Диоды и их разновидности

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.

Классификация драйверов

На данный момент существует два основных типа драйверов, которые можно подключить к нашему полупроводнику:

импульсный драйвер. Представляет собой частный случай преобразователя напряжения импульсного характера. Он может быть как понижающим, так и повышающим. У них входная мощность приблизительно равна выходной. При этом имеется незначительное преобразование энергии в тепло. Упрощенная схема импульсного драйвера имеет следующий вид;

Упрощенная схема импульсного драйвера

линейный драйвер. На такой драйвер схема обычно подает больше напряжения, чем требует полупроводник. Для его гашения необходим транзистор, который лишнюю энергию будет выделять с теплом. Такой драйвер имеет небольшой КПД, в связи с чем его используют крайне редко.

Схема линейного драйвера

В связи с тем, что питание любого лазерного диода может осуществляться через два разных типа драйверов, то схема подключения будет различаться.

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.

Как делают мощные лазерные светильники на диодах

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.

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.

READ  Технический и коммерческий учет электроэнергии: в чем разница?

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, компания «BMW» 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.

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

История лазерных диодов

Полупроводниковые или диодные лазеры очень важны для многих применений. В них используются не уровни, а энергетические состояния нелокализованных электронов. В твердых телах энергетические уровни электронов группируются в зоны. При температуре абсолютного нуля в полупроводниках, все имеющиеся уровни заполняют одну зону (валентная зона), а последующие свободные уровни группируются в другой зоне (зона проводимости), которая совершенно не заполнена и отделена от валентной зоны некоторым промежутком энергий, для которых нет состояний. Этот интервал называется запрещенной зоной (энергетической щелью). В этих условиях материал не может проводить ток и является изолятором.

Когда температура увеличивается и если зона проводимости расположена от валентной зоны не слишком высоко, термическое возбуждение достаточно, чтобы некоторые из электронов перескочили в зону проводимости. Поскольку там все уровни пустые, они способны обеспечить электрический ток. Однако из-за того, что их мало, величина тока невелика. Соответственно материал становится проводящим с плохой проводимостью, т.е. полупроводником. Электроны, которые способны поддерживать ток в зоне проводимости, оставляют вакантными состояния в валентной зоне. Эти вакантные состояния, которые называются дырками, ведут себя как положительно заряженные частицы и также участвуют в проводимости. В чистом полупроводнике термическое возбуждение производит электроны в зоне проводимости и дырки в валентной зоне в равных количествах.

Электроны и дырки, способные поддерживать ток, называются носителями. Если по какой-либо причине в зоне проводимости оказывается больше электронов, чем следует по статистике Максвелла-Больцмана, избыток электронов падает на вакантные энергетические уровни валентной зоны и таким образом возвращается в валентную зону и там исчезает дырка. То же самое происходит, если, наоборот, больше дырок присутствует в валентной зоне, чем допускается данной температурой. Этот процесс называется рекомбинацией двух носителей. Он происходит, давая энергию, соответствующую величине интервала между двумя зонами, которая проявляется либо в виде механических колебаний решетки, либо в виде испускания фотона. Переход называется излучательным, а энергия фотона соответствует разности энергий уровней в валентной зоне и в зоне проводимости, т.е., грубо говоря, равной энергии запрещенной зоны.

Некоторые полупроводники не вполне чистые. Примеси образуют энергетические уровни электронов внутри зон. Если эти дополнительные уровни находятся вблизи дна зоны проводимости, термическое возбуждение заставляет их электроны перепрыгнуть в зону проводимости, где они способны поддерживать электрический ток. Уровни примеси остаются пустыми и, поскольку они фиксированы в материале, не способны поддерживать ток. В этом случае единственными носителями тока являются электроны в зоне проводимости, и полупроводник называется допированным n-типом («n» напоминает, что проводимость обеспечивается отрицательными зарядами).

Наоборот, если уровни примеси располагаются вблизи верха валентной зоны, термическое возбуждение заставляет электроны из валентной зоны перепрыгнуть на эти примесные уровни, образуя тем самым дырки, которые способны поддерживать ток. Тогда полупроводник называется p-типом («p» — для положительного заряда). Возможно так допировать полупроводник, что получаются области как p-типа, так и n-типа с узкой промежуточной областью между ними. Этот промежуток между различными областями называется p-n-переходом. Если заставить ток протекать через этот переход, делая n область отрицательной и p область положительной, электроны инжектируются в этот переход. На основе этого свойства были изобретены в конце 1940-х гг. транзисторы, вызвавшие революцию в мире электроники.

Лазерные диоды с подключениями.

Первый вариант сборки

В данной ситуации необходимо использовать следующую схему сборки устройства на основе лазерного диода, извлеченного из DVD-RW привода.

Схема сборки

Минусом такой схемы является наличие ситуации проседания напряжения аккумулятора в момент разрядки, что вызывает линейное падение степени яркости лазера.
Чтобы собрать лазерную установку по приведенной схеме, нужен не только диод, но и конденсаторы с любым напряжением (от 3В). На схеме они отмечен значком C1 и С2. Емкость первого конденсатора должна быть 0,1 мкФ, а второго – 100 мкФ. Они защитят диод от статического электричества, а также обеспечат плавный переход процессов. Когда конденсаторы были подсоединены к лазерному источнику света, с выводом можно будет снять проволоку. При соединении к диоду один из выводов на корпус будет подавать минус. В тоже время второй вывод будет плюсом, а третий – не применяется. Расположение плюсов достаточно хорошо показано на второй схеме, которая будет описана ниже.
Стоит знать, что на корпус некоторых диодов подается плюс (например, у 808нм лд). Для сдвоенных моделей характерно наличие среднего вывода для общего минуса (G), а крайний – C для питания DVD, CD, D.
Запитать такую схему можно от мобильного аккумулятора или 3 аккумулятора АА.

При этом ток также может иметь отличные значения. К примеру, при соответствующих скоростях записи DVD-RW привода, лазерный диод может иметь следующие значения таких параметров, как мощность и ток:

  • при скорости 16 мощность составит 200мВт, а ток — 250-260мА;
  • при скорости 18 мощность составит 200мВт, а ток — 300-350мА;
  • при скорости 20 мощность составит 270мВт, а ток — 400-450мА;
  • при скорости 22 мощность составит 300мВт, а ток — 450-500мА;
  • при скорости 24 мощность составит 300мВт, а ток — 450-500мА.

Инфракрасный диод

Инфракрасный диод CD-RW привода будет иметь мощность в 100-200мВт. Для сравнения, фиолетовый в BLU-RAY RW — от 60 до 150мВт, а в не пишущих моделях -15 мВт.Перед сборкой данной схемы, при использовании лазерного диода DVD привода, необходимо узнать, какое сопротивление требуется для резистора R1. Для этого можно использовать формулу R1=(Uвх.-Uпад.)/I , в которой:

  • Uвх. – напряжение, идущее от аккумулятора;
  • Uпад. — падение напряжения, которое принимает диод. Красный диод должен примерно иметь Uпад. равное 3 В. Такое напряжение пойдет для маломощного не пишущего DVD привода. Для инфракрасного диода Uпад. составит примерно 1,9 В, а для фиолетового или синего – 5,5 В и 4-4,4 В соответственно;
  • I — сила тока. Ее можно узнать из специальной таблицы.
READ  Гост 2.770-68 ескд. обозначения условные графические в схемах. элементы кинематики

При сборке лазера многие специалисты рекомендуют использовать резисторы большего сопротивления, чем получилось при расчетах. Это позволит защитить полупроводник от тока чрезмерного значения. Используя мультиметр, далее можно будет уменьшить сопротивление.

Поговорим о проигрывателе

Чтобы достать лазерный диод, взятый из DVD-RW привода, нужно аккуратно разобрать устройство. Для этого нужно понимать устройства привода. Он помещен в специальную металлический теплоотводящий корпус, который еще дополнительно помещен ещё в одну металлическую основу. От вас зависит, стоит ли вытаскивать прибор из такого корпуса или нет.

DVD-RW привод

Можно также оставить в корпусе радиатор, а вот основы извлечь. Это влияет на качество теплоотвода, который необходим для нашей лазерной установки. Некоторые специалисты утверждают, что когда лд питает неимпульсный ток, то для каретки не будет хватать созданного теплоотвода. Это утверждение будет правильным для определенных моделей привода, а также, если необходимо получить максимальную мощность.
В DVD-RW встроены два лазерных диода. Из них один является инфракрасным и используется для записи и проигрывания CD. А второй красного цвета и применяется проигрывания и записи DVD. Как видим, при желании можно изготовить своими руками целых два лазера.

В таких сборках нельзя одновременно подключать инфракрасный и красный диоды, если ток имеет большие значения.

Применение полупроводникового лазера

Пришло время узнать, где используются эти несложные, но очень полезные устройства. Мощные полупроводниковые лазеры, имеющие высокоэффективную электрическую накачку, при умеренном напряжении используют как средство подвода энергии твердотопливных лазеров. Они могут работать в широком диапазоне частот, включающем видимую, а также ближнюю и среднюю инфракрасные зоны спектра. Некоторые устройства способны менять частоту излучения. Полупроводниковый лазер, устройство которого мы сегодня узнали, может быстро модулировать и переключать оптическую мощность. Эта особенность используется в производстве передатчиков оптоволоконных линий.

Благодаря своим характеристикам, полупроводниковые лазеры на сегодняшний день являются самым важным классом квантовых генераторов.

Их используют в таких областях:

  1. Производство датчиков телеметрии, оптических высотомеров, прицелов, дальномеров, пирометров.
  2. Производство оптоволоконных систем, систем когерентной связи, а также систем для передачи и хранения данных.
  3. Охранные системы, квантовая криптография, автоматика.
  4. Производство видеопроекторов, лазерных принтеров, лазерных указателей, сканеров, проигрывателей компакт-дисков.
  5. Оптическая метрология и спектроскопия, хирургия, стоматология, косметология, терапия.
  6. Обработка материалов, очистка воды, контроль химических реакций.
  7. Промышленное машиностроение и промышленная сортировка.
  8. Производство систем зажигания и систем ПВО.

Принцип работы и особенности конструкции

Принцип работы лазерного диода основан на эффекте рекомбинации фотонов при прохождении p-n перехода. Если организовать достаточно продолжительное расположение электрона и дырки в непосредственной близости друг от друга, выделяется энергия, представленная фотоном. Подобный процесс, запущенный в стабильном режиме, вызовет появление постоянного свечения.

Основным элементом лазерного диода является полупроводниковый кристалл малой толщины с легированными слоями, образующими p и n области. При подаче напряжения на анод начинается активное выделение фотонов, что внешне определяется как устойчивое свечение.

Полупроводниковая пластинка (кристалл) имеет большую площадь по сравнению с толщиной. Фотон, проходя через нее, многократно отразится от верхнего и нижнего слоев, каждый раз вызывая образование новых фотонов. Этот процесс позволяет получить стабильный пучок света, который остается только сфокусировать с помощью линзы.

Как подключить

Особенностью лазерного диода является высокая потребность в стабилизированном напряжении питания. В момент перехода на кристалле наблюдается кратковременное увеличение мощности из-за малой площади, увеличивающей концентрацию энергии в данной точке. Это делает необходимым использование специального стабилизатора — драйвера.

Кроме того, напрямую к драйверу элемент тоже нельзя подключать — необходимо использовать токоизмерительный резистор, который включается в разрыв между лазером и драйвером. При этом исчезает электрическое соединение минуса питания с общим минусом схемы. Дополнительным недостатком является неизбежная потеря мощности на резисторе.

Источником тока для лазера могут
служить разные устройства:

  • батарейка;
  • аккумулятор;
  • сетевое напряжение 220 В через специальный блок
    питания.

Два первых варианта способны обеспечить достаточно стабильное напряжение питания, но оно постоянно уменьшается, что также недопустимо. Если используется блок питания стандартного типа, ситуация несколько улучшается, хотя в этом случае нужна качественная защита от пробоя или выхода блока из строя.

При таком подключении используют дополнительные схемы защиты и стабилизаторы, устраняющие всплески и помехи от сетевых скