera − emisja wy−

muszona następuje wtedy, gdy elektron

znajdujący się już na wyższej orbicie jest

“trafiony” fotonem (ale musi to być fo−

ton, czyli kwant światła o odpowiedniej

częstotliwości, powstały przy powrocie

elektronu na niższą orbitę). Następuje

wtedy wymuszona emisja promieniowa−

nia − obok fotonu wymuszającego poja−

Zanim przejdziemy do laserów, zacz−

nijmy analizę od działania diody świecą−

cej LED. Diody laserowe są szczególną

odmianą popularnych diod LED.

Wracamy do atomu. Elektrony krążą

tam po ściśle określonych orbitach. Jeśli

chcemy, aby elektron przeskoczył na wy−

ższą orbitę, musimy mu w jakiś sposób

dostarczyć energii (można powiedzieć,

że w diodach LED energia taka jest do−

starczana wskutek przepływu prądu).

Natomiast elektron znajdujący się na wy−

ższej orbicie chętnie “spada” na orbitę

niższą − tym razem oddaje on energię.

Oddawana energia ma postać fotonów,

czyli najmniejszych porcji (kwantów)

światła. Ilustruje to rysunek 1

e = h n

gdzie e − energia, h − stała Plancka, a n to

częstotliwość promieniowania.

Elektron “spadając z okleślonej wyso−

kości” traci określoną ilość energii, czyli

wysyła maleńką porcję światła o pewnej

częstotliwości, a więc pewnej barwie.

Znając odległości między ostatnimi

orbitami można z tego wzoru obliczyć

częstotliwość (a więc i barwę wysyłane−

go światła). Diody LED świecą więc

światłem o jednej barwie (światłem mo−

nochromatycznym), o kolorze zależnym

od odległości ostatnich orbit.

W rzeczywistości sprawa jest bardziej

skomplikowana, bowiem materiał pół−

przewodnikowy zawiera atomy różnych

pierwiastków, o różnej budowie i od−

miennym rozmieszczeniu orbit i elektro−

nów. Diody LED i laserowe wykonywa−

ne są najczęściej ze związków galu, gli−

nu, arsenu, indu i fosforu, stąd spotyka−

ne oznaczenia np. GaAlAs i InGaAsP.

O szczegóły związane z rozmieszcze−

niem orbit martwią się naukowcy i pro−

ducenci, użytkownika interesuje w su−

mie tylko efekt końcowy, czyli barwa

emitowanego światła.

W sumie w diodach LED nie wszyst−

kie wysyłane kwanty światła mają ideal−

nie taką samą częstotliwość czyli barwę,

dlatego w katalogach podaje się charak−

terystykę barwową światła. Na rysunku

rysunek 1. Elektrony

przenoszone są na wyższą orbitę wsku−

tek przepływu prądu elektrycznego. Ta−

kie wzbudzone elektrony “spadają” sa−

moczynnie na niższą orbitę wytwarzając

światło. Mówimy wtedy o spontanicznej

emisji światła.

Nie będziemy tu wchodzić w szczegó−

ły − trzeba tylko wiedzieć, że w takim

“skakaniu” po orbitach biorą udział tylko

elektrony ostatniej i przedostatniej wars−

twy (w podręcznikach mówi się o pas−

mie przewodnictwa i pasmie walencyj−

nym).

Ponieważ dla danego materiału odleg−

łość między ostatnimi orbitami jest ściś−

le określona, więc w danym elemencie

(diodzie LED wykonanej z tego materia−

łu), każdy elektron, spadając z ostatniej,

najwyższej orbity na przedostatnią, od−

daje zawsze taką samą ilość energii,

zwaną kwantem. Kto nie spał na lekcjach

fizyki, zna wzór:

rysunku

2 pokazano rozkład długości fali wysyła−

nych przez różne typy diod LED.

W katalogach promieniowanie wysy−

łane przez elementy optoelektroniczne

jest wyrażane w jednostkach długości

fali (ściślej w nanometrach, 1nm − jedna

rysunku

Rys. 3. Czułość oka ludzkiego.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rysunku 4

rysunek 1

Klub Konstruktorów

Rys. 4. Zjawiska wykorzystywane w diodzie laserowej.

emisji wymuszonej, po powstaniu odpo−

wiedniej liczby fotonów, wystąpi lawino−

we ich mnożenie i powstanie ogrom−

nych ilości światła. Na pierwszy rzut oka

wygląda to nawet na swego rodzaju per−

petuum mobile. Tak jednak nie jest. Na−

leży pamiętać, że przez cały czas część

fotonów wypada z gry wskutek absorp−

cji rezonansowej, strat związanych z od−

biciami od luster oraz z wypromieniowa−

niem światła na zewnątrz.

