Как выглядит лазерный диод

Лазерные диоды. Виды и подключение. Устройство и работа

Лазерные диоды — ранее изготовление лазеров было связано с большими трудностями, так как для этого необходим маленький кристалл и разработка схемы для его функционирования. Для простого радиолюбителя такая задача была невыполнимой.

Лазерные диоды

С развитием новых технологий возможность получения лазерного луча в бытовых условиях стала реальностью. Электронная промышленность сегодня производит миниатюрные полупроводники, которые могут генерировать луч лазера. Этими полупроводниками стали лазерные диоды.

Повышенная оптическая мощность и отличные функциональные параметры полупроводника позволяют применять его в измерительных устройствах повышенной точности как на производстве, в медицине, так и в быту. Они являются основой для записи и чтения компьютерных дисков, школьных лазерных указок, уровнемеров, измерителей расстояния и многих других полезных для человека устройств.

Возникновение такого нового электронного компонента является революцией в создании электронных устройств разной сложности. Диоды высокой мощности образуют луч, который используется в медицине при выполнении различных хирургических операций, в частности по восстановлению зрения. Луч лазера способен быстро произвести коррекцию хрусталика глаза.

Лазерные диоды используются в измерительных приборах в быту и промышленности. Устройства изготавливают с разной мощностью. Мощности 8 Вт хватит для сборки в бытовых условиях портативного уровнемера. Этот прибор надежен в работе, способен создать лазерный луч очень большой длины. Попадание лазерного луча в глаза очень опасно, так как на малом расстоянии луч способен к повреждениям мягких тканей.

Устройство и принцип работы

В простом диоде на анод подается положительное напряжение, то речь идет о смещении диода в прямом направлении. Дырки из области «р» инжектируются в область «n» р-n перехода, а из области «n» в область «р» полупроводника. При расположении дырки и электрона рядом друг с другом, то они рекомбинируют и выделяют фотонную энергию с некоторой длиной волны и фонона. Этот процесс получил название спонтанного излучения. В светодиодах он является главным источником.

Но при некоторых условиях дырка и электрон способны находиться перед рекомбинацией в одном месте продолжительное время (несколько микросекунд). Если по этой области в это время пройдет фотон с частотой резонанса, то он вызовет вынужденную рекомбинацию, и при этом выделится второй фотон. Его направление, фаза и вектор поляризации будут абсолютно совпадать с первым фотоном.

Кристалл полупроводника изготавливают в виде тонкой пластинки формы прямоугольника. По сути дела, эта пластинка и играет роль оптического волновода, в котором излучение действует в ограниченном объеме. Поверхностный слой кристалла модифицируется с целью образования области «n». Нижний слой служит для создания области «р».

В конечном итоге получается плоский переход р-n значительной площади. Два боковых торца кристалла подвергают полировке для создания параллельных гладких плоскостей, образующих оптический резонатор. Случайный фотон перпендикулярного плоскостям спонтанного излучения пройдет по всему оптическому волноводу. При этом перед выходом наружу фотон несколько раз будет отражаться от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создаст вынужденную рекомбинацию, образуя при этом новые фотоны с такими же параметрами, чем вызовет усиление излучения. Когда усиление превзойдет потери, начнется создание лазерного луча.

Существуют различные типы лазерных диодов. Основные из них выполнены на особо тонких слоях. Их структура способна создавать излучение только параллельно. Но если волновод выполнить широким в сравнении с длиной волны, то он будет функционировать уже в различных поперечных режимах. Такие лазерные диоды называют многодомовыми.

Использование таких лазеров оправдано для создания повышенной мощности излучения без качественной сходимости луча. Допускается некоторое его рассеивание. Этот эффект используется для накачки других лазеров, в химическом производстве, лазерных принтерах. Однако при необходимости определенной фокусировки луча, волновод должен выполняться с шириной, сравнимой с длиной волны.

В этом случае ширина луча зависит от границ, которые наложены дифракцией. Такие приборы используются в запоминающих оптических устройствах, оптоволоконной технике, лазерных указателях. Необходимо заметить, что эти лазеры не способны поддержать несколько продольных режимов, и излучать лазерный луч на разных длинах волн в одно время. Запрещенная зона между уровнями энергии «р» и «n» областей диода влияет на длину волны луча.

Лазерный луч на выходе сразу расходится, так как излучающий компонент очень тонкий. Чтобы компенсировать это явление и создать тонкий луч, используют собирающие линзы. Для широких многодомовых лазеров используются цилиндрические линзы. В случае однодомовых лазеров, при применении симметричных линз, лазерный луч будет иметь эллиптическое поперечное сечение, так как вертикально расхождение превосходит размер луча в горизонтальной плоскости. Наглядным примером для этого служит лазерная указка.

В рассмотренном элементарном устройстве нельзя выделить определенную длину волны, кроме волны оптического резонатора. В устройствах, имеющих материал, способный усилить луч в большом интервале частот, и с несколькими режимами, возможно действие на разных волнах.

Обычно лазерные диоды функционируют на одной волне, обладающей, однако значительной нестабильностью, и зависящей от различных факторов.

Разновидности

Устройство рассмотренных выше диодов имеет n-р структуру. Такие диоды имеют низкую эффективность, требуют значительную мощность на входе, и работают только в режиме импульсов. По-другому они работать не могут, так как быстро перегреются, поэтому не получили широкого применения на практике.

Лазеры с двойной гетероструктурой имеют слой вещества с узкой запрещенной зоной. Этот слой находится между слоями материала, у которого широкая запрещенная зона. Обычно для изготовления лазера с двойной гетероструктурой применяют арсенид алюминия-галлия и арсенид галлия. Каждыи из этих соединений с двумя разными полупроводниками получили название гетероструктуры.

Достоинством лазеров с такой особенной структурой является то, что область дырок и электронов, которую называют активной областью, находится в среднем тонком слое. Следовательно, что создавать усиление будут намного больше пар дырок и электронов. В области с малым усилением таких пар останется мало. В дополнение свет станет отражаться от гетеропереходов. Другими словами излучение будет полностью находиться в области наибольшего эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами

При выполнении среднего слоя диода более тонким, он начинает функционировать в качестве квантовой ямы. Поэтому электронная энергия будет квантоваться вертикально. Отличие между уровнями энергии квантовых ям применяется для образования излучения вместо будущего барьера.

Это эффективно для управления волной луча, зависящей от толщины среднего слоя. Такой вид лазера намного эффективнее, в отличие от однослойного, так как плотность дырок и электронов распределена более равномерно.

Гетероструктурные лазерные диоды

Основной особенностью тонкослойных лазеров является то, что они не способны эффективно удерживать луч света. Для решения этой задачи по обеим сторонам кристалла прикладывают два дополнительных слоя, которые обладают более низким преломлением, в отличие от центральных слоев. Подобная структура похожа на световод. Она намного лучше удерживает луч. Это гетероструктуры с отдельным удержанием. По такой технологии произведено большинство лазеров в 90-х годах.

Лазеры с обратной связью в основном применяют для волоконно-оптической связи. Для стабилизации волны на р-n переходе выполняют поперечную насечку для создания дифракционной решетки. Из-за этого в резонатор возвращается и усиливается только одна длина волны. Такие лазеры имеют постоянную длину волны. Она определена шагом насечки решетки. Под действием температуры насечка изменяется. Подобная модель лазера является основой телекоммуникационных оптических систем.

Существуют также лазерные диоды VСSЕL и VЕСSЕL, которые являются поверхностно-излучающими моделями с вертикальным резонатором. Их отличие состоит в том, что у модели VЕСSЕL резонатор внешний, и его конструкция бывает с оптической и токовой накачкой.

Особенности подключения

Лазерные диоды используются во многих устройствах, где необходим направленный световой луч. Основным процессом в сборке устройства с применением лазера своими руками является правильное подключение.

Лазерные диоды отличаются от led диодов миниатюрным кристаллом. Поэтому в нем концентрируется большая мощность, а следовательно и величина тока, что может привести к выходу его из строя. Для облегчения работы лазера существуют особые схемы устройств, которые называются драйверами.

Лазерам необходимо стабильное питание. Однако существуют их модели, имеющие красное свечение луча, и функционирующие в нормальном режиме даже с нестабильной сетью. Если имеется драйвер, то все равно диод нельзя подключать напрямую. Для этого дополнительно нужен датчик тока, роль которого часто играет резистор, подключенный между этими элементами.

Такое подключение имеет недостаток в том, что отрицательный полюс питания не соединен с минусом схемы. Другим недостатком является падение мощности на резисторе. Поэтому перед подключением лазера необходимо тщательно подобрать драйвер.

Виды драйверов

Существуют два главных вида драйверов, способных обеспечить нормальный режим эксплуатации лазерных диодов.

Импульсный драйвер выполнен по аналогии импульсного преобразователя напряжения, способного повышать и понижать этот параметр. Мощности выхода и входа такого драйвера примерно равны. Однако, существует некоторое выделение тепла, на которое расходуется незначительное количество энергии.

Линейный драйвер действует по схеме, которая чаще всего подает напряжение на диод больше, чем требуется. Для его снижения необходим транзистор, преобразующий излишнюю энергию в теплоту. Драйвер имеет малый КПД, поэтому не нашел широкого применения.

При применении линейных микросхем в качестве стабилизаторов, при уменьшении напряжения на входе диодный ток будет снижаться.

Так как питание лазеров выполняется двумя видами драйверов, схемы подключения имеют отличия.

Схема также может содержать источник питания в виде батареи или аккумулятора.

Аккумуляторы должны выдавать напряжение 9 вольт. Также в схеме должен быть резистор, ограничивающий ток, и лазерный модуль. Лазерные диоды можно найти в неисправном приводе дисков от компьютера.

Лазерный диод имеет 3 вывода. Средний вывод подключается к минусу (плюсу) питания. Плюс подключается к правой, либо левой ножке, в зависимости от фирмы изготовителя. Чтобы определить нужную ножку для подключения, необходимо подать питание. Для этого можно взять две батарейки по 1,5 В и сопротивление 5 Ом. Минус источника подключают к средней ножке диода, а плюс сначала к левой, затем к правой ножке. Путем такого эксперимента можно увидеть, какая из этих ножек является «рабочей». Таким же методом диод подключают к микроконтроллеру.

Лазерные диоды могут работать от пальчиковых батареек, аккумулятора сотового телефона. Однако нельзя забывать, что дополнительно требуется ограничивающий резистор номиналом 20 Ом.

Подключение к бытовой сети

Для этого нужно обеспечить вспомогательную защиту от всплесков напряжения высокой частоты.

Стабилизатор и резистор создают блок предотвращающий перепады тока. Для выравнивания напряжения применяют стабилитрон. Емкость предотвращает возникновение скачков напряжения высокой частоты. При правильной сборке обеспечивается стабильная работа лазера.

Порядок подключения

Наиболее удобным для работы будет красный диод мощностью около 200 мВт. Такие лазерные диоды установлены на дисковые приводы компьютеров:

• Перед подключением с помощью батарейки проверить работу лазерного диода.
• Выбрать необходимо самый яркий полупроводник. Если диод взят из дискового привода компьютера, то он светит инфракрасным светом. Луч лазера запрещается наводить на глаза, так как это приведет к повреждению глаз.
• Диод монтировать на радиатор для охлаждения, в виде алюминиевой пластины. Для этого предварительно сверлить отверстие.
• Между диодом и радиатором промазать термопастой.
• Резистор на 20 Ом и 5 ватт подключить по схеме с батарейками и лазером.
• Диод шунтировать керамическим конденсатором любой емкости.
• Отвернуть от себя диод и проверить его работу, подключив питание. Должен появиться красный луч.

При подключении следует помнить о безопасности. Все соединения должны быть качественными.

Лазерные диоды, их устройство и виды

Лазерные диоды — полупроводниковые лазеры, построенные на базе диода.

Лазерные диоды:

Лазерные диоды — полупроводниковые лазеры , построенные на базе диода . В отличие от светоизлучающих диодов , работа которых основана на спонтанном излучении фотонов, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и структуру кристалла.

Рис. 1. Лазерные диоды

Лазерные диоды в своем строении имеют кристалл полупроводника, который выполнен в виде тонкой пластинки. Чтобы из пластинки сделать полупроводниковый электронный компонент, его легируют с двух сторон таким образом, чтобы с одной стороны получилась n-область, а с другой – p-область.

Для того чтобы запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами из кристалла формируют оптический резонатор: две боковые стороны (торцы) кристалла полируются для образования гладких параллельных плоскостей. Случайный фотон спонтанного излучения, проходя вдоль резонатора, будет вызывать вынужденную рекомбинацию, создавая новые фотоны с теми же параметрами, запуская механизм вынужденного излучения .

Рис. 2. Устройство лазерного диода

Вследствие дифракции, выходящий из кристалла полупроводника когерентный свет рассеивается, поэтому для формирования узконаправленного пучка применяются собирающие линзы.

Основными материалами, используемыми при производстве лазерных диодов, являются арсенид галлия GaAs, арсенид галлия алюминия AlGaAs, фосфид галлия GaP, нитрид галлия GaN, нитрид галлия индия InGaN и другие.

А, если вам нужны запчасти для мобильных телефонов, ноутбуков или планшетов, то на сайте optnb.ru, вы можете купить соответствующие детали.

Виды лазерных диодов и их преимущества:

– лазер с двойной гетероструктурой. Чаще всего для реализации лазера на основе двойной гетероструктуры используют арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Каждое соединение двух таких различных полупроводников называется гетероструктурой. В этих устройствах слой материала с более узкой запрещённой зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. К тому же свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления;

– диод с квантовыми ямами. Если средний слой диода с двойной гетероструктурой сделать ещё тоньше, такой слой начнёт работать как квантовая яма. Это означает, что в вертикальном направлении энергия электронов начнёт квантоваться. Разница между энергетическими уровнями квантовых ям может использоваться для генерации излучения вместо потенциального барьера. Такой подход очень эффективен с точки зрения управления длиной волны излучения, которая будет зависеть от толщины среднего слоя. Эффективность такого лазера будет выше по сравнению с однослойным лазером благодаря тому, что зависимость плотности электронов и дырок, участвующих в процессе излучения, имеет более равномерное распределение;

– гетероструктурные лазеры с раздельным удержанием. Основная проблема гетероструктурных лазеров с тонким слоем — невозможность эффективного удержания света. Чтобы преодолеть её, с двух сторон кристалла добавляют ещё два слоя. Эти слои имеют меньший коэффициент преломления по сравнению с центральными слоями. Такая структура более эффективно удерживает свет;

– лазеры с распределённой обратной связью. Лазеры с распределённой обратной связью (РОС) чаще всего используются в системах многочастотной волоконно -оптической связи. Чтобы стабилизировать длину волны, в районе p-n перехода создаётся поперечная насечка, образующая дифракционную решётку. Благодаря этой насечке, излучение только с одной длиной волны возвращается обратно в резонатор и участвует в дальнейшем усилении. РОС-лазеры имеют стабильную длину волны излучения, которая определяется на этапе производства шагом насечки, но может незначительно меняться под влиянием температуры.

Лазерные диоды применяются:

– в различном измерительном оборудовании , например лазерных дальномерах, рулетках;

– в лазерных указках и т.п.;

– в проигрывателях CD- и DVD-дисков, в устройствах HD DVD и Blu-Ray.

Лазерный диод — принцип работы, ток лазерного диода

Под термином « лазерный диод » понимается лазер полупроводникового типа, основа конструкции которого представлена диодом. Принцип работы такого лазера строится на том, что после того, как в диод были инжектированы носители заряда в зоне p-n — перехода возникает инверсия населённостей.

Принцип работы лазерного диода

Всегда необходимо помнить, что при формировании излучения больше важен не ток лазерного диода, а напряжение. В момент подачи на анодный конец диода положительного потенциала, наблюдается смещение диода по прямому направлению. Это подразумевает инжекцию дырок из p-области в n-область и аналогичную инжекцию электронов в обратном направлении. Расположение электрона и дырки в достаточной близости для проявления эффекта туннелирования делает возможной их рекомбинацию. Данное действие сопровождается образованием:

• Фотонов, имеющих определённую длину волны (результат принципа сохранения энергии);
• Фононов (компенсируют забираемые фотонами импульсы).

Явление носит название спонтанного излучения и применительно к светодиодам считается главным методом создания излучения.

Рис 1 Конструкция лазерного диода.

Если рекомбинирование электрона и дырки, несмотря на общую пространственную область, не происходит весьма долго. Пересечение этой области фотоном с резонансной частотой провоцирует процесс вынужденной рекомбинации, результатом которой становится формирование другого фотона, полностью совпадающего с первым по всем значимым параметрам.

Особенности конструкции

Кристалл полупроводника лазерного диода представляет собой весьма тонкую прямоугольную пластинку. Деление на p и n области здесь происходит по принципу не лево-право, а верх-низ. То есть, вверху расположена p-область, а внизу — n-область.

Как результат: площадь p-n — перехода достаточно велика. Для торцевых (боковых) сторон обязательна полировка, поскольку формирование оптического резонатора (Фабри-Перо) требуются наличие параллельных плоскостей абсолютной гладкости. Перпендикулярно направленный в отношении одной из таких плоскостей случайный фотон (сформированный спонтанным излучением) будет двигаться по всему оптическому волноводу, периодически отражаясь от боковых граней, пока наконец не покинет резонатор.

Во время движения этот фотон станет причиной нескольких актов вынужденной рекомбинации, формирования подобных фотонов и усиления излучения. В момент, когда усиление достаточно для перекрытия потерь, происходит лазерная генерация.

Разновидности лазерных диодов

• P-n гомоструктурный диод.

В большинстве случаев слой лазерного диода весьма тонок и генерация фотонового потока происходит параллельно структуре этого слоя. Однако, при конструкции достаточной ширины, диод может функционировать в поперечном варианте. Это многомодовые диоды, и их использование демонстрирует высокую мощность излучения в комбинации с высокой его расходимостью.

С целью обеспечения лучшей фокусировки по ширине волновод должен сопоставляться с длиной волны излучения.

Ввиду малой толщины излучающего элемента и дифракции наблюдается сильное расхождение луча в момент выхода. Компенсировать данный эффект можно при помощи собирающих линз. В случае с многомодовыми лазерами обычно используют линзы цилиндрического типа. А если для стандартного лазера применить симметричные линзы, то луч в сечении приобретёт форму эллипса поскольку в вертикальном направлении луч расходится сильнее, чем в горизонтальном.

Лазерный диоды данного типа не отличаются эффективностью. Для их работы применяется большая входная мощность и импульсное воздействие (позволяющее избежать перегрева). В производстве они практически не используются.

• Лазерный диод с двойной гетероструктурой (ДГС).

Особенностью диодов данного типа является то, что в них кристаллический слой, имеющий более узкую запрещённую зону, фиксируется между двух кристаллических слоёв, имеющих более широкую запрещённую зону.

Большим плюсом моделей данного типа является увеличение активной области (распространяющуюся практически на весь средний слой) и усиление потока фотонов (благодаря дополнительному отражению света от гетеропереходов).

• Лазерный диод с квантовыми ямами.

При более сильном истончении среднего слоя в диодах ДГС-типа, его свойства изменяются таким образом, что он превращается в квантовую яму. Таким образом по вертикали электронная энергия будет подвергаться квантованию.

Рис 2 Лазерный диод — вид разрезе

Разность энергетических уровней квантовых ям может быть использована излучения взамен возможного барьера. Это позволяет регулировать длину волны при излучении, определяемую толщиной среднего слоя. Более эффективный вариант ввиду равномерности распределения электронов и дырок.

• Лазерный диод с гетероструктурой и раздельным удержанием

Гетероструктурные лазеры с тонким слоем имеют один весомый недостаток — они не в состоянии эффективно удерживать свет. Для разрешения проблемы к двум сторонам кристалла крепится по дополнительному слою. По коэффициенту преломления эти слои уступают центральным. Общая конструкция при этом становится подобна световоду. Наибольший процент лазерных диодов сформирован по данной технологии.

• Лазерные диоды с распределением обратной связи (РОС).

Лазеры РОС-типа применяются для многочастотных волоконно-оптических связей. При помощи поперечной насечки в области p-n — перехода, необходимой для формирования дифракционной решётки, становится возможной стабилизация длины волны. Конкретное её значение зависит от параметров насечки, однако возможны некоторые деформации под действием температурных всплесков. Лазеры данного типа применяются преимущественно для телекоммуникаций и оптики.

• VCSEL

Лазер поверхностного излучения, снабжённый вертикальным резонатором. Это означает, что свет будет направлен перпендикулярно относительно грани кристалла, в то время как лазеры других типов излучают свет параллельно кристаллу.

• VECSEL

Аналогичен по свойствам предыдущему варианту, но оснащён внешним резонатором.

Драйвер для лазерного диода

Выходная оптическая мощность лазерного диода (являющая одной из основных оптических характеристик) находится в зависимости от тока, проходящего по p-n — переходу. Ввиду этого драйвер лазерного диода обязательно должен соотноситься с источником тока. Все характеристики относящиеся к источнику тока отражаются на параметрах оптической мощности.

В сферу «обязанностей» драйвера входит не только регулировка мощности, но и терморегуляция, осуществляемая через охладитель. Конструкция управляющего блока при этом может быть как совмещённой, так и раздельной.

Рис з Схема простейшего драйвера лазерного диода

Как подключить лазерный диод

Питать лазерный диод можно при помощи:

1. Батарей;
2. Аккумуляторных источников питания;
3. Стационарных сетей на 220 В (при соответствующей защите от перепадов тока и напряжения).

Подключение лазерного диода к сети на 220 вольт опасно выбросами напряжения и высокочастотными всплесками. Чтобы обеспечить в защиту при данном варианте, потребуется конструкция, включающая в себя:

• Стабилизатор напряжения;
• Конденсатор;
• Токоограничивающие резисторы;
• Лазерный диод.

При использовании всех приведённых компонентов можно гарантировать безопасность эксплуатации диода.

Рис 4 Одно из подключений лазерного диода

Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод?

Единица измерения длины волны, которую может продуцировать лазерный диод — нм, иначе «нанометры». Благодаря этому значению можно определить цветовой спектр испускаемого светового луча:

• 650 нанометров

Поток фотонов красного цвета наиболее часто используется в конструкциях дисководов. При дневном свете луч этого лазера виден не очень хорошо, но причина этому только невосприимчивость человеческого зрения. При мощности от 20-50 мВт и фокусировки светового пятна в минимально возможную по площади точку проявляется эффект «жжения». Мощность на 200 мВт при правильной фокусировке позволяет резать бумагу различной плотности.

• 532 нанометра.

Зелёный поток. Лазеры данного типа очень хрупки и чувствительны к температурным всплескам, требуют крайне осторожного обращения. К тому же обладают сложным устройством и до недавнего времени были крайне дорогими.

Главный положительный момент их применения: зрительно излучение на 532 нм наиболее хорошо различимо. Поэтому использовать лазер зелёного цвета мощнее, чем на 5мВт будет небезопасно для зрения. Кроме того, в силу особенностей конструкции вместе с зелёным спектром лазер поставляет и инфракрасный с длиной волны на 808 нм и 1064 нм, а это только повышает травмоопасность такого прибора. Правда в более дорогих экземплярах стоят специальные фильтры, но это обязательно нужно проверять.

• 405 нанометров.

Фиолетовое излучение. Опасно тем, что слабо различимо для человеческого глаза и кажется слабым по мощности, хотя на деле ситуация строго противоположная. Его трудно сфокусировать. В общем, в целях эксплуатации не самый удобный вариант. Может быть актуален разве что при работе с фоторезисторами.

• 780 нанометров.

Инфракрасное излучение. Опасно в силу того, что не воспринимается человеческим зрением от слова совсем. А это грозит различными травмами зрения. Работа возможна только при отсутствии инфракрасного фильтра, что обеспечит хотя бы относительную видимость луча.

• 10 микрометров.

Излучение также инфракрасное с надбавкой CO2. Наиболее широко применяется в промышленности. Подобные лазеры имеют низкую стоимость, высокую мощность и отличаются высоким КПД. Используются данные лазерные диоды для резки металла или фанеры. С их помощью выполняется гравировка.

Лазерные диоды как делают мощные лазерные светильники

Несколько десятилетий яркий лазерный свет украшал концерты, спортивные мероприятия и прочие шоу. Между тем за картинкой зрелищ всегда оставались технологические ограничения. Лазерные лучи обладали способностями освещать только одну точку за момент времени и никогда в белом свете. Более того, световые узоры, созданные лазерным лучом, изобиловали постоянно меняющимся и несколько жутким феноменом интерференционной картинки.

Лазерные диоды – суть и практика света

Однако технологии сделали своё дело. Недавние достижения в области полупроводниковых лазеров открыли более широкий спектр применения. Усовершенствованный лазерный диод теперь доступен и для точной подсветки фасадов зданий и для автомобильных фар дальнего света.

Лазерные диоды следует рассматривать «близкими родственниками» светоизлучающих диодов (LED – Light Emitting Diodes). Конструкция светодиодов содержит диоды или микросхемы, выполненные на основе двух терминальных полупроводниковых элементов.

Этими полупроводниками осуществляется преобразование потока электрической энергии в луч света и цвета определенной длины волны. Гамма цвета, в свою очередь, зависит от применяемого сочетания терминальных полупроводников.

Выпускаются белые светодиоды, где от чипа синего луч направляется на фосфорно-химическую основу. В результате поглощения синего света, прибор начинает излучать желтый свет. Излучение жёлтого люминофора и синего светодиода объединяют и таким образом получают свет, воспринимаемый глазами человека как белый.

Возможности лазерного диода

Лазерные диоды оснащены двумя зеркалами на противоположных концах полупроводника. Одно из зеркал имеет частичную прозрачность, подобно двухстороннему зеркалу. При низких уровнях мощности, лазерный диод работает аналогично тому, как работает обычный светодиод с очень малой эффективностью отдачи.

Упрощённая интерпретация структуры инновационного полупроводника: 1 — рассеивающий отражатель; 2 — чип с жёлтым люминофором; 3 — лазерный диод с двойным зеркальным отражением

Однако, как только электрическая мощность достигает порога плотности, равного примерно 4 кВт/см 2 , полупроводник излучает достаточно света для части длин волн, что отражаются между зеркалами. Эти условия позволяют лазерному диоду излучать значительно больше света, чем это делает обычный светодиод.

Кроме того, отражённый между зеркалами свет, проходит сквозь полупрозрачное зеркало, благодаря чему формируется узкий луч синего. Этот луч далее может быть направлен на люминофор для последующей генерации желтого света.

Стоит отметить интересную деталь: обычные синие светодиоды имеют высокую светоотдачу, регенерируя до 70% электрической мощности, проходящей через приборы при плотности потока 3 Вт/см 2 .

Это значительно более эффективно, чем в случае с лазерными диодами синего излучения, мощность конверсии которых не превышает 30%, когда плотность электроэнергии составляет не более 10 кВт/см 2 . Но светодиоды способны достигать высокой эффективности при низких токовых уровнях. Поэтому эффективная отдача требует значительной массы дорогих полупроводников.

Усиление тока, пропускаемого через светодиоды, повышает яркость излучения. Но увеличение тока резко снижает эффективность светодиодов. Это явление известно как «спад». А вот эффективность лазерных диодов с увеличением тока не изменяется.

Таким образом, при плотности электроэнергии около 5 кВт/см 2 , светодиоды становятся менее эффективными по сравнению с диодными лазерами. Эта разница производительности увеличивается пропорционально с уровнем мощности.

Эффективность лазерных диодов

Исходящий лазерный луч формирует конус излучения всего лишь в 1º — 2º по сравнению с конусом светового излучения светодиода в 90º. Длина волны лазерного излучения падает в пределах 1 нм по сравнению с несколькими десятками нанометров для светодиодного освещения. Эти различия указывают на особую ценность лазеров для отдельных случаев применения, где светодиоды значительно уступают.

Форма излучения двух разных типов диодов. Слева обычные светодиоды, справа модификация с лазерным излучением. Разница в характеристике формы луча очевидна

Внутри диода лазер можно сфокусировать на крошечной точке люминофора для создания узкого интенсивного луча яркостью, в 20 раз превышающей яркость светодиода. Новые технологии позволяют генерировать до 500 люменов светового потока из фокусного пятна, размерами всего в несколько сотен микрометров.

С помощью лазеров и оптики размером 25 мм, новые технологии позволяют выводить световой луч с конусом около 1º. Эти достижения можно считать революционными. Реально открывается доступ к производству фонарей и автомобильных фар дальнего света, луч которых способен пробивать расстояние до 1 км!

Применение лазеров в автомобилестроении

Известный производитель авто под маркой «BMW» уже применяет (с 2015 года) лазерные фары в конструкциях автомобилей некоторых моделей. Синий лазер, излучаемый с поверхности от 4 до 30 мкм, даёт столько же оптической мощности, сколько дают светодиоды, размещённые на площади 800 мкм. Чтобы вписаться в максимально допустимый диапазон дальнего света, утверждённый нормами ЕС, компания «BMW» разработала подходящую автомобильную фару.

Сравнение систем света, применяемых на автомобилях BMW: А — светодиодный малой мощности. Дальность 100 м; Б — светодиодный высокой мощности. Дальность 300 м; В — светодиодный высокой мощности с лазерной подсветкой. Дальность 1000 м

Автомобильная фара сочетает в конструкции широкоугольный светодиодный люминофор с узко-угольной дальнобойной лазерной подсветкой. Световая масса такой подсветки пробивает расстояние до 600 метров.

Компания «SoraaLaser» использует технологию устройства полуполярного галлий-нитридного лазера поверхностного монтажа для получения белого света. Готовый 7-миллиметровый квадратный модуль содержит:

• синий лазерный диод,
• квадратный люминофор (1х1 мм),
• отражатель синего луча.

Отражатель синего лазера служит для временного транспорта перед смешением с жёлтым люминофором.

Технические возможности приспособления лазера

Светильники с лазерным источником, по своей сути должны иметь различные конструктивные вариации с учётом дизайна тех же светодиодных светильников. Лазерный диод и люминофор необходимо отделять достаточным пространством для лазерного луча, чтобы сфокусировать и защитить люминофор от перегрева.

Схема технологическая №1: 1 — люминофорный диск желтого/зелёного; 2 — луч синего лазера; 3 — проекционная линза; 4 — цветовой диск; 5 — призма; 6 — система цифровой обработки света (DLP)

Люминофор может располагаться рядом или покрываться непосредственно светодиодами. В любом варианте специальное компьютерное программное обеспечение поможет дизайнерам модельной оптики разрабатывать уникальные лазерные светильники.

Существующие ныне продукты лазерного света компании «SoraaLaser» используют для вывода наружу белого светодиодного излучения синие лазеры, излучающие длину волны 450 нанометров, близкую к стандартной величине.

Таким образом, есть все предпосылки, чтобы использовать желтые люминофоры, используемые в светодиодах, чтобы создать белый свет. Однако синий лазерный луч необходимо рассеять или отразить материалом, подобным матовому стеклу. Это необходимо для правильного смешения с излучением люминофора.

Использование уже опробованных технологий

Лазерное освещение также возможно организовать на базе проверенной временем технологии 405-нанометровых фиолетовых лазеров, которые разрабатывались для применения в конструкциях оптических дисков (Blu-Ray).

Технологическая схема № 2: 1 — сумматор света; 2 — оптическое волокно; 3 — световод; 4 — чип цифровой обработки света; 5 — призма; 6 — проектные линзы; 7 — система против эффекта спекл

Здесь производство белого света требует добавления люминофоров для преобразования фиолетового света в синий свет при длине волны 450-460 нанометров, в дополнение к желтым люминофорам. Это чревато дополнительными энергетическими затратами, но обещает повысить эффективность лазерных диодов.

Люминофорные белые светодиоды преобладают на рынке полупроводниковых приборов освещения из-за их простоты. Совмещением света красного, зеленого, синего светодиодов производится белое свечение.

Другой вариант, с добавленной способностью модулировать цвет, на примере нескольких моделей светодиодных ламп, которые дополнены функционалом изменения цвета и также присутствуют в продаже.

В принципе, лазерные технологии не исключают совмещения красного, зелёного, синего цветов для получения белого света, но это направление пока что остаётся на стадии научных исследований и разработок.

Безопасность и поиск модульных вариантов

Одной из проблем лазерного варианта c RGB смешением является необходимость контроля отражения лазерного света по соображениям безопасности. Другой проблемой является поиск подходящих источников RGB-лазера.

При производстве лампы Hue Philips частично используются новые технологии, позволяющие получить белый свет из трёхцветного спектра

Так, компания «Philips» в технологии производства ламп «Hue» использует отдельные светодиоды в качестве источников RGB. Лампы отличаются преобладанием зеленых светодиодов, поскольку эти приборы менее эффективны и дают меньше оптической мощности, чем красные или синие светодиоды.

Разница производительности по убыванию для полупроводниковых лазеров:

• синий (самый мощный цвет),
• красный (менее мощный),
• зеленый (самый слабый).

Популярные в обществе лазерные указки зелёного свечения генерируют свет опасно яркий, но этот свет исходит от кристаллических лазеров, не от полупроводников. Полупроводниковые же лазеры, излучающие каждую из 3 длин волны, невозможно интегрировать на один и тот же чип.

Одна деталь, всегда остающаяся незримой при работе лазерного светильника — это лазерный луч. Подобно солнцу, луч лазера, направленный напрямую в глаза, грозит сжечь сетчатку. Поэтому продукты, где используются лазеры (те же приводы дисков Blu-Ray), оснащаются защитой — сконцентрированный лазерный луч закрыт экраном.

Между тем прямое отражение, например, от зеркала, действительно представляет опасность, но рассеянное отражение, к примеру, от покрашенной стены, не представляет никакой опасности. Оптические проектные решения, исключающие трансмиссивные люминофоры, также уменьшают риск.

Монолитная основа и спекл в лазерных светильниках

Спекл (дифракционное пятно) — нежелательный дефект в лазерном освещении. Дефект представляет собой зернистую (пятнистую) структуру, которая проявляется при малейших колебаниях воздуха.

Примерно таким выглядит технологический дефект — эффект спекл (случайная интерференционная картина), от которого необходимо избавляться

Безвредный, но раздражающий зрение дефект, можно предотвратить путём рассеивания лазерного излучения с помощью матового или белого стекла. Получить монолитную основу с размещением трёх цветов достаточно сложно. Тем не менее, исследования в этом направлении дают определённые результаты.

Группе китайских учёных, к примеру, удалось интегрировать в единую основу различные цветные лазерные диоды. При этом не применялись стандартные соединения — галлия, индия, азота, мышьяка.

Как известно, эти соединения используются в полупроводниковых лазерных диодах вместо семейства полупроводников, состоящих из кадмия, цинка, серы и селена. Депонируя различные смеси элементов в тонких слоях, учёные получили монолитный прибор, где объединились разрозненные лазерные диоды.

Так получили синий, зеленый, светло-красный и темно-красный свет для производства белого света. Но китайская технология, опять же, пока что чисто экспериментальная.

Примерно по такой технологической схеме должна выстраиваться монолитная структура источника излучения

Группа английских исследователей применила другой подход к производству белого (цветного) перестраиваемого света лазеров. Инфракрасный свет можно смешать и получить видимый спектр.

Для этого требуется комбинация двух инфракрасных пучков в тонком микроструктурированном материале (титанил фосфат калия) с высоким нелинейным эффектом. Материал титанил фосфат калия объединяет частоты инфракрасных пучков. Смешивание приводит к формированию лазерного выхода красной, зеленой, синей волн.

Применение лазерных светильников в архитектуре

Высокая интенсивность лазеров удачно работает в архитектурной прожекторной подсветке, где требуются узкие лучи света. Лазеры с малой оптикой обеспечивают подсвечивание точных областей при помощи широкоугольного, сверхкороткого потока.

Лазерное возбуждение люминофоров может создавать очень высокий контраст между светлыми и тёмными областями. При этом градиенты света более чем в 10 раз резче, чем в случае с обычными светодиодными источниками.

Точная подсветка зданий лазерным светом позволяет создавать красочные картины экстерьера. Однако это всего лишь малая часть возможностей применения

Так, лазерный источник света способен равномерно освещать экстерьер пятиэтажного здания с использованием одного светильника, размещённого в области первого этажа. Номинальная цветовая температура продуктов «SoraaLaser», предназначенных для наружного лазерного освещения, составляет 5700K, а цветопередача 70-80К.

Лазерный свет доступно сконцентрировать и направить внутрь оптических волокон или волноводов, что является несоизмеримо сложной задачей в случае с источниками на светодиодах. Тем не менее, инженерами компании «SoraaLaser» разработана система переноса синего лазерного излучения на люминофоры посредством оптоволоконной связи.

Подобное решение позволяет размещать источники света в местах удалённых, защищённых от теплового и электромагнитного воздействия. Согласно коммерческим планам «SoraaLaser», компания ожидает запуска первой волны коммерческих, статических осветительных приборов к началу 2019 года.

Уникальные разработки обещают улучшение цветопередачи, энергетическую эффективность, высокую производительность для конкретных проектов. Мощные управляемые прожекторы готовятся полностью вытеснить уже устаревшие светодиодные приборы.