Diodový laserový stroj

Typy diodového laserového stroje

Okrajově emitující diodové lasery
Okrajové diodové lasery emitují laserové světlo z okraje polovodičového čipu. Vyzařují světlo rovnoběžně s povrchem čipu. Okrajové diodové lasery jsou tvořeny čipem vyrobeným z arsenidu galia (GaAs), fosfidu india (InP) nebo nitridu galia (GaN). Čip je složen ze dvou (nebo více) vrstev, včetně oblasti ochuzení náboje (aktivní) na pn přechodu, kde dochází k laserovému efektu.

Diody vyzařující okraj mohou poskytovat vysoké úrovně optického výkonu, v rozsahu od miliwattů do deseti wattů nebo více. Vykazují také vyšší než typickou elektrickou účinnost ve srovnání s většinou ostatních typů laserů a laserových diod. Tyto lasery se používají ve většině oblastí: telekomunikace, optické ukládání dat, skenování čárových kódů, laserový tisk, optické snímání, lékařská zařízení a průmyslové laserové systémy.

Vertical-cavity surface-emitting diode (VCSED) lasery
Zařízení VCSED se běžněji nazývají lasery emitující povrch s vertikální dutinou (VCSEL). Jedná se o třídu polovodičových laserových diod, které vyzařují laserové světlo kolmo k povrchu čipu přes horní povrch čipu. VCSEL jsou tvořeny pn spojovacím čipem s vertikální dutinou, který se skládá ze dvou distribuovaných Braggových reflektorových zrcadel. Aktivní oblast, kde je světlo iniciováno zrušením náboje, je uprostřed mezi těmito zrcadly. Tento typ laseru obecně zaplňuje aktivní oblast kvantovými jamkami nebo podobnými strukturami indukujícími zisk. Světlo je vyzařováno kolmo k povrchu čipu jako kruhový nebo eliptický paprsek s dobře definovaným a symetrickým profilem. Tento profil paprsku dobře reaguje na kolimaci, s relativně nízkou divergencí.

Tato zařízení mají několik výhod oproti okrajovým diodovým laserům. Jejich prahový proud je nízký, což umožňuje vysokou elektrickou účinnost při nízkých úrovních výkonu. Zařízení s kruhovým profilem paprsku jsou vhodná pro připojení k optickým vláknům. Hlavní výhodou VCSEL je to, že je lze vyrábět v měřítku plátků, což má za následek nižší výrobní náklady a vyšší jednotnost než jednotlivě konstruovaná zařízení.

Lasery VCSED jsou k dispozici pro vyzařování řady vlnových délek, od středního po blízké infračervené, a také pro viditelné světlo. Vlnová délka výstupu vyplývá z výběru materiálu, konstrukce spoje a tvaru rezonanční dutiny. Jsou široce používány v: optických sítích, optických propojeních a vysokorychlostních systémech přenosu dat. Používají se také ve 3D snímání pro rozpoznávání obličeje a snímání hloubky v mobilních zařízeních a v obecnějších optických a snímacích aplikacích, jako jsou optické myši, laserové tiskárny a 3D skenery.

Lasery s distribuovanou zpětnou vazbou (DFB).
DFB (distributed feedback) lasery mají podobnou strukturu jako ostatní polovodičové lasery. Avšak zahrnutí periodické mřížkové struktury do aktivní oblasti nebo vnějšího vlnovodu je pro tuto třídu jedinečné. Mřížka distribuované zpětné vazby sestává z periodických změn indexu lomu vlnovodu, což má za následek periodickou modulaci profilu zisku. To funguje jako mechanismus zpětné vazby, který vynucuje optickou zpětnou vazbu/zesílení na zvolené vlnové délce a zároveň potlačuje ostatní režimy. To znamená, že tato zařízení produkují světlo o specifické vlnové délce s vysokou spektrální čistotou a úzkou šířkou čáry. To je ideální pro vysokorychlostní komunikaci z optických vláken, snímání a různé spektroskopické a metrologické aplikace s vysokým rozlišením.

DFB lasery mohou být také navrženy pro laditelnost vlnových délek v omezeném rozsahu. To vyplývá z ladění teploty, ladění proudu nebo mechanismu externí zpětné vazby, který umožňuje nastavení indexu lomu.

Kvantové kaskádové lasery (QCL)
Kvantový kaskádový laser (QCL) využívá jako zdroj laseru kvantové kaskádové přechody mezi energetickými hladinami v rámci více polovodičových spojů. QCL jsou konstruovány z více kvantových vrtů s bariérami tvořenými polovodičovými vrstvami různých bandgapů. Když je aplikován dopředný zkreslený proud, elektrony a díry procházejí více kvantovanými energetickými hladinami a efektivně generují fotony při každém přechodu. Poskytují emisi ve středních infračervených a terahertzových oblastech elektromagnetického spektra a mohou v těchto oblastech emitovat široký rozsah vlnových délek. Většina technologií středního infračerveného laseru potřebuje kryogenní chlazení, zatímco QCL pracují při pokojové teplotě, takže jsou ideální pro aplikace vyžadující tento frekvenční rozsah. Díky vysokým úrovním optického výkonu jsou vhodné pro aplikace s vyšší spotřebou energie a poskytují režim kontinuální vlny (CW) s velmi stabilním výstupem.

Relativně jednoduchého vyladění vlnové délky emise je dosaženo úpravou tloušťky vrstvy a předpětí, což je činí ideálními pro aplikace spektroskopické analýzy vyžadující více vlnových délek. Používají se také pro monitorování prostředí, lékařské diagnostické systémy, dálkový průzkum Země a komunikaci ve volném prostoru.

Diodové lasery s vnější dutinou (ECDL)
ECDL jsou formátem zařízení, které využívá vnější dutinu, obvykle externí reflektor nebo mřížku, k zesílení laserového výstupu a řízení jeho charakteristik. ECDL umožňují zvýšenou laditelnost, úzkou šířku čáry a přesné řízení vlnové délky ve srovnání s jinými formáty diodového laseru. Mají podobnou strukturu jako jiné diodové lasery, s dopředně předpjatým pn přechodem a aktivní oblastí, ve které jsou emitovány fotony. Vnější dutina je přidána k laseru, aby poskytovala optickou zpětnou vazbu, která umožňuje přesné ladění emisní frekvence. V této dutině je umístěn reflektor, mřížka nebo jiná optická struktura, která odráží část paprsku zpět do dutiny.

ECDL mohou umožnit užší šířky čar ve srovnání s jinými typy diodových laserů. Vnější dutina potlačuje nežádoucí podélné režimy a optický šum, poskytuje lepší koherenci a užší paprsek šířky čáry. Tato třída zařízení je ideální pro aplikace vyžadující vysokou spektrální čistotu pro velmi přesnou optickou kvantizaci.

ECDL poskytují výrazně lepší laditelnost vlnových délek ve srovnání s většinou diodových laserů. Vlnová délka laseru může být přesně vyladěna jemným nastavením polohy nebo úhlu dopadu vnějšího reflektoru nebo mřížky. To umožňuje široké spektrum náročných aplikací ve spektroskopii, atomové a molekulové fyzice a metrologii. Výhodou dobrého návrhu ve vnější rezonanční dutině je to, že nastavení frekvence vyzařování může být bez přeskoků – to znamená, že lze provádět plynulé úpravy mezi požadovanými vlnovými délkami, bez asymptotických a rušivých skokových změn.

Kuželové diodové lasery
Lasery s kuželovou diodou (nebo kuželové zesilovače; kuželové lasery) jsou třídou laserů se zúženou zesilovací dutinou. Tyto lasery dosahují vysokého výkonu, dobré kvality paprsku a vysoké elektrické účinnosti. Tato zúžená oblast je širší na vstupním konci a postupně se zužuje směrem k výstupnímu konci. Toto zúžení slouží ke zvětšení šířky paprsku a snížení optické hustoty v oblasti laserového zesílení.

Zúžená část zesílení umožňuje zvětšenou oblast režimu, což umožňuje extrakci vyšší optické síly. Pomáhá také zlepšit kolimaci kvality paprsku ve výstupu. Kužel také zvyšuje efektivitu využití aplikované energie čerpadla. Další výhodou zúžení je zvýšení spektra zisku, což umožňuje širší rozsah vlnových délek na výstupu. Tato laditelnost je zvláště cennou vlastností této třídy. Tato zařízení jsou široce používána při zpracování materiálů, laserovém gravírování a laserovém čerpání (pro vysoce výkonné plynové a pevnolátkové lasery). Jejich vysoký výkon a dobrá kvalita paprsku je činí vhodnými pro náročné aplikace, ve kterých je nezbytná přesnost, rychlost a výkon.

Lasery se superluminiscenční diodou (SLD).
SLD (superluminescent diode) lasery, také známé jako zdroje se zesílenou spontánní emisí (ASE), jsou typem laseru, který spojuje vlastnosti laserových diod a LED. Vytvářejí širokospektrální světlo vysoké intenzity, díky čemuž jsou vhodné pro konkrétní aplikace v oblasti zobrazování, optického snímání a telekomunikací. SLD lasery generují nekoherentní světlo prostřednictvím zesílené spontánní emise. Tato zařízení produkují širokou šířku pásma světla v rozsahu od desítek do stovek nanometrů, díky čemuž jsou SLD vhodné pro aplikace, které vyžadují široký spektrální rozsah nebo zobrazování s vysokým rozlišením. SLD poskytuje velmi jasný výstup, což je míra optického výkonu na jednotku prostorového úhlu a jednotku šířky pásma vlnové délky. Vysoký jas je výsledkem zesílené spontánní emise a optického zesílení. Jejich výstup má ve srovnání s konvenčními lasery krátkou koherenční délku. Toto je vzdálenost, na kterou si elektromagnetické vlny udržují svůj fázový vztah. Díky tomu jsou vhodné pro aplikace, které vyžadují rušení s nízkou koherencí nebo zobrazování s hloubkovým rozlišením. SLD se používají v optické koherentní tomografii (OCT), optickém snímání, spektroskopii, biomedicínském zobrazování, optické metrologii a optickém testování. Jsou zvláště cenné v systémech OCT pro zobrazování biologických tkání a materiálů s vysokým rozlišením.

Dvojité heterostrukturní lasery
Lasery s dvojitou heterostrukturou (DH) jsou větví rodiny laserových diod, která integruje heterostrukturu, která zlepšuje výkon technologie. DH lasery mají ve srovnání s běžnou homojunkční konstrukcí nižší prahový proud, vyšší účinnost a zvýšený výstupní výkon.

DH lasery jsou sestaveny ze dvou pn spojů vytvořených ve třech vrstvách. Zóna vyčerpání (střední vrstva typu n) je propojena mezi dvě vrstvy typu p se širším bandgapem. Tato konfigurace vytváří účinné zadržení nosičů a optický režim bez úniků, čímž se zvyšuje elektrická účinnost a celkový výkon. Zvýšené zadržování nosičů pomáhá zvýšit hustotu a rekombinaci nosičů, což vede k vyššímu zisku a zlepšené provozní účinnosti ve většině aspektů. Sekundární výhodou je, že heterostruktura indukuje optické omezení, čímž se zvyšuje interakce světla a hmoty. Nižší prahový proud vyplývá z nižšího úniku nosiče náboje, což umožňuje laseru dosáhnout prahu pro začátek laserového záření při nižších úrovních proudu.

Tato zařízení jsou široce používána v telekomunikacích, optických datových zařízeních, laserovém tisku a laserových měřicích systémech. Jsou zvláště cenné v komunikacích z optických vláken na dlouhé vzdálenosti, kde je výhodná vysoká účinnost, nízké prahové proudy a vysoký výkon.

Kvantové dobře diodové lasery
Kvantové dobře diodové lasery jsou rodinou zařízení, která obsahují kvantově dobré struktury, které zlepšují optické/elektrické vlastnosti. Dosahují nižšího prahového proudu, vyšší energetické účinnosti a lepšího řízení vlnové délky ve srovnání se základními zařízeními. Tato zařízení jsou konstruována z vrstvené struktury tenkých polovodičových waferů s užším bandgapem, uzavřených ve vyšších vrstvách bandgap. Vrstva kvantové studny vytváří omezující oblast pro nosiče i generované fotony, čímž zlepšuje optické zesílení. Omezený nosič dosahuje vyšší hustoty v oblasti kvantové studny, což usnadňuje lepší využití nosičů pro stimulovanou emisi, což má za následek zlepšenou účinnost přeměny energie. Umožňují přesnou kontrolu nad generovanou vlnovou délkou úpravou šířky a složení jamky. To umožňuje přesné vyladění emisní vlnové délky podle náročných specifikací.

Kvantové diodové lasery jsou známé pro úzkou šířku čáry. Potlačení konkurence v podélném módu a snížení optického šumu má za následek lepší koherenci a užší spektrální chování. Tento formát zařízení je zvláště výhodný v telekomunikacích, optickém ukládání dat, laserovém tisku a lékařské diagnostice. Kompaktní a účinné zdroje záření pro komunikaci s optickými vlákny jsou kritické v oblasti optických vláken s vysokou šířkou pásma a na dlouhé vzdálenosti.

Lasery s jedním podélným režimem (SLM).
Lasery s jedním podélným režimem (SLM) emitují světlo, aby produkovaly výstup jedné frekvence nebo vlnové délky s vysokou koherencí a úzkou šířkou čáry. Lasery SLM používají různé techniky, jako jsou prvky pro výběr režimu, metody stabilizace frekvence a optimalizace návrhu dutiny, aby se dosáhlo tohoto jednorežimového výstupu. Potlačení rušivých podélných vidů vytváří vysoce koherentní výstup s úzkým frekvenčním spektrem.

Lasery SLM se používají v různých oblastech, jako jsou telekomunikace, optické snímání, metrologie, spektroskopie a interferometrie, a jako výzkumné nástroje, protože mají vysokou koherenci, přesné řízení vlnové délky a malou šířku čáry.

Mezipásmové kaskádové lasery
Mezipásmové kaskádové lasery (ICL) pracují na mezipásmovém přechodu mezi různými elektronickými pásmy v aktivní oblasti. Poskytují efektivní a vysoce výkonný provoz ve středním infračerveném spektru vlnových délek. ICL těží z mezipásmových přechodů mezi energetickými pásmy v rámci každého waferu a využívají kaskádové přechody mezi více stupni/kvantovými jamkami k dosažení zvýšeného optického zisku a laserové emise. Konvenční diodové lasery se spoléhají na omezenější vnitropásmové přechody. Obvykle jsou navrženy tak, aby generovaly záření ve středních infračervených vlnových délkách, mezi 3 až 12 mikrometry. Více stupňů kvantové studny je elektricky propojeno v kaskádové konfiguraci. Každý stupeň se účastní procesu zesílení, což má za následek vyšší optické zesílení než zařízení s jedním přechodem.

ICL poskytují zvláště nízký prahový proud pro začátek laserového záření. Vyšší účinnost přepravy a využití nosiče vede k nižší spotřebě energie. ICL se používají pro snímání plynů, chemickou analýzu, monitorování životního prostředí, řízení průmyslových procesů a optickou komunikaci ve volném prostoru. Střední infračervené záření je užitečné pro detekci a měření specifických znečišťujících látek.

Oddělené zadržovací heterostrukturní lasery
Lasery s oddělenou heterostrukturou (SCH) používají heterostrukturní design ke zlepšení optických a elektrických vlastností. To přináší snížené optické ztráty, lepší zadržování nosiče a lepší celkový výkon ve srovnání s běžnými homojunkčními lasery. Lasery SCH obsahují několik plátků s různými mezerami v pásmu, aby vytvořily složitější heterostrukturu. Vrstva vyčerpání je sevřena širšími vrstvami bandgap. Tato složitost umožňuje lepší omezení jak nosičů, tak optických režimů.

Zlepšené zadržování a snížený optický únik jsou výsledkem toho, že krycí vrstvy zachycují jak optickou, tak aktivitu nosiče náboje v aktivní oblasti. Snížený únik nosiče přispívá zejména ke zlepšení prahového proudu a elektrické účinnosti. To zase zvyšuje výkon ve srovnání s homojunkčními lasery zlepšením teplotní stability, vyšší modulační šířky pásma a teplotně závislého posunu vlnové délky. Lasery SCH jsou zvláště užitečné v aplikacích vyžadujících účinnost a teplotní stabilitu. Jsou vhodné pro obecné aplikace, jako jsou telekomunikace, optické ukládání dat, laserový tisk, optické snímání a laserový výzkum, ale jsou zvláště vhodné pro drsnější prostředí a komunikační systémy s optickými vlákny.

Distribuované Braggovy reflektorové (DBR) lasery
Zařízení s distribuovaným Braggovým reflektorem (DBR) jsou zařízení, která obsahují distribuovaný Braggův reflektor integrovaný do zesilovací dutiny. Tento aspekt umožňuje přesné řízení emitované frekvence a úzkou filtraci pro dobrou spektrální čistotu a výběr. Braggova mřížka se skládá ze střídajících se vrstev materiálů s vysokým a nízkým indexem lomu, které fungují jako vlnově selektivní zrcadlo. Tato struktura odráží světlo všech nevybraných vlnových délek a zároveň umožňuje požadovanému záření šířit se zesilovací dutinou. Tato struktura poskytuje přesnou selektivitu vlnové délky a nastavením periody mřížky nebo párů indexu lomu lze emitovanou vlnovou délku naladit v určitém rozsahu. To usnadňuje přizpůsobení a kompatibilitu s řadou aplikací, včetně systémů vlnového multiplexování (WDM) a optické koherentní tomografie (OCT).

Lasery DBR poskytují výstup s úzkou šířkou čáry jako výsledek distribuované zpětné vazby Braggovy mřížky. Mřížka potlačuje nežádoucí podélné vidy a vede k jednovidové emisi úzké spektrální šířky. Tato zařízení poskytují výhodné, vysoké poměry potlačení bočního režimu (HMSSR), které představují rozdíl výkonu mezi požadovaným laserovým režimem a sousedními režimy, poskytující míru selektivity, spektrální čistoty a úzké šířky čáry.

DBR lasery se používají v telekomunikacích, optickém snímání, spektroskopii, metrologii a optické koherentní tomografii. Používají se jako přesné a stabilní světelné zdroje v různých systémech, které vyžadují specifické vlnové délky, úzké šířky čar a vysokou spektrální čistotu.

Vertikální-externí-dutinové povrchové lasery
Vertical-external-cavity surface-emitting lasers (VECSELs) jsou speciálním typem laserového zařízení, které kombinuje prospěšné vlastnosti laserů s vertikálním povrchem emitujícím povrch s vnější dutinou (VCSEL) a externích dutinových diodových laserů (ECDL). Výsledkem jsou jedinečné vlastnosti, jako je vysoký výstupní výkon, laditelnost vlnové délky a vynikající kvalita paprsku.

VECSELy mají laserovou dutinu orientovanou vertikálně, takže světlo je vyzařováno kolmo k povrchu čipu. Tato vertikální konstrukce umožňuje efektivní odvod tepla a přesnou kontrolu nad vyzařovaným paprskem. Jejich konfigurace vnější dutiny je konstruována z přídavných reflexních povrchů umístěných vně struktury čipu. To umožňuje ovládání vlnové délky, tvarování paprsku a škálování výkonu. VECSEL jsou schopny vyššího výstupního výkonu než VCSEL, protože konfigurace vnější dutiny zlepšuje odvod tepla. Přesné laditelnosti vlnové délky v širokém spektrálním rozsahu je dosaženo změnou polohy zrcadel vnějších dutin nebo nastavením provozní teploty zařízení. Prostřednictvím precizně navrženého použití vnější dutiny dosahují VECSEL vysoce kvalitního výstupu s nízkým úhlem divergence a rovnoměrným profilem paprsku.

VECSEL se používají ve vědeckém výzkumu, zpracování materiálů, lékařské diagnostice, optickém snímání a telekomunikacích. Slouží k přesným aplikacím, jako je laserová spektroskopie, laserové chlazení a zachycení/manipulace atomů, laserová ablace a vysokorychlostní optické komunikace.

Multi-longitudinal mode (MLM) lasery
Lasery v multi-longitudinálním režimu (MLM) nabízejí neobvyklou možnost vyzařování v několika těsně od sebe vzdálených, ale úzkých frekvenčních pásmech v relativně širokém spektru. Podélné režimy v MLM laserech jsou úzce rozmístěny. Vzdálenost závisí na funkčním provedení rezonanční dutiny, jako je její délka a index lomu laserového média. Jejich široké emisní spektrum je způsobeno přítomností těchto více režimů. Spektrální šířka a rozložení vidů vyplývá z konstrukce dutiny a spoje a také z provozních podmínek.

MLM lasery se používají ve spektroskopii, metrologii, interferometrii a telekomunikacích. Jsou zvláště použitelné pro optickou koherentní tomografii (OCT), ve které je možné zobrazení s vysokým rozlišením v důsledku interference více podélných režimů.

Aplikace diodového laserového stroje

Jak udržovat diodový laserový stroj

Jak funguje diodový laser

Diodové lasery fungují tak, že stimulují emisi fotonů na polovodičovém přechodu. Polovodičový materiál má specifické energetické mezery, které spouštějí generování a zesílení koherentního světla. Dioda se skládá z pn přechodu. Oblast typu n vytváří přebytek záporně nabitých nosičů (elektronů), zatímco typ p vytváří přebytek kladně nabitých nosičů (děr). Spojení tvoří oblast vyčerpání mezi dvěma materiály. Když je na přechodu aplikováno dopředné předpětí (+ve na p a -ve na n materiál), teče proud. To způsobí, že se nosiče náboje pohybují přes křižovatku. Elektrony z oblasti n a díry z oblasti p jsou injektovány do oblasti vyčerpání. Ty se setkávají a neutralizují a uvolňují foton pro každý zrušený náboj.

Diodový laser je navržen s reflexními plochami na koncích, které tvoří "optickou dutinu". Fotony se vnitřně odrážejí a optická zpětná vazba zvyšuje stimulované emise a vede k úzkopásmovému koherentnímu světlu. Ke stimulační emisi také dochází, když foton interaguje s excitovaným elektronem, což způsobí, že emituje další foton. Tyto další fotony jsou identické se spouštěcím fotonem, což vede k zesílení. Jak stimulovaná emise pokračuje a fotony se odrážejí v dutině, intenzita laserové energie se zvyšuje.