W każdym razie jeden kierunek jest

wyraźnie uprzywilejowany i ze wzros−

tem prądu coraz więcej kwantów światła

porusza się w osi lasera, między lustra−

mi. Tylko kwanty mające odpowiedni

kierunek ruchu (dokładnie wzdłuż osi la−

sera), częstotliwość i fazę są uprzywile−

jowane i biorą udział w dalszym wzmac−

nianiu. Pozostałe nie są wzmacniane

i ulegają wygaszeniu.

Można powiedzieć, że w laserze po−

wstaje swego rodzaju rezonans. W efek−

cie, w trakcie akcji laserowej, w obsza−

rze czynnym lasera ogromna większość

występujących kwantów energii porusza

się w osi lasera między lustrami i ma jed−

nakową częstotliwość i fazę. Część tego

promieniowania wychodzi przez lustra

na zewnątrz. Pokazano to na rysunku 5c.

W odróżnieniu od diody LED, promie−

niowanie emitowane laser jest spójne

(koherentne), to znaczy że poszczególne

kwanty promieniowania mają taką samą

fazę.

Inaczej jest w diodzie LED. Przy emis−

ji spontanicznej, każdy powstający foton

promieniowania biegnie w przypadko−

wym kierunku i ma przypadkową fazę.

Wprawdzie światło składa się z kwan−

tów promieniowania o zbliżonej częstot−

wia się drugi foton, a co najważniejsze,

powstałe promieniowanie ma dokładnie

taką samą częstotliwość i fazę, co pro−

mieniowanie wymuszające . Zjawisko IV

związane jest więc ze wzmocnieniem

światła.

W zasadzie w zwykłej diodzie LED też

występują wszystkie cztery zjawiska po−

kazane na rysunku 4, ale nie ma warun−

ków, by w znaczniejszej mierze wystąpi−

ła emisja wymuszona. A podstawą pracy

lasera jest właśnie emisja wymuszona.

Dlatego, aby zaistniało zjawisko lasero−

we − wzmacnianie światła pod wpływem

promieniowania wymuszającego, muszą

być spełnione pewne dodatkowe warun−

ki.

zonansowej, a liczbą przypadków emisji

wymuszonej zmienia się na korzyść tej

ostatniej.

Pewna, niewielka część powstają−

cych fotonów biegnie w kierunku osi la−

sera (czyli na rysunku 5 − poziomo).

Światło to natrafia na półprzepuszczane

lustra, i jego część zostaje odbita z po−

wrotem do wnętrza lasera. To odbite

światło powoduje dalszą wymuszoną

emisję. Tworzy się rezonator optyczny

(tzw. rezonator Fabry−Perota) Ilustruje to

rysunek 5b.

Dzięki obecności luster, jeden kieru−

nek jest wyraźnie uprzywilejowany. O ile

nawet promieniowanie biegnące w in−

nych kierunkach także powoduje wymu−

szoną emisję, to powstałe w ten sposób

światło nie może opuścić lasera. Tylko

promieniowanie biegnące wzdłuż osi ma

szanse opuścić laser, a część odbita

z powrotem, dzięki obecności luster, po−

woduje dalsze zwiększenie ilości foto−

nów biegnących wzdłuż osi.

Wydawałoby się, że dzięki zastoso−

waniu luster i występowaniu zjawiska

wzmacniania światła wskutek podczas

Rysunek 5 pokazuje uproszczony

przekrój diody laserowej − tym razem

jest to już przekrój stosunkowo dużego

elementu, który nie ma prawie nic

wspólnego z rysunkami 1 i 4, pokazują−

cymi obiekty nieporównanie mniejsze

(na poziomie atomowym). Nieodłączną

częścią składową lasera są dwa półprze−

puszczalne lustra, które część światła

przepuszczają, a część odbijają z powro−

tem.

Na rysunku 5a pokazano sytuację przy

małym prądzie pracy. Pod wpływem pły−

nącego prądu następuje przenoszenie

elektronów w atomach na wyższy po−

ziom, a następnie pojawia się promienio−

wanie w wyniku emisji spontanicznej.

Powstające kwanty promieniowania ma−

ją przypadkową fazę i biegną we wszyst−

kich możliwych kierunkach. Zjawiska ab−

sorpcji rezonansowej i emisji wymuszo−

nej wprawdzie występują, ale znoszą

się, ponieważ więcej elektronów znajdu−

je się na niższej orbicie. Absorpcja rezo−

nansowa występuje częściej niż emisja

wymuszona i w efekcie dioda laserowa

zachowuje się, jak zwykła dioda LED.

Przy zwiększaniu prądu coraz więcej

elektronów jest przenoszonych na górną

orbitę (por. rys 4). Dochodzi do sytuacji,

gdy na górnej orbicie jest więcej elektro−

nów, niż na niższej (nazywa się to inwer−

sją obsadzeń). Coraz więcej kwantów

światła powstaje wskutek emisji wymu−

szonej. Ze wzrostem prądu, proporcja

między liczbą przypadków absorpcji re−

Rys. 5. Zasada działania lasera.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

Rysunek 5

Klub Konstruktorów

Rys. 8. Widmo promieniowania diody laserowej

Rys. 6. Charakterystyka skuteczności

diody laserowej.

Parametry diody

laserowej

Można powiedzieć, że dioda pracuje

jako laser wtedy, gdy ilość światła wy−

tworzonego w procesie emisji wymu−

szonej jest większa od sumy wymienio−

nych wcześniej strat. Następuje to po

przekroczeniu pewnej granicznej wartoś−

ci prądu.

Na rysunku 6

Z rysunku 7 wynika jedynie, że dioda la−

serowa rzeczywiście jest rodzajem diody

LED.

Na rysunku 8

rysunku 8 pokazano charakterys−

tykę widma promieniowania pewnej dio−

dy laserowej (LT27MD firmy Sharp). Li−

nią przerywaną zaznaczono charakterys−

tykę diody LED, która miałaby taką samą

barwę świecenia. Jak widać ta dioda la−

serowa dostarcza promieniowania o nie−

mal jednakowej długości fali.

A teraz coś dla bardziej zaawansowa−

nych. Nie wszystkie diody laserowe pro−

mieniują światło o jednej częstotliwości

(długości). Na przykład dioda LT023 fir−

my Sharp ma charakterystykę widmo−

wą, jak pokazano na rysunku 9

rysunku 8

rysunku 6 pokazano charakterys−

tykę skuteczności diody laserowej. Do−

piero po przekroczeniu prądu graniczne−

go Ith (th − threshold) element pracuje ja−

ko dioda laserowa. Należy zauważyć, że

na rysunku 6 wielkością wyjściową jest

moc promieniowanego światła, a war−

tością wejściową − prąd zasilający. Po−

czątkujących należy ostrzec, że wykres

z rysunku 6 niesie zupełnie inne informa−

cje, niż charakterystyka napięciowo−prą−

dowa tej diody, pokazana na rysunku 7

rysunku 6

Rys. 7. Charakterystyka napięciowo−

prądowa diody laserowej.

rysunku 9. Warto

zauważyć, że ze wzrostem prądu po−

szczególne prążki zanikają, a pozostaje

jeden. Prążek ten przesuwa się też nieco

ze wzrostem prądu w kierunku większej

długości fali (mniejszej częstotliwości).

Zjawisko pojawiania się w widmie kilku

prążków i ich przesuwania jest związane

z geometrią diody laserowej i zmianami

temperatury. Zjawisko laserowe związa−

ne jest z interferencją fal świetlnych oraz

z powstaniem wewnątrz lasera fali stoją−

cej. Krótko mówiąc, w długości czynnej

materiału lasera musi zmieścić się całko−

wita ilość “połówek fali świetlnej”. Po−

kazano to w uproszczeniu na rysunku

rysunku 9

liwości (czyli jest to światło jednobarw−

ne, monochromatyczne), ale fazy drgań

poszczególnych kwantów są przypadko−

we. Taką wiązkę światła określamy mia−

nem światła monochromatycznego, ale

niespójnego (niekoherentrnego).

Natomiast zjawisko laserowe jest

właśnie tym szczególne, że kolejne

kwanty światła, powstające w warstwie

czynnej podczas emisji wymuszonej,

mają taką samą częstotliwość i fazę, jak

kwanty promieniowania wymuszające−

go. Całe promieniowanie wychodzące

z lasera ma tę samą fazę − jest spójne.

Dla przeciętnego użytkownika różnica

między światłem lasera, a światłem dio−

dy LED (spójne, niespójne) nie miałaby

znaczenia. W praktyce różnica między

tymi elementami polega na tym, że dzię−

ki lustrom i wzmacnianiu światła wsku−

tek emisji wymuszonej, laser przy takim

samym prądzie pracy daje dużo więcej

światła niż dioda LED, a ponadto światło

to można w prosty sposób skupić w bar−

dzo wąską wiązkę o dalekim zasięgu.

Trzeba też podkreślić rolę półprze−

puszczalnych luster. Bez nich nie nastą−

piłoby zjawisko laserowe.

Jeśli dotyczczasowy opis nie jest dla

kogoś do końca zrozumiały, nie stanowi

to przeszkody w zrozumieniu dalszego

materiału. Wystarczy wiedzieć, że działa−

nie lasera, zgodnie z jego nazwą opiera

się na wzmacnianiu światła pod wpły−

wem wymuszonej emisji promieniowa−

nia i że ważną rolę odgrywają przy tym

półprzepuszczalne lustra.

rysunku 7.

rysunku

110. Fale o innej długości nawet jeśli po−

wstaną, ulegną wytłumieniu. W rzeczy−

wistości długość złącza przeciętnej diody

laserowej wynosi około 0,2...0,3mm, na−

tomiast długość fali wytwarzanego

światła − od 700...1500nm. To znaczy, że

w długości rezonatora zmieści się ty−

siące “połówek fali światła”. W rzeczy−

wistym rezonatorze mogą powstać prąż−

ki o długościach fali światła różniących

się o około 0,35nm, co tłumaczy istnie−

nie wielu prążków na rysunku 9. Nato−

miast przesuwanie się prążków ze

wzrostem wytwarzanej mocy optycznej

Rys. 9. Charakterystyka widmowa

diody LT023.

Rys. 10. Wyjaśnienie powstawania

prążków charakterystyki widmowej.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rysunku 9

rysunku 7

110

Klub Konstruktorów

Rys. 11. Rozsyłanie światła przez

diodę laserową.

wiązki nie jest koło, tylko elipsa. Kąt roz−

syłu światła w osi równoległej do wars−

twy czynnej lasera wynosi około

10 o , a w osi prostopadłej − nawet 30 o .

Żeby z takiej stożkowej wiązki otrzy−

mać “równoległą” wiązkę o małej roz−

bieżności, koniecznie trzeba zastosować

układ optyczny − w najprostszym przy−

padku pojedynczą soczewkę skupiającą.

Ta informacja może być dla wielu Czy−

telników dużym zaskoczeniem. Nie ma

na to rady − laser półprzewodnikowy za−

wsze współpracuje z układem optycz−

nym.

Przyczyna takiego szerokiego kąta

promieniowania tkwi w małych wymia−

rach warstwy czynnej lasera. Na rysunku

wynika po prostu ze zmiany (wzrostu)

temperatury i związanych z tym zmian

odległości orbit.

Dla bardziej zaawansowanych należa−

łoby podać jeszcze, że laser o charakte−

rystyce spektralnej jak na rysunku 8 na−

zywamy jednomodowym, a o charakte−

rystyce zawierającej wiele prążków (jak

na rysunku 9a) − wielomodowym. Tu do−

ciekliwy Czytelnik może samodzielnie

zastanowić się, jak wygląda sprawa spój−

ności promieniowania wytwarzanego

przez laser wielomodowy.

Wracamy do spraw najważniejszych.

Od dawna lasery rubinowe i gazowe

znane są z wytwarzania spójnej, i mało

rozbieżnej (praktycznie równoległej)

wiązki światła. Dotychczasowe rozważa−

nia i rysunki mogłyby wskazywać, że do−

kładnie tak samo jest w laserze półprze−

wodnikowym. Jest jednak zupełnie ina−

czej!

W profesjonalnych opracowaniach

mówi się jeszcze o modach przestrzen−

nych, czyli kwestii przestrzennego rozsy−

łu światła przez laser półprzewodnikowy.

My omówimy ten temat w pewnym

uproszczeniu. Rysunek 11

rysunku

12 pokazano typowe wymiary diody la−

serowej. Grubość warstwy czynnej wy−

nosi tylko około 0,05...0,5µm (50...

500nm) czyli mniej niż długość fali wy−

twarzanego promieniowania.

Właśnie to jest przyczyną szerokiego

kąta promieniowania w osi prostopadłej

do płaszczyny warstwy czynnej (choć na

pierwszy rzut oka może się wydawać, że

powinno być odwrotnie). Z rysunku 12

wynika, że szerokość warstwy czynnej

jest rzędu kilku...kilkunastu mikromet−

rów. W związku z większą szerokością,

kąt rozsyłu wiązki w osi poziomej jest

mniejszy, ale i tak wynosi kilka...kilka−

naście stopni.

Dopiero wiązka skupiona przez so−

czewkę lub obiektyw ma bardzo niewiel−

ką rozbieżność. Rozbieżność wiązki pro−

mieniowania jest istotnym parametrem

gotowych urządzeń laserowych − wyra−

żana jest nie w stopniach kątowych, tyl−

ko w mierze łukowej, w miliradianach −

i wynosi w popularnych urządzeniach

0,3...1mrad. Teoretyczne światło lasera

można tak skupić, że na powierzchni

księżyca plamka świetlna miałaby śred−

nicę 20cm.

Na fotografii 1

Fot. 1.

Rysunek 11 wskazuje, że

laser półprzewodnikowy wypromienio−

wuje dwie wiązki światła, przednią i tyl−

ną, i że powstałe wiązki są rozbieżne.

Tak jest w istocie. “Goła” dioda lasero−

wa wcale nie wytwarza wąskiej, równo−

ległej wiązki światła, charakterystycznej

dla innych laserów. Wytwarza wiązkę

podobną do stożka, z tym, że przekrojem

Rysunek 11

prądu. We współczesnych diodach lase−

rowych, aby uzyskać potrzebną inwersję

obsadzeń (i akcję laserową), gęstość

prądu w warstwie czynnej musi wynosić

nie mniej niż 10...30A na mm 2 przekroju

podłużnego.

Przy wymiarach podanych na rysunku

12, akcję laserową uzyskuje się przy prą−

dzie rzędu 30...40mA. Właśnie to jest

graniczna wartość prądu, oznaczona na

rysunku 6 jako Ith. Jeśli wymiary diody

byłyby większe, akcja laserowa wystę−

powałaby przy większym prądzie, a w la−

serach małej mocy zależy nam, by pobór

prądu i nieuniknione moce strat były jak

najmniejsze. To wyjaśnia, dlaczego war−

stwy czynne o dużej szerokości spotyka

się tylko w laserach większej mocy (po−

wyżej kilkudziesięciu miliwatów), i dla−

czego nie stosuje się większej grubości

warstwy czynnej.

Tak małe wymiary i zastosowane ma−

teriały wskazują, że dioda laserowa jest

elementem bardzo szybkim. Rzeczywiś−

cie, laser półprzewodnikowy można za−

świecać i gasić z niewyobrażalną częs−

totliwością miliardów razy na sekundę

(częstotliwość impulsów sterujących

rzędu dziesiątek i setek gigaherców).

Wykorzystuje się to w najszybszych sys−

temach światłowodowych. Ale z małymi

wymiarami i dużą szybkością wiążą się

istotne wady i niebezpieczeństwa.

Z rysunku 7 widać, że dioda laserowa

pracuje przy napięciu około 2V. Przy prą−

fotografii 1 pokazano samą diodę

laserową, z rodzaju stosowanego w od−

twarzaczach kompaktowych, a na foto−

fotografii 1

foto−

grafii 2 diodę w obudowie zawierającej

soczewkę skupiającą.

Inne właściwości

diody laserowej

Rysunek 12 pomoże nam wyciągnąć

kolejne bardzo ważne wnioski.

Jak już wiemy, do powstania akcji la−

serowej konieczne jest między innymi

zaistnienie tak zwanej inwersji obsadzeń

− na najwyższych orbitach atomów po−

winno być stale więcej elektronów, niż

na orbicie niższej. Ponieważ elektrony

chętnie “spadają” na niższą orbitę, ko−

nieczne jest stałe dostarczanie energii,

by na bieżąco przenosić je na orbitę wy−

ższą. Wiemy, że dzieje się to głównie

pod wpływem płynącego przez diodę

Rys. 12. Orientacyjne

wymiary elementu

czynnego diody laserowej.

Fot. 2.

E LEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97

rysunku

fotografii 1

grafii 2

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: