Лазерные диоды LD
Природа испускаемого излучения зависит от того, как происходит генерация и испускание фотонов из pn-перехода. В случае светодиодов это некогерентное излучение, содержащее волны разной частоты и, следовательно, разного цвета. Лазерные диоды излучают когерентное и монохроматическое излучение, распространяющееся слегка расходящимися пучками, что влияет на возможности и области применения обоих типов диодов.
Что касается лазерных LED, они открывают возможности для производства синих диодов. Голубые лазерные диоды из нитрида галлия GaN могут излучать свет в диапазоне от ультрафиолета до голубого (370–500 нм), в зависимости от химического состава активного слоя в полупроводниковой структуре. Пороговые напряжения при которых возникает лазерный эффект, составляют от 3,8 до 5,5 В, а пороговая плотность тока находится в диапазоне 2–5 кА / см2.
Как и в случае с обычными светодиодами, белый свет в лазерных диодах (LD) чаще всего получается с использованием синего диода и люминофора. Но эти диоды предоставляют дополнительные возможности благодаря тому, что люминофор может быть установлен не только рядом с диодным кристаллом в том же корпусе, но и на некотором расстоянии от него (системы LARP — Laser Activated Remote Phosphors).
Кроме того, люминофор можно наносить на подложку, которая пропускает или отражает луч. Используя эти возможности и соответствующие оптические системы для направления и фокусирования луча, можно получить множество цветовых и геометрических вариантов освещения.
Как подключить
Особенностью лазерного диода является высокая потребность в стабилизированном напряжении питания. В момент перехода на кристалле наблюдается кратковременное увеличение мощности из-за малой площади, увеличивающей концентрацию энергии в данной точке. Это делает необходимым использование специального стабилизатора — драйвера.
Кроме того, напрямую к драйверу элемент тоже нельзя подключать — необходимо использовать токоизмерительный резистор, который включается в разрыв между лазером и драйвером. При этом исчезает электрическое соединение минуса питания с общим минусом схемы. Дополнительным недостатком является неизбежная потеря мощности на резисторе.
Источником тока для лазера могут служить разные устройства:
- батарейка;
- аккумулятор;
- сетевое напряжение 220 В через специальный блок питания.
Два первых варианта способны обеспечить достаточно стабильное напряжение питания, но оно постоянно уменьшается, что также недопустимо. Если используется блок питания стандартного типа, ситуация несколько улучшается, хотя в этом случае нужна качественная защита от пробоя или выхода блока из строя.
При таком подключении используют дополнительные схемы защиты и стабилизаторы, устраняющие всплески и помехи от сетевых скачков. Использование обычного диодного мостика в данном случае не подходит, так как через стандартные выпрямители проходит масса паразитных колебаний и помех.
Драйвер для лазерного диода
Существует две основные конструкции драйверов для лазерного диода:
- импульсный. Это одна из разновидностей импульсного преобразователя напряжения. Способен работать как на понижение, так и на повышение выходного напряжения относительно входного значения. Мощность на входе приближается к показателям на выходе, разница между ними образована некоторыми потерями на нагрев проводников;
- линейный. Как правило, он получает от схемы большее напряжение, чем номинал полупроводника. Разницу обычно компенсируют с помощью транзистора, который излишки энергии отдает в виде тепла. КПД линейных драйверов невысок, что является причиной ограниченного применения.
Важно! Для каждого вида драйверов используется и собственная схема подключения, учитывающая специфику самого драйвера, источника питания и токоограничивающего резистора.
Суперлюминесцентные диоды
В суперлюминесцентном диоде (SLD или SLED — суперлюминесцентный светодиод) для излучения света используется явление суперлюминесценции. Как и лазерный диод, он имеет относительно высокую мощность и яркость, и в то же время — как обычный светодиод — низкую когерентность излучаемого света. В диодной структуре, которая аналогична структуре используемой в диоде LED, для усиления светового луча делается оптическое волокно, но без отражающих зеркал. Примеры применений: оптическая когерентная томография, сканирующая интерферометрия, оптические датчики, волоконно-оптические гироскопы и волоконно-оптическая связь.
Разновидности
Вариантов конструкции лазерных диодов довольно много. Они отличаются друг от друга расположением p-n переходов, конфигурацией полупроводникового элемента и прочими особенностями. Существуют следующие виды:
- диод с p-n гомоструктурой. Одна из первых конструкций, которая сегодня практически не встречается. Нуждается в подаче высокой начальной мощности и прерывании входного сигнала для исключения перегрева;
- с двойной гетероструктурой. Представляют собой кристалл малой толщины, заключенный между двух дополнительных слоев, усиливающих поток фотонов и расширяющих активную область;
- с квантовыми ямами. Они образованы благодаря уменьшению среднего слоя элементов с двойной гетероструктурой. Возникают квантовые ямы с разными энергетическими уровнями, которые играют роль барьера при p-n переходе, способного к выделению фотонов;
- гетероструктурные элементы с раздельным удержанием. Большинство лазерных диодов изготовлены по этой технологии. Ее особенностью является нанесение дополнительных слоев на тонкий центральный кристалл, результатом чего становится эффективное формирование и концентрация светового пучка;
- с распределением обратной связи. В области p-n перехода делается специальная насечка, обеспечивающая создание дифракционной решетки. Это позволяет стабилизировать длину волны, способствуя получению более устойчивого светового луча. Используются в сфере телекоммуникаций, а также в оптических устройствах разного типа;
- VCSEL. Это лазер, относящийся к элементам поверхностного излучения. Оснащен вертикальным резонатором, благодаря которому направление луча изменяется — если у остальных видов кристаллов свет движется параллельно граням, то в данной конструкции он излучается в перпендикулярном направлении. Существует еще одна модификация такого элемента — VECSEL. Он обладает практически аналогичной конфигурацией, только с внешним резонатором.
Лазерные диоды для накачки твердотельных лазеров DPSSL
Также стоит обратить внимание на использование лазерных диодов в устройствах для получения зеленого, желтого и синего лазерного излучения. Популярным продуктом в этой группе выступают индикаторы, устройства измерения и нивелирования расстояний, оптические прицелы, а также источники информации и предупреждающего света.
Кроме того, с их помощью выполняются прецизионные операции в промышленности, типа сверления и обрезки печатных и гибких печатных плат, обрезки резисторов и резки плат ITO, до операций, инспекций и графических работ, а также точной маркировки продуктов и их микрообработки, включая такие материалы, как стекло, кремний, керамика и металлы. Такие лазеры также можно использовать в медицинской и косметической хирургии.
В качестве исходного компонента устройств DPSSL используется полупроводниковый GaAlAs-лазерный диод мощностью несколько сотен мВт, излучающий инфракрасную волну с длиной 808 нм. Это излучение питает (накачивает) лазерный диод — лазер Nd: YAG, сформированный на основе кристалла иттрий-алюминиевого граната, легированного ионами неодима (или на основе ортованадата иттрия, также легированного неодимом Nd: YVO4, что обеспечивает большее усиление и компактность конструкции). Этот лазер излучает в ближней инфракрасной области с длиной волны 1064 нм.
Следующим шагом будет удвоение частоты (выделение 2-й гармоники) излучаемой волны, уменьшив ее длину до 532 нм, что соответствует зеленому цвету. Это достигается за счет использования нелинейных свойств кристалла, известного под кратким названием KTP. Это титанилфосфат калия KO5PTi (или KTiOPO4). С использованием других материалов, таких как трибрат лития LBO или бетаборат бария BBO, также возможно утроить или даже учетверить частоту излучения. В случае необходимости в желтом свете желаемый эффект достигается путем управления длинами волн, излучаемых с использованием кристаллов из описываемых групп материалов. Но в устройствах DPSSL излучающих синий свет, есть и другие материалы, такие как соединения бария и бора.
Конечно использование двойного преобразования излучаемых длин волн снижает энергоэффективность, но положительным моментом будет возможность дешево получить сильные сфокусированные пучки излучения выбранных цветов. Особенно высокие уровни мощности (порядка кВт) могут быть достигнуты при импульсном режиме работы лазеров DPSSL.
Рубрика: Применения
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды для промышленных и коммерческих применений
Авторы: Winfried Reeb, Laser Components GmbH
Использование импульсных лазерных диодов и лавинных фотодиодов позволяет быстро, точно и бесконтактно измерить расстояние в различных оптоэлектронных применениях. В зависимости от требований к производительности и сроку службы системы в качестве излучателя могут использоваться как одноэлементные, так и многоэлементные импульсные лазерные диоды (стеки), в то время как в качестве фотоприемника применяются лавинные фотодиоды разной внутренней структуры.
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды берут свое начало в военных применениях. Благодаря пиковой мощности импульсных лазерных диодов более 200 Вт и высокой чувствительности лавинных фотодиодов они идеально подходят для дальнометрии основанной на «времяпролетном» методе. Развитие технологии и уменьшение себестоимости открыли для данных устройств новые области промышленных, коммерческих и автомобильных применений.
Импульсные лазерные диоды
Большинство лазерных диодов предназначены для работы в режиме непрерывного излучения с мощностью от нескольких мВт до нескольких Вт. Такие лазерные диоды нельзя перегружать, т.к. если напряжение питания будет превышено даже на короткое время, резонатор лазера может выйти из строя, и как следствие излучение прекратится.
Импульсные лазерные диоды, в свою очередь, предназначены для перегрузки по питанию на короткие промежутки времени. Для достижения максимальной пиковой мощности необходимой для конкретного применения, коэффициент заполнения может принимать очень маленькие значения, обычно он составляет 0,1%. Например, после импульса длительностью 100 нс идет пауза 100 мс, это означает, что очень короткие импульсы могут идти с частотой следования на уровне кГц. Максимальная длительность импульса находится на уровне нескольких сотен нс. Для получения таких импульсов лазерные токи могут достигать уровня нескольких десятков ампер, что требует применения быстро переключающихся транзисторов и подходящей схемы с минимально допустимыми электрическими соединениями для снижения индукционных потерь.
Рис.1. Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды фирмы Laser Components в различных вариантах корпусов.
Важным критерием для выбора лазерных диодов является длина волны излучения. В первую очередь она зависит от материала активного и пассивного слоя полупроводника. Для большинства коммерческих применений доступны следующие длины волн излучения — 850-870 нм, 905 нм, 1550 нм. Структура AlGaAs лазеров на 905 нм широко известна за свою надежность, качество пучка и температурную стабильность. Высокая эффективность (порядка 1 Вт/А) позволяет получить пиковую мощность до 40 Вт с одного эмиттера и до 220 Вт с многоэлементного (несколько эмиттеров — стэковый) лазерного диода при длительности импульса 100 нс. При меньше длительности импульса достижима пиковая мощность более 500 Вт. Преимуществом длины волны излучения 905 нм является то, что максимум спектральной чувствительности кремниевых лавинных фотодиодов как раз лежит в этой области. Лазерные диоды с длиной волны, лежащей в средней ИК области — 1550 нм, доступны с более высокой выходной мощностью по сравнению с диодами на 905 нм, тем не менее они также безопасны для человеческого глаза ввиду того, что излучение не фокусируется непосредственно на сетчатку.
Лазерные диоды на 1550 нм основаны на материале InP с дополнительными слоями InGaAs, которые можно получить как путем молекулярно-лучевой эпитаксии, так и путем осаждения металлорганических соединений из паровой фазы. Благодаря эффективности на уровне 0,35 Вт/A выходная пиковая мощность излучения многоэлементных лазерных диодов может достигать 50 Вт при длительности импульса 150 нс. Из-за необходимости использования теплоотвода эти лазерные диоды в большинстве своем доступны в корпусе 9-мм и TO-18, в то время как импульсные лазерные диоды с длинами волн 850-870 нм и 905 нм также доступны в недорогих пластиковых корпусах.
Наряду с длиной волны излучения и электрооптическими характеристиками, надежность является еще одним важным критерием при выборе прибора. Как и для большинства источников излучения, особенно это касается полупроводниковых лазеров, срок службы импульсных лазерных диодов сильно зависит от условий эксплуатации. Лазерные диоды могут подвергаться значительному перенапряжению на короткие промежутки времени, а также уменьшению энергии импульса за счет сокращения длительности импульса до единиц нс без угрозы повреждения. Пользователь должен выбирать подходящий лазерный диод и настройку драйвера исходя из требований применения и необходимого срока службы устройства. В то время как для некоторых военных применений требуемый срок службы лазерного диода может составлять менее часа, например, в тиристорном зажигании, для таких применений как промышленный сканер безопасности, работающий круглосуточно, надежность диода должна составлять десятки тысяч часов.
Многолетний опыт в области работы с импульсными лазерными диодами помог составить формулу средней наработки на отказ в качестве функции нескольких характеристик:
MTTF = k · (P/L)-6 · tw-2 · F-1 · f(T)
,
где MTTF – средняя наработка на отказ в часах, k – константа, зависящая от материала, которая составляет 1.14 · 1020 для импульсного лазерного диода фирмы Laser Components с длиной волны излучения 905 нм, P – выходная оптическая мощность в мВт, L – длина эмиттера в мм, tw – длительность импульса в нс, F – частота следования импульсов в кГц, f(T) – температурно-зависимый коэффициент усиления (равен 1 при 25°С).
Лавинные фотодиоды
Для распознавания коротких импульсов лазерных диодов измерительные системы используют как PIN фотодиоды, так и лавинные фотодиоды (ЛФД) в качестве фотоприемника. Срок службы данных компонентов не столь важен, т.к. при правильной эксплуатации они могут работать практически вечно. В обычных фотодиодах поступающие фотоны образуют электронно-дырочные пары, также называемые носителями заряда, что в свою очередь отражается на измеряемом фототоке. Мощность регистрируемых фотонов преобразуется в электрическую энергию. В данном случае лавинные фотодиоды пошли гораздо дальше. Лавинные фотодиоды отличаются от «обычных» PIN фотодиодов тем, что регистрируемые фотоны внутри фотодиода вызывают лавину зарядов. Она возникает вследствие приложения к лавинному фотодиоду обратно смещённого напряжения для расширения слоя поглощения «А». В лавинных фотодиодах носители заряда, высвобожденные светом, ускоряются в электрическом поле таким образом, что образуют дополнительные электронно-дырочные пары за счет ударной ионизации. Если напряжение обратного смещения ниже, чем напряжение пробоя, лавина утихнет из-за потери на трение внутри полупроводника. Таким образом единичный фотон может возбудить сотни или даже тысячи электронов. При напряжении выше напряжения пробоя ускорение носителей заряда находится на достаточном уровне для поддержания лавины. Единичный фотон может генерировать постоянный ток, который, в свою очередь, можно измерить внешним электронным оборудованием. Сгенерированный ток рассчитывается следующим образом:
I = R0 · M · Ps
,
где R0 (А/Вт) – это спектральная чувствительность лавинного фотодиода, М – это внутренний коэффициент усиления, Ps (Вт) – оптическая мощность падающего излучения. Коэффициент усиления лавинного фотодиода зависит от приложенного напряжения обратного смещения (см. рис. 2).
Рис. 2. Типовая зависимость коэффициента усиления от рабочего напряжения для кремниевых лавинных фотодиодов при разных температурах, где активная область D = 500 мкм.
Наиболее важными параметрами лавинного фотодиода, которые необходимо учитывать при выборе, являются — спектральный диапазон, размер активной области, внутренние шумы и полоса пропускания. Лавинные фотодиоды доступны в спектральном диапазоне от 300 нм до 1700 нм. Кремниевые лавинные фотодиоды, в зависимости от их структуры, подходят для диапазона от 300 нм до 1100 нм, германиевые фотодиоды от 800 нм до 1600 нм, фотодиоды на основе InGaAs от 900 нм до 1700 нм. Кремниевые лавинные фотодиоды представлены наибольшим количеством моделей. Для конкретных применений возможно получение специальных параметров лавинных фотодиодов в зависимости от процесса изготовления. Обзор наиболее важных параметров представлен в Таблице 1.
