Как проверить лазерный диод

Проверка работоспособности лазерного диода накопителей на CD.

Накопители на CD различных типов прочно вошли в состав персональных компьютеров став самым массовым устройством внешней памяти. Массовое использование их непрофессиональными пользователями породило проблему их диагностирования и ремонта. Зачастую неисправности носят весьма примитивный характер, но для их устранения необходимы специальные профессиональные знания и практические навыки.

Работа лазерных CD-приводов полностью зависит от луча лазер­ного диода, поэтому проверку лазерного проигрывателя обычно начинают с лазерных схем. Если интенсивность лазерного луча не­достаточна или его нет, то это является причиной отсутствия или наличия сла­бого EFM-сигнала, а нарушение работы ограничительного диода может привести к изменению уровня выходного сигнала схемы ав­томатического контроля питания лазера (ALPC), при котором воз­буждение лазера станет невозможным. Любой из этих недостатков способствует неточному отслеживанию луча, что в свою очередь также приводит к значительному снижению уровня EFM-сигнала. По этой причине при возникновении неисправности с отсутст­вием ее явной причины (неправильное отслеживание, не корректи­руемое регулировкой, выпадение сигнала при качественном диске и т.п.), прежде всего необходимо отрегули­ровать узел лазерного диода. Это сразу же позволит выявить любые явные проблемы, связанные с работой лазерных схем, а также установить качество EFM-сигнала (нормальная амплитуда EFM-сигнала гово­рит об исправности лазерного диода). Если лазер не включается (отсутствие мерцания на линзе объек­тива, отсутствие EFM-сигнала или перемещения фокуса при включении пита­ния), то прежде всего необходимо проверить ALPC. Но при открытом дископриемнике обычно отключаются мно­гие функции, в том числе и сигнал на включение лазера LDON. Если имеется сигнал LDON необходимого уровня, необходимо убедиться в наличии сигнала с оптического диска и прохождении этого сигнала в схеме ALPC.

Приводы компакт-дисков очень часто перестают читать диски из-за за­грязнения лазерных головок. Лазерная головка CD-привода — это сложный и тщательно настраиваемый прибор. Чтобы его правильно почистить, необходимо соблюдать необходимые меры предосторожности иначе можно вывести из строя тонкий механизм лазерной головки. Зная строение лазерной головки можно избежать многих неприятностей. Ла­зерная головка состоит из излучающего и приемного диодов, фокусирующих линз, механизма настройки фокуса. Причиной неправильной работы ла­зерной головки может быть неисправность как в электрической цепи, так и в механической части лазерной головки.

Наиболее часто встречаются следующие дефекты, связанные с работой лазерной головки. Сначала неисправность проявля­ется в виде сбоев при воспроизведении дисков низкого качества. Через неко­торое время CD-привод перестает работать совсем. Часто причиной этого является всего лишь запыление оптичес­кой части лазерной головки. Для прочистки оптики надо сделать плот­ный тампон ваты на гибкой и немного чистого спирта.

Отключите CD-привод от сети 220 В. Снимите верхний кожух для обес­печения доступа к лазерной головке. Иногда бывает необходимо выдвинуть при­емный лоток дисков и в этом положении лотка вынуть сетевой шнур из розетки 220В, так как лазерная головка может находиться рядом с двигателем вращения под площадкой для дисков. В этом случае, вручную вращая шестеренку двигателя положения лазерной головки, необходимо выдвинуть ее в доступное для работы положение. Не рекомендуется протирать фокусирующую линзу сразу. Сначала необходимо сдуть с помощью резиновой «груши» находящуюся на ней пыль, тогда при­дется смывать меньше грязи и линза будет меньше царапаться образивными частицами. Намочив тампон спиртом, надо его отжать для удаления излишек жидкости. Протирать головку можно только легким прикосновением, стараясь не повредить пружины фокусирующего механизма. Сушить линзу следует также только с помощью «груши». Часто этого не­достаточно, так как пыль попадает не только на линзу, но и внутрь лазерной головки и на диоды.

При чистке диодов следует соблюдать особую осторожность. Сняв пластмас­совую защитную крышку лазерной головки, которая, как правило, нахо­дится на трех защелках в основании лазерной головки, чистку датчиков следует производить в той же пос­ледовательности. Сначала продувка резиновой «грушей», чи­стка маленьким тампоном ваты на гибкой палочке (можно использовать кусок толстой лески), а затем сушка. Для удобства чистки датчиков можно поднять фокусирующий механизм до нужного уровня, осторожно стараясь не повредить качающие пружины и обмот­ки катушек. Попутно можно убрать пыль с оси двига­теля привода и затем смазать подшипники часовым мас­лом, обмакнуть отвертку в масло, и дав слиться лишнему маслу, после чего поднести ее к оси и смазать под­шипник. Шестеренки механизма сдвига лазерной головки и направляющие движения лазерной головки смазывают маслом «силикон плюс тефлон», предваритель­но очистив их мягкой зубной щет­кой.

Если есть подозрение, что появившиеся проблемы связанны с работой системы ав­тофокусировки, то можно провести простую проверку: необходимо вставить диск и запустив накопитель убедиться в том, что оптическая головка совершает два или три вер­тикальных колебательных движения, а затем останавливается. Если такие перемещения отсутствуют, следует убедиться включен ли ла­зер.

Контроль работы механизма приво­да автофокусировки можно провести и без за­мены всего блока — достаточно измерить сопротивление катушки автофокусировки с помощью омметра. Обычно сопротивление катушки фокусировки составляет 20 Ом. Фактическое сопротивление катушек зависит от конкретного устройства. Ес­ли показания омметра указывают на обрыв или короткое замыкание цепи или сопротивление катушек значительно отличается от приведенных, можно предположить, что привод неисправен. Для некоторых лазерных приводов СD, при подсоединении омметра к катуш­кам, можно наблюдать слабое перемещение привода фокусировки, что говорит о его нормальной работе.

Если при исправной катушке привода проблема остается, то не­обходимо провести проверку схем автофокусировки. Если не перемещается привод фокусировки, то необходимо про­верить появление сигналов поиска фокусировки (FSR). Необходимо про­верить прохождение сигнала FSR в сервосхеме управления фокуси­ровкой и драйвере привода и наличие сигнала управления на ка­тушке фокусировки. Если привод перемещается, но фокусировка не обеспечивается, следует проверить сигнал FOK на выходе детекто­ра точной фокусировки и прохождение этого сигнала на соответст­вующий вывод так как при отсутствии FOK-сигналов вы­ключается вся система). Далее необходимо убедиться в исправности фотоприемников (A — D), для чего проконтролировать EFM-сигнал на выходе микро­схемы предварительного усилителя-формирователя сигналов фото­датчиков. Если сигнал нормальный, можно утверждать, что все четыре фотодатчика (A — D) исправны. Генерация сигналов FOK возможна, только после поступления на схему детектора точной фокусировки сигнала на включение лазера LDON.

На рис. 1 схематично показан принцип действия систе­мы автофокусировки лазерного луча. Как известно, после загрузки и старта CD сразу же начинается поиск фокуса — в соответствии с максимальным выходным уровнем ВЧ-сигнала EFM с фотодетекторной матрицы (A — D) и минимальным сигналом ошиб­ки фокусировки FE с помощью детектора точной фокусировки и де­тектора прохождения нуля FZC определяется оптимальный диапа­зон фокусирования.

В момент старта системы лазерный луч должен быть сфокусиро­ван на информационной поверхности CD даже вопреки неопреде­ленному положению покоя лазерного звукоснимателя. Инициали­зация поиска фокуса происходит в этом случае посредством выработки корректирующих сигналов FSR, ко­торые обеспечивают многократное (2 или 3 раза) перемещение фо­кусной линзы, необходимое для точной фокусировки луча на дорож­ку диска. При установлении фокуса вырабатывается сигнал FOK.

Если после двух — трех попыток сигнал FOK не наблюдается, то выключается система, приостанавливается чтение с диска (вращательный столик останавливается, а оптическая головка переме­щается к внутренней границе диска. При отсутствии диска в рабо­чем положении не будет и сигнала EFM, и сигнала FOK, являю­щегося в данном случае сигналом обнаружения диска. Только когда имеются пра­вильные сигналы со схем автофокусировки, сервосистема управления вращением диска включает режим ус­корения.

Рис. 1. Принципы построения системы автофокусировки привода CD

Фокусная и тракин-катушки входят в состав исполнительного механизма оптической головки. Эти катушки являются приводом линзы объек­тива в вертикальной и горизонтальной плоско­стях. Проверить тракин-катушки можно также мультиметром. Тракин-катушка имеет несколько меньшее сопротивление, чем фокусная, но не менее 2 Ом (все зависит от кон­кретного оптического преобразователя). Для проверки катушек можно использовать батарейку 1,5 В. При проверке фокусной катушки линза объектива должна перемещаться вверх-вниз при смене полярности батарейки, а при про­верке тракин-катушки линза должна перемещать­ся в горизонтальной плоскости.Оптический преобразователь дорогостоящая часть устройства и в случае обрыва какой-либо из катушек не сле­дует его сразу покупать. Обрыв цепи может произойти вследствии некачественной пайки выводов катушек. Для этого необходимо произвести разборку оп­тического блока (если это возможно) и убедиться в отсутствии дефектов в местах пайки выводов и необходимо обратить внимание на соединительные шлей­фы. При проведении такого ремонта нужно помнить, что лазерный диод «боится» статического электричества.

Стабильное излучение лазерного диода возмож­но только при определенном рабочем токе, величи­на которого лежит в пределах 40. 90 мА и может колебаться в пределах ±6-8%. Интенсивность из­лучения сильно зависит от температуры окружаю­щей среды и от величины рабочего тока, поэтому даже незначительное на первый взгляд превыше­ние рабочего тока приводит к быстрому выходу из строя лазерного диода. Фирмы-изготовители оп­тических преобразователей на этикетке рядом с названием модели указывают номинальный рабо­чий ток ILD, величина которого равна последнему трехзначному числу деленному на 10. Например, на этикетке опти­ческого блока KSS213B, используемого многими фирмами в своих CD-проигрывателях содержится следующая информация: KSS213B 19638 KN474. Рабочий ток для данного ILD равен 474/10 = 47,4 мА. Мощность излучения лазерного диода контро­лируется монитор-фотодиодом и поддерживается на постоянном уровне цепями автоматического управления мощностью(в принципиаль­ных схемах встречается также аббревиатура ALPC — Automatic Laser Power Control).

Часть излучения лазерного диода (LD) попадает на монитор-фотодиод (MD), который преобразует излуче­ние в электрический сигнал (рис. 2).

Рис. 2. Пример принципиальной схемы автоматического управления мощностью ILD

(LDON — команда включения цепей АРС, LD — выход цепей управления мощностью лазерного диода, LPD — вход сигнала монитор-фотодиода).

При увеличении тока лазерного диода будет уве­личиваться интенсивность его излучения, в резуль­тате этого будет увеличиваться ток через монитор-фотодиод. При этом цепи АРС будут подзапирать транзистор Q101, задающий рабочий ток ILD. При уменьшении интенсивности излучения произойдет обратный процесс. Транзистор, задающий рабочий ток, в принципиальных схемах обычно называется лазер-драйвер или для него используют назва­ние LASER POWER CONTROL.

При выполнении ремонтных работ, измерение рабочего тока ла­зерного диода производится косвенным образом путем изме­рения падения напряжения на резисторе в цепи эмиттера лазер-драйвера (резис­тор R101 номиналом 12 Ом). Зная номинал этого резистора, легко вычислить рабочий ток ILD (I=U/R). Фир­мы-производители рекомендуют следующий порядок проведения измерения:

— отключить устройство от электропитания;

— подключить мультиметр к резистору в цепи эмиттера лазер-драйвера;

— включить устройство и произвести измерение;

— отключить устройство, отключить мультиметр, произ­вести подсчет рабочего тока ILD по падению на­пряжения на резисторе и сравнить его с номи­нальным током, указанном на этикетке.

Падение напряжения на резисторе, деленное на номинал этого резистора, должно соответствовать току 47,4 мА ±6%.

Вообще при ремонте лазерных устройств необходимо строго соблюдать правила техники безопасности ведь луч лазера может вызвать повреждение глаз или ожег кожи (луч лазера в современных устройствах невиден для глаз). Кроме того, лазер создает сильное электромагнитное излучение, которое не опасно для человека, но оказывает сильное воздействие на ручные часы, магнитные носители и т. д. При работе с блоком оптического преобразова­теля необходимо особенно строго соблюдать меры предосторожно­сти. Замена оптического преобразователя выполняется следующим способом:

— отжать фиксаторы и снять первую шестерню (есть CD-механизмы, у которого шестерни привода крепятся винтами, а у современных моделей их крепление обычно осуществля­ется фиксаторами-защелками);

— снять вторую шестерню;

— отжать фиксаторы, выдвинуть направляющую до полного ос­вобождения оптического блока и снять оптичес­кий блок;

— установить новый оптический преобразователь, установить направляющую на прежнее место;

— установить шестерни привода.

Для предотвращения выхода из строя лазерного диода при транспортировке, фирмы-изготовители закорачивают выводы лазерного диода каплей при­поя. После установки оптического преобразователя и подключения разъема необходимо удалить при­пой в месте закорачивания выводов. Точка, в кото­рой необходимо удалить припой, указывается в пас­порте оптического преобразователя.

Лазер своими руками

Каждый из нас держал в руках лазерную указку. Несмотря на декоративность применения, в ней находится самый настоящий лазер, собранный на основе полупроводникового диода. Такие же элементы устанавливаются на лазерных уровнях и дальномерах.

Следующее популярное изделие, собранное на полупроводнике – записывающий DVD привод вашего компьютера. В нем установлен более мощный лазерный диод, обладающей термической разрушительной силой.

Это позволяет прожигать слой диска, нанося на него дорожки с цифровой информацией.

Как работает полупроводниковый лазер?

Устройства подобного типа недорогие в производстве, конструкция достаточно массовая. Принцип лазерных (полупроводниковых) диодов основан на использовании классического p-n перехода. Работает такой переход, как и в обычных светодиодах.

Разница в организации излучения: светодиоды излучают «спонтанно», а лазерные диоды «вынужденно».

Общий принцип формирования так называемой «заселенности» квантового излучения выполняется без зеркал. Края кристалла скалываются механическим путем, обеспечивая эффект преломления на торцах, сродни зеркальной поверхности.

Для получения различного типа излучения может использоваться «гомопереход», когда оба полупроводника одинаковые, или «гетеропереход», с разными материалами перехода.

Собственно лазерный диод является доступной радиодеталью. Его можно купить в магазинах, торгующих радиодеталями, а можно извлечь из старого привода DVD-R (DVD-RW).

Важно! Даже простой лазер, используемый в световых указках, может серьезно повредить сетчатку глаза.

Более мощные установки, с прожигающим лучом, могут лишить зрения или нанести ожоги кожного покрова. Поэтому при работе с подобными устройствами, соблюдайте предельную осторожность.

Имея в распоряжении такой диод, вы сможете легко изготовить мощный лазер своими руками. Фактически, изделие может быть вовсе бесплатным, или обойдется вам за смешные деньги.

Принцип работы

Лазерный диод является дальнейшим развитием обычного светоизлучающего диода (или светодиода, или LED). Термин «laser» на самом деле является акронимом, несмотря на то, что он часто пишется строчными буквами. «Laser» означает «Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation» (усиление света посредством вынужденного излучения) и относится к другому странному квантовому процессу, при котором характерный свет, излучаемый электронами, спускающимися в материале с высокоуровневых на низкоуровневые энергетические состояния, стимулирует другие электроны делать сходные «прыжки», результатом чего является синхронизированный вывод света из материала. Эта синхронизация распространяется на фазу излучаемого света, так что все световые волны, излучаемые «лазерным» материалом, имеют не только одинаковую частоту (цвет), но и одинаковую фазу, так что они усиливают друг друга и способны распространяться по очень узко ограниченному, недисперсионному лучу. Именно поэтому лазерный свет остается настолько заметно сфокусированным на больших расстояниях: каждая световая волна находится очень близко от другой.

Белый свет состоит из множества волн с разными длинами. Свет монохромного светодиода с одной длиной волны. Фазово-когерентный лазерный свет. Лампы производят «белый» (из смешанных частот, или из смешанных цветов) свет, как на рисунке выше. Обычные светодиоды производят монохроматический свет: одна частота (цвет), но разные фазы, что приводит к аналогичной дисперсии на рисунке выше.

Лазерные светодиоды производят когерентный свет: свет и монохроматический (одноцветный) и монофазный (однофазный), что приводит к точному ограничению луча, как на рисунке выше. В современно мире лазерный свет находит широкое применение: от геодезии, где прямой и недисперсионный световой луч очень полезен для точного прицеливания измерительных маркеров, до считывания и записи оптических дисков, где только узкий сфокусированный лазерный луч способен нацеливаться на микроскопические «ямы» на поверхности диска, содержащие двоичные единицы и нули цифровой информации.

Таблица доступных длин волн и мощностей лазерных диодов.

Для некоторых лазерных светодиодов требуются специальные мощные «импульсные» схемы для подачи больших величин напряжения и тока во время коротких вспышек. Другие лазерные светодиоды при меньшей мощности могут работать непрерывно. В непрерывном лазере лазерное воздействие происходит только в пределах определенного диапазона токов через диод, что требует какой-то схемы регулирования тока. С возрастом лазерных светодиодов потребляемая ими мощность может меняться (для обеспечения такой же выходной мощности может потребоваться больший ток), но следует помнить, что маломощные светодиоды, как и обычные светодиоды, являются довольно долговечными устройствами с типовым сроком службы в десятки тысяч часов.

Три одинаковых лазерных диода с разных сторон.

Несколько десятилетий яркий лазерный свет украшал концерты, спортивные мероприятия и прочие шоу. Между тем за картинкой зрелищ всегда оставались технологические ограничения. Лазерный луч обладал 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. 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.

Будет интересно➡ Что такое полевые транзисторы?

Лазер своими руками из ДВД привода

Для начала, необходимо раздобыть сам привод. Его можно снять со старого компьютера или приобрести на барахолке за символическую стоимость.

Информация: Чем выше заявленная скорость записи, тем более мощный прожигающий лазер применяется в приводе.

Сняв корпус, и отсоединив управляющие шлейфы, демонтируем пишущую головку вместе с кареткой.

Порядок извлечения лазерного диода:

1. Соединяем ножки диода между собой с помощью проволоки (шунтируем). При демонтаже может накопиться статическое электричество, и диод может выйти из строя
2. Удаляем алюминиевый радиатор. Он достаточно хрупкий, имеет крепление, конструктивно «заточенное» под конкретный ДВД привод, и при дальнейшей эксплуатации не нужен. Просто перекусываем радиатор кусачками (не повреждая диод)
3. Выпаиваем диод, освобождаем ножки от шунта.

Популярное: Курвиметр что это такое и для чего он нужен?

Элемент выглядит так:

Следующий важный элемент – схема питания лазера. Использовать блок питания из DVD привода не получится. Он интегрирован в общую схему управления, извлечь его оттуда технически невозможно. Поэтому изготавливаем питающую схему самостоятельно.

Есть соблазн просто подключить 5 вольт с ограничительным резистором, и не мучиться со схемой. Это неверный подход, поскольку любые светодиоды (в том числе и лазерные) питаются не напряжением, а током. Соответственно нужен токовый стабилизатор. Самый доступный вариант – использование микросхемы LM317.

Выходной резистор R1 подбирается в соответствии с током питания лазерного диода. В данной схеме ток должен соответствовать 200 мА.

Собрать лазер своими руками можно в корпусе от световой указки, либо приобрести готовый модуль для лазера в магазинах электроники или на китайских сайтах (например, Али Экспресс).

Преимущество такого решения – вы получаете готовую регулируемую линзу в комплекте. Схема блока питания (драйвер) легко умещается в корпусе модуля.

Если вы решили изготовить корпус самостоятельно, из какой-нибудь металлической трубки – можно использовать штатную линзу от того же привода DVD. Только надо будет придумать способ крепления, и возможность юстировки фокуса.

Важно! Фокусировать луч необходимо при любой конструкции. Он может быть параллельным (если нужна дальность) или конусообразным (при необходимости получить концентрированное термическое пятно).

Линза в комплекте с регулирующим устройством именуется коллиматором.

Чтобы правильно подключить лазер из двд привода, нужна схема контактов. Вы можете отследить минусовой и плюсовой провод по маркировке, на монтажной плате. Сделать это нужно перед демонтажем диода. Если такой возможности нет – воспользуйтесь типовой подсказкой:

Минусовой контакт имеет электрическую связь с корпусом диода. Найти его не составит труда. Относительно минуса, расположенного внизу, плюсовой контакт будет справа.

Если у вас трехножечный лазерный диод (а таких большинство), слева будет или неиспользуемый контакт, или подключение фотодиода. Так бывает, если в одном корпусе расположен и прожигающий и считывающий элемент.

Основной корпус подбирается исходя из размера батареек или аккумуляторов, которые вы планируете использовать. В него аккуратно закрепите свой самодельный лазерный модуль, и прибор готов к применению.

С помощью такого инструмента можно заниматься гравировкой, выжиганием по дереву, раскроем легкоплавких материалов (ткань, картон, фетр, пенопласт и пр.).

Популярное: Насадка на дрель для резки металла – механизируем непростую операцию

Суть и практика 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 устройства

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. Однако, как только электрическая мощность достигает порога плотности, равного примерно 4 кВт/см2, 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.

Блок лазерного диода.

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/см2. 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/см2.

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/см2, светодиоды становятся менее эффективными по сравнению с диодными лазерами. Эта разница производительности увеличивается пропорционально с уровнем мощности.

Инфракрасный лазерный диод.

Эффективность устройства

Исходящий лазерный луч формирует конус излучения всего лишь в 1º — 2º по сравнению с конусом светового излучения светодиода в 90º. Форма излучения двух разных типов диодов. Слева обычные светодиоды, справа модификация с лазерным излучением. Разница в характеристике формы луча очевидна. 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. 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! 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, разработала подходящую автомобильную фару. Автомобильная фара сочетает в конструкции широкоугольный светодиодный люминофор с узко-угольной дальнобойной лазерной подсветкой. Световая масса такой подсветки пробивает расстояние до 600 метров. Готовый 7-миллиметровый квадратный модуль содержит:

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

Будет интересно➡ Что такое динистор?

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

Лазерный диод: зажечь и не сжечь

Лазерный диод — это на самом деле вон та тоненькая палочка, к которой тянутся золотые провода. Маленький кубик левее — защитный диод, спасающий лазерный диод от импульсов обратного напряжения

Радиолюбители часто пытаются с той или иной степенью успешности использовать в своих конструкциях полупроводниковые лазерные излучатели видимого и ИК спектра. Лазерный диод внешне кажется довольно простым полупроводниковым прибором. Ему не нужно ни высоких напряжений, ни колоссальных токов. Он на первый взгляд похож на светодиод: пропустил через него ток — получил на выходе излучение. Тем не менее, в использовании полупроводниковых лазеров кроется некоторое количество подводных камней, игнорирование которых ведет прежде всего к снижению их надежности, к быстрой деградации выходной мощности и качества пучка, а нередко и к мгновенному выходу из строя еще до первого включения. В этой статье я хотел бы обратить на эти подводные камни внимание.

Почти светодиод

Структура лазерного диода напоминает обычный светодиод, и в сущности им же и является. Двойная гетероструктура, гетероструктура с квантовыми ямами и квантовыми точками — все эти типы светоизлучающих полупроводниковых структур применяются и в современных высокоэффективных светодиодах. Задачи у этих структур в светодиоде и лазере отличаются: в первом нужно за счет рекомбинации получить излучение само по себе, во втором — инверсную заселенность, превращающую полупроводник в активную среду, усиливающую свет. Тем не менее, решаются они почти одинаково. Первые полупроводниковые лазеры, созданные в 1962 году американцами Робертом Холлом и Ником Холоньяком и советскими учеными Николаем Басовым, Олегом Крохиным и Юрием Поповым, были сделаны на основе обычного pn-перехода на арсениде галлия, излучающего свет в ближней инфракрасной области, и на арсениде-фосфиде галлия — видимый красный свет. Из-за низкой эффективности такие лазеры работали лишь при чудовищной плотности тока, только в импульсном режиме и при охлаждении до криогенных температур, что не только спасало кристалл от расплавления, но и повышало эффективность преобразования энергии тока в энергию возбужденных состояний и удлиняло время их жизни, что облегчало получение инверсной заселенности.

На этом рисунке (из Нобелевской лекции Жореса Алферова) приведен пример схемы строения активной зоны типичного современного лазерного диода, включающего квантовую яму из нелегированного высокоомного арсенида галлия и гетероструктурную сверхрешетку из тончайших (доли нанометра) слоев полупроводников с различной шириной запрещенной зоны, а также слои с более высоким показателем преломления, обеспечивающие удержание света в активной зоне.

А чтобы превратить светодиод в лазер, не хватает самой малости. Имя ей —

Оптический резонатор

Размеры активной зоны на основе полупроводникового кристалла чрезвычайно малы и встроить его в традиционный оптический резонатор из зеркал и линз было бы очень сложно, а еще сложнее — отъюстировать эту оптическую схему. Тем не менее, первый лазерный диод был создан практически сразу же после изобретения светодиода, и помогло в этом полезное свойство кристаллов арсенида галлия — совершенная спайность. Этим понятием называют способность некоторых кристаллов легко раскалываться по параллельным плоскостям, совпадающим с определенными кристаллографическими гранями. Если кристалл совершенен, имеет низкую плотность дислокаций и лишен блочного, мозаичного строения, эти сколы совершенно плоски, атомно гладки (за исключением отдельных ступеней) и абсолютно параллельны друг другу. А в силу высокого показателя преломления эти грани хорошо отражают свет. Эти два параллельных скола, перпендикулярные плоскости активной зоны диода, и образуют резонатор. Оптические свойства двойной гетероструктуры, являющейся по сути волноводом, способствуют снижению потерь света в резонаторе. В современных лазерных диодах волновод формируют в кристалле умышленно, вводя дополнительные слои с более высоким показателем преломления относительно активного слоя.

В типичном лазерном диоде толщина активной зоны, в которой происходит генерация света, лежит в субмикронной области. А ее ширина может составлять от единиц микрон в маломощных (от долей милливатта до 100-200 мВт) одномодовых лазерах, до 250-1000 мкм в многомодовых излучателях с выходной мощностью, достигающей десятка ватт. И на выходе из кристалла, на зеркале резонатора, плотность мощности достигает чудовищных значений. Даже в обычной лазерной указке, при выходной мощности 1-5 мВт это свыше 100 кВт/см 2 , а в более мощных лазерных диодах плотность излучения может превышать 20МВт/см 2 . При такой облученности легко испаряется и превращается в плазму сталь, а грань кристалла выдерживает ее исключительно в силу своего идеального совершенства, из-за которого световая энергия большей частью проходит через поверхность, не поглощаясь и не нагревая ее.

Катастрофа на зеркалах

Столь высокие уровни плотности излучения на зеркалах делают их чрезвычайно уязвимыми. Стоит возникнуть малейшему дефекту, нанощербинке размером в несколько параметров решетки,— буквально, сместиться нескольким атомам — и лучевая прочность зеркала резко упадет. Вырвать атом из атомно-гладкой поверхности сложно, его держат связи, образованные множеством других атомов, но стоит удалить один, соседние оторвать становится гораздо проще. Кроме того, дефект поглощает свет и греется, а его рост приводит к усилению нагрева, в результате чего он лавинообразно разрастается, превращаясь в кратер, перекрывающий значительную часть сечения пучка, а то и канал, уходящий вглубь кристалла и разрушающий, сплавляющий структуру активной зоны, и лазер выходит из строя, что проявляется скачкообразным прекращением генерации, а иногда — резким падением излучаемой мощности, при этом пучок становится неоднородным, пятнистым. Такой механизм называется катастрофическим оптическим повреждением (COD — Catastrophic optical damage).

Важно то, что для возникновения зародыша достаточно превышения мощности на несколько наносекунд. И раз начавшись, COD будет развиваться, даже если превышение допустимой мощности излучения не будет продолжаться, при номинальной и даже пониженной мощности.

Конечно, существуют и другие сценарии гибели лазерного диода — как в виде постепенной деградации, так и катастрофической — связанные с образованием скоплений дислокаций, так называемых «темных нитей» в толще активной зоны, с термодиффузионным «размытием» гетеропереходов, с термическим разрушением активной зоны протекающим через нее током. Но во многих случаях именно COD является лимитирующим фактором, определяющим «точку выхода из строя». Не в последнюю очередь это связано со скоростью его развития: кратковременный, наносекундной длительности, запредельный бросок излучаемой мощности может быть обусловлен переходными процессами при включении или выключении, и даже слабым разрядом статического электричества. Из-за этого лазерные диоды, особенно маломощные, являются одними из наиболее подверженных статическому электричеству компонентов.

И способствует этому еще одно свойство лазерных диодов.

Дважды нелинейность

И начинающему радиолюбителю известно, что светодиод нельзя подключать к источнику напряжения. Крутая прямая ветвь ВАХ приводит к резким изменениям тока при небольших колебаниях напряжения, изменениях температуры, в том числе и при саморазогреве. ВАХ лазерного диода совершенно аналогична, но это усугубляется тем, что зависимость выходной мощности от тока тоже очень напоминает прямую ветвь ВАХ: до определенного порогового тока выходная мощность очень мала (лазерный диод светится, как светодиод, генерации нет), а после его достижения выходная мощность стремительно растет, взлетая от нуля до максимально допустимой мощности при изменении тока на 20-30%. А если это помножить на крутизну ВАХ, окажется, что росту мощности от нуля до предельно допустимой величины зачастую соответствует изменение напряжения на единицы процентов!

Ну хорошо, никто не будет питать лазерный диод прямо от батарейки. Даже в дешевой китайской указке он будет включен через резистор, а в любой серьезной конструкции для его питания будет предусмотрен стабилизатор тока. Но является ли такой стабилизатор на самом деле источником тока, или это источник напряжения, которое с помощью цепи обратной связи регулируется так, чтобы поддерживать ток неизменным?

Какая разница? — спросите вы. А вот какая. Если мы возьмем операционный усилитель и охватим его обратной связью по напряжению на токоизмерительном резисторе, мы получим, казалось бы, практически идеальный источник тока. Но на самом деле выход ОУ — это источник напряжения. И источником тока его делает активная работа ОУ. Как только ОУ не успевает — источник тока перестает быть таковым. В частности, когда эту схему включают, на фронте может образоваться выброс, и это будет выброс напряжения. Соответствующий ему бросок тока на нелинейной нагрузке окажется значительно выше, не говоря уже о выбросе излучаемой лазером мощности.

Температура

Не следует забывать о том, что у лазерного диода выходная мощность зависит не только от тока, но и от температуры. Причем, она может неожиданно сильно вырасти при ее понижении, если мы не снизим при этом ток! При падении температуры падает и пороговый ток — в среднем на 1,5% на °С, а вместе с ним ампер-ваттная характеристика смещается влево параллельно самой себе, — так что падение температуры с 25 до -5°С эквивалентно увеличению тока в полтора раза. Чтобы снизить нестабильность выходной мощности и избежать выхода лазера из строя при снижении температуры, нужно либо вводить термокомпенсацию, либо воспользоваться встроенным в корпус излучателя фотодиодом для стабилизации выходной мощности. При этом нужно учитывать, что большинство производителей лазерных диодов никак не нормируют и не гарантируют ни характеристики этого фотодиода, ни его стабильность.

Есть еще другой путь — термостатирование. Обычно его делают с помощью маленькой термоэлектрической батареи-холодильника, встраиваемой непосредственно в корпус лазерного диода вместе с терморезистором. Так поступают обычно в том случае, если нужно стабилизировать не только мощность, но и длину волны излучения, которая тоже зависит от температуры (например, это важно при накачке неодим-ванадат-иттриевого лазера — полоса возбуждения узкая, а у лазерного диода на 808 нм в диапазоне 0-30°С длина волны «уходит» на 10 нм), а также когда имеют дело с мощными лазерами, когда сложно организовать обратную связь по излучению, да и снизить рабочую температуру полезно — и для срока службы, и для КПД.

Как бороться?

Цепь защиты ЛД, срисованная с внутренностей одного из научных приборов, который мне приходилось ковырять. Лазерный диод, к которому наглухо припаяна эта схема, можно спокойно отключить от драйвера, не боясь, что в висящий в воздухе разъем прилетит статика.

Какой же выход? Проектировать драйвер таким образом, чтобы избежать бросков напряжения, тока накачки и, следовательно, мощности. Запирать выход на время переходных процессов при включении (например, закорачивая лазерный диод нормально замкнутым ключом), при возможности, если не нужна быстрая модуляция излучения, организовывать плавный старт, вводить балластное сопротивление между выходом драйвера и лазерным диодом, либо элементы, замедляющие нарастание напряжения на нем и тока — RC-цепочку, последовательную индуктивность. Если нужно запустить лазерный диод на столе, от лабораторного БП — следует включить последовательно с ним балластное сопротивление на 10-100 Ом (в зависимости от рабочего тока излучателя), а параллельно диоду — малоиндуктивный конденсатор на 0,01 мкФ. Удобно также ввести в эту цепь резистор на 1 или 10 Ом для измерения тока, протекающего в цепи. При этом недопустимо подключать эту схему к уже включенному блоку питания. Сначала следует вывести напряжение в ноль, а затем плавно, контролируя ток в цепи и выходное излучение, поднять напряжение сначала до порога генерации, а затем до достижения нужной выходной мощности. Выключаем в обратном порядке. При этом нужно убедиться в том, что регуляторы ЛБП не дают «шорохов» при регулировании. В этом смысле лучше подходят цифровые программируемые ЛБП, но и их надо проверять на наличие «иголок» при переходе на следующий уровень напряжения.

Важным моментом является и измерение выходной мощности. «На глаз» ее не определишь, а ошибка приведет к тому, что лазерный диод быстро, за несколько часов или дней, или даже моментально — придет в негодность. Существуют специальные измерители мощности лазерного излучения — от старого советского ИМО-2Н — хорошего, точного, но чересчур громоздкого, до современных приборов различных производителей, цена которых вызывает в памяти отрывок из известной книги для начинающих радиолюбителей:

Н. — Просто чудесное устройство. Я немедленно куплю себе стробоскопический осциллограф.

Л. — Я советую тебе несколько повременить, потому что сейчас такой осциллограф стоит в 2–3 раза дороже спортивного автомобиля.

Н. — Пока я довольствуюсь самой маленькой микролитражкой и поэтому немного подожду.

Впрочем, сделать, а главное — откалибровать подобный измеритель в домашних условиях не составляет большого труда. Его основа — обыкновенный элемент Пельтье. Его нужно закрепить на радиаторе, зачернить поверхность, на которую будет падать излучение, и подключить к хорошему милливольтметру. Для калибровки к чувствительной поверхности временно приклеиваются несколько SMD-резисторов, через которые пропускается известный ток, и строится градуировочная зависимость термо-ЭДС от мощности, рассеиваемой на них. Но это тема отдельной статьи. А из промышленных приборов самым доступным, пожалуй, является Sanwa LP1, сделанный на базе фотодиода и по этой причине требующий обязательного введения поправки, зависящей от длины волны излучения. Его предельная измеряемая мощность невысока — 40 мВт. С другой стороны, самодельный измеритель на базе элемента Пельтье начинает хорошо работать при падающей мощности не менее пары-тройки десятков милливатт.

И последнее: я выше упоминал, что лазерные диоды — одни из самых чувствительных к статическому электричеству приборов. Импульс тока при статическом разряде — короткий, десятки наносекунд, но в пике может достигать десятков и сотен миллиампер. Так, при статическом потенциале всего 30 В на человеческом теле он в неблагоприятных условиях (влажные руки) доходит до 50-60 мА, чего достаточно для надежного вывода из строя пятимилливаттных лазеров с рабочим током в 20-30 мА. Потенциала в 200-300 В хватает, чтобы спалить таким путем и лазер из DVD-RW привода. Наличие COD-механизма воздействия статики не отменяет чувствительности к электростатическим разрядам структуры, состоящей из множества слоев, среди которых есть слои толщиной в единицы нанометров. Поэтому храним ЛД в антистатической таре — проводящей пене, фольге и т.п., перед монтажом — перемыкаем выводы проволочкой, пользуемся только заземленным паяльником и т.п.

Немного практических схем

Простая схема драйвера для лазерных диодов, стабилизирующего ток, была опубликована в журнале «Радио», 1986, №11, с. 61 в статье об использовании лазерных диодов серии ИЛПН. Я привожу эту схему так, как она опубликована и скажу лишь то, что она легко адаптируются к современным ОУ, в том числе с однополярным питанием. Здесь хорошо работает, например, мой любимый ОУ AD8605. Приведенная там же схема драйвера со стабилизацией выходной мощности рассчитана на подключение внешнего фотодиода (встроенные в лазерные диоды фотодиоды имеют, как правило, один общий вывод с лазерным диодом) и, по-видимому, содержит ошибки.

Существуют удобные, но к сожалению, дороговатые микросхемы серии iC-WK для построения драйверов лазерных диодов, требующие лишь нескольких внешних элементов и содержащие не только цепи стабилизации тока и мощности, но и цепи защиты от опасных импульсов. Схема позволяет подключать лазерные диоды с любой полярностью фотодиода относительно лазерного диода и обеспечивает ток до 350 мА при напряжении питания от 3 до 15 В.

Другая известная микросхема интегрированного драйвера ЛД — MAX3263, ориентированная на передачу данных по оптоволоконным линиям, но также позволяющая стабилизировать ток и мощность для любых целей. К подобным узкоспециализированным микросхемам можно отнести и 65ALS543, применяемую в лазерных принтерах. Впрочем, последний прибор может быть целесообразно применить, если вы решите применить лазер для, например, экспонирования фоторезиста, так как он, наряду с поддержанием постоянной мощности, позволяет быстро включать-выключать излучение. Есть хорошая статья о работе этой микросхемы, опубликованная на сайте технического журнала для сотрудников сервисных служб «Мир периферийных устройств ПК» http://www.mirpu.ru/print/38-laserprint/127-micro65als543.html. Ниже — типичная схема включения этой микросхемы.

Кстати, примененные здесь и в iC-WK выходные каскады, построенные, как токовое зеркало, устраняют вышеописанное поведение источников тока во время переходных процессов, как источников напряжения, повышая надежность лазера, в том числе в процессе быстрой модуляции излучения.

Не у всех лазерных диодов «живучесть» ограничивается выходной мощностью. Некоторые диодные лазеры обладают столь малой дифференциальной эффективностью (наклоном ампер-ваттной характеристики), что они не достигают порога COD раньше, чем выйдут из строя от перегрева слишком большим током. Таковы многие зеленые лазерные диоды на 520 нм, некоторые мощные синие лазерные диоды. В меньшей степени подвержены COD из-за большой площади зеркал резонатора и VCSEL лазеры. Но у большинства распространенных типов полупроводниковых лазеров именно выходная оптическая мощность ограничивает область безопасной работы в непрерывном режиме.

Как проверить причину не работы лазера

А на платку?
Так Вы с основной платы и так должны подавать 12 В
Я же и говорил, что проверить.
Ребятам я так и посоветовал.
Если с основной платы выходит 12В надо идти дальше по цепи.

gosha66

gosha66

СКАЗАЛ ТУТ НЕМНОГО

• 14.02.2019

• #17

Андрей

Андрей

МЕСТНЫЙ

• 14.02.2019

• #18

gosha66 , не очень понял
откуда 0-3 и где?
По порядку пойдем
1. Если послать команду с платы "РАБОТА" (ну или подайте на вход 12В (только не на лазер, а на разъем, который подключаете на основную плату)

Что получаем?
"слабое свечение" ?
а с контролера (тот что на лазере) сколько выходит ? (должно быть +5)

gosha66

gosha66

СКАЗАЛ ТУТ НЕМНОГО

• 14.02.2019

• #19

master-irk

master-irk

МЕСТНЫЙ

• 18.02.2019

• #20

Pasnik

Pasnik

МЕСТНЫЙ

• 15.03.2019
• Последнее редактирование: 15.03.2019

• #21

Здрасте всем!
Такая же проблема возникла. Я не одинок в этом мире
Приобрёл лазерный наборчик для гравировки.
405nm 300 МВт 12 В
Не продержался и двух дней как прибыл. Проработал очень мало. Но ярко.
Во время прожига резко потускнел и всё.
Светил как обычный маломощный светодиодик.

Позже вообще потух и всё. ни каких признаков жизни.
питание либо от сети. либо от платы управления CNC. (Дятел 3.2А прошивка grbl1.1)
(есть в придачу дополнительный кабель под 3pin разъём.) Так же плата driver board
Вот тут здаётся мне, что я, что-то не так делал.
От платы станка, через кабель в гнездо 12в. платы driver board.
От неё же запитан и кулер для охлаждения, тоже на 12в.
Но с платы управления станка при работе идёт прерывание напряжения вкл/выкл, черное/белое.
И на выходе ну ни как ровненькие 12в, максимально до 8-и смысл тогда кулера на радиаторе лазера?
При подключении от сетевого адаптера, 12в 1А, замерил выходное напряжение на лазерный диод.
получилось 6.2 в. без нагрузки. Но нет управления лазером (вкл/выкл) горит постоянно.
Если напряжение на driver board подаётся с платы управления, то соответственно от 2 до 8-и в. сила тока в пределах 150мВт.
Регулятора силы тока нет. Только напряжения.
Мне кажется, что были завышены параметры напряжения соответственно и тока, что привело к быстрому выходу из строя.
Так же при осмотре самого коллиматора, диод в нём просто болтался как. в прорубе. без термопасты.
Возможен и перегрев.

Всё, что успел на нем, протестить. так вот это —
А закончилась эпопея выжигания, банально, на китайских палочках ) —

Теперь есть тема для анализа и поиска решения.
В тырнете всего полно, но не всё одинаково полезно, и не всё грамотно..
по типу йогуртов 😉

Отправлен запрос продавцу, и видео проблемы, обещал прислать замену.
Но я на всякий случай уже выковырнул из DVD привода сам диод. ежели, что,
буду уже его ставить для продолжения банкета по тестированию гравировки.

Надо разобраться, что к чему и какие бывают засады, что бы потом уже на дорогостоящие вещи тратить деньги.