Таблица 1. Сравнительный обзор различных структур и характеристик кремниевых лавинных фотодиодов
| Типы кремниевых лавинных фотодиодов | Со скошенным краем | Эпитаксиальный | Сквозной |
| Структура | |||
| Область «поглощения» | большая | малая | средняя |
| Область «умножения» | большая | малая | малая |
| Типовой размер (диаметр) | до 16 мм | до 5 мм | до 5 мм |
| Коэффициент усиления | от 50 до 1000 | от 1 до 1000 | от 10 до 300 |
| Фактор «избыточного шума» | очень хороший | хороший | от хорошего до очень хорошего |
| (k = 0.0015) | (k = 0.03) | (k = 0.02 до 0.002) | |
| Рабочее напряжение | от 500 до 2000 В | от 80 до 300 В | от 150 до 500 В |
| Время нарастания | медленное | быстрое | быстрое |
| Емкость | малая | большая | малая |
| Чувствительность к синему спектру (400 нм) | хорошая | слабая | слабая |
| Чувствительность к красному спектру (650 нм) | хорошая | хорошая | хорошая |
| Чувствительность в ближнем ИК спектре (905 нм) | очень хорошая | хорошая | очень хорошая |
По сравнению с германиевыми лавинными фотодиодами лавинные фотодиоды на основе InGaAs имеют значительно меньшие шумы, более широкую полосу пропускания относительно активной области и расширенную спектральную чувствительность до 1700 нм. Как бы то ни было, лавинные фотодиоды на основе InGaAs имеют один недостаток — они дороже германиевых лавинных фотодиодов. Германиевые лавинные фотодиоды в первую очередь рекомендуется использовать в недорогих применениях или в системах подвергающихся электромагнитному воздействию, и в которых вторичный шум усилителя значительно выше. Очевидно, что лавинные фотодиоды с меньшей активной областью имеют меньшую стоимость по сравнению с детекторами с большой активной областью, т.к. в этом случае при производстве чипов на одной пластине изготавливается большее количество изделий. Поэтому в первую очередь необходимо определить минимально допустимую активную область для получения оптической структуры. Иногда более предпочтительными в использовании могут оказаться лавинные фотодиоды с большей активной областью, т.к. специальная оптика, фокусирующая излучение на малую активную область может быть дороже чем использование детектора с первоначально большей активной областью. Для сравнения эффективности лавинных и PIN фотодиодов недостаточно просто сравнить шумовые характеристики детекторов. Решающее значение имеет отношение сигнал-шум всей системы. В случае с PIN фотодиодами необходимо также учитывать соответствующий предусилитель. Его шумовые характеристики, помимо всего прочего, зависят от частоты. Лавинные фотодиоды превосходят PIN фотодиоды, т.к. они могут значительно увеличить уровень сигнала без серьезного увеличения шумов всей системы. Таким образом, ЛФД предпочтительно использовать там, где необходимо регистрировать световой сигнал низкой интенсивности на средних или высоких частотах. Оптимальный внутренний коэффициент усиления выбирается тогда, когда шум детектора приблизительно равен входному шуму вторичного усилителя (или сопротивлению нагрузки). В таком случае лавинный фотодиод не влияет на шум системы. Независимо от того какой детектор используется, лавинный или PIN фотодиод, шум увеличивается пропорционально пропускной способности системы. Следовательно, очень важно уменьшить пропускную способность настолько, на сколько это практически возможно.
Применения
Самое распространенное применение оптопары в виде импульсного лазерного диода + лавинного фотодиода — это дальнометрия, основанная на «времяпролетном» методе. Один из вариантов применения – измеритель скорости автомобиля. Используя импульсы длительностью в несколько нс и мощностью в десятки Вт, можно легко измерить скорость транспортного средства, движущегося со скоростью до 250 км/ч. Расстояние между лазерным устройством измерения скорости (будь то базовая станция или полицейский с ручным измерителем скорости) и движущимся транспортным средством может достигать 1000 м. Точность таких измерений лежит в пределах 1-3%.
Охотники используют безопасные для глаза дальномеры для определения расстояния до цели. Ни оленю, в которого целится охотник, ни кому-либо другому, находящемуся рядом не стоит беспокоиться о своем зрении. В этом случае лазерный дальномер первого класса предоставляет точную информацию в течение 1 секунды с точностью до 2 м на расстоянии 600 м. Также данные полученные с помощью дальномера используются в гольфе для улучшения результатов игрока, или в автомобилестроении для предупреждения об опасном приближении к препятствию или впереди идущему автомобилю (рис. 3).
Рис. 3. Измерение расстояния и относительной скорости в автомобильной промышленности с использованием импульсных лазерных диодов и лавинных фотодиодов.
Лазерные устройства детектирования также широко используются в навигационных целях для кораблей, в особенности в портах и гаванях, для измерения высоты облаков в аэропортах, а также в области геодезии и строительства, когда необходимо провести обмеры карьера или отвала, измерить высоту зданий, деревьев или других объектов. Лазерные сканеры безопасности, построенные на импульсных лазерных диодах и высокочувствительных лавинных фотодиодах, создают завесу лазерного излучения, которая регистрирует наличие человека или объекта в потенциально опасных областях, например, на автоматизированной производственной линии (рис. 4).
Рис. 4. Лазерные сканеры безопасности, создают завесу лазерного излучения, которая регистрирует наличие человека или объекта в потенциально опасных областях.
Выводы
Импульсные лазерные диоды и лавинные фотодиоды идеально подходят для применений связанных с дальнометрией. Комбинации различных длин волн и мощности излучателя найдут соответствующие оптимальные аналоги среди различных структур лавинных фотодиодов исходя из требований применения. Прогресс в области производства открыл возможности для ряда новых коммерческих и промышленных применений.
Дополнительные ссылки:
Более подробную информацию о продукции, описываемой в данной статье можно найти, перейдя по следующим ссылкам:
Импульсные лазерные диоды
Лавинные фотодиоды
Вернуться в рубрику
Области применения LED и LD
Доминирующее положение в качестве источников света в системах освещения сейчас занимают светодиоды, которые уже заменили лампочки накаливания и люминесцентные источники, а также ртутные и натриевые лампы. Это связано с хорошими эксплуатационными характеристиками и высокой энергоэффективностью, обеспечивающей низкие эксплуатационные расходы и значительную экономию энергии. Но лазерные диоды имеют своё преимущество в ряде устройств. Это относится не к относительно простым и массивным осветительным установкам, а скорее к устройствам и системам с особыми требованиями. Такие требования могут быть эффективно выполнены с использованием когерентных световых пучков, особенно большой мощности.
- Основные области применения светодиодов: освещение жилых, офисных, торговых и производственных помещений, освещение открытых пространств и инфраструктуры, таких как улицы, тротуары, площади, мосты, стадионы, туннели, автостоянки, здания, элементы индикации в сигнальных и информационных системах, оборудование и освещение для авто.
- Лазерные диоды также используются в различных устройствах и системах, например, в проекторах, отображающих надписи на козырьках и линзах очков, освещении открытых пространств, освещении сцен и автомобильных фарах. В последнем случае при меньшей выходной мощности, чем у светодиодов, дальность света почти вдвое больше (до 500 м).
Принцип работы и особенности конструкции
Принцип работы лазерного диода основан на эффекте рекомбинации фотонов при прохождении p-n перехода. Если организовать достаточно продолжительное расположение электрона и дырки в непосредственной близости друг от друга, выделяется энергия, представленная фотоном. Подобный процесс, запущенный в стабильном режиме, вызовет появление постоянного свечения.
Основным элементом лазерного диода является полупроводниковый кристалл малой толщины с легированными слоями, образующими p и n области. При подаче напряжения на анод начинается активное выделение фотонов, что внешне определяется как устойчивое свечение.
Полупроводниковая пластинка (кристалл) имеет большую площадь по сравнению с толщиной. Фотон, проходя через нее, многократно отразится от верхнего и нижнего слоев, каждый раз вызывая образование новых фотонов. Этот процесс позволяет получить стабильный пучок света, который остается только сфокусировать с помощью линзы.
Важно! Приведенное описание несколько упрощено, но принцип действия элемента передает вполне достоверно. На пpaктике используются разные конструкции, с помощью которых производители пытались избавиться от различных нежелательных эффектов, усилить световой пучок и снизить потери мощности на нагрев или на преодоление сопротивления материала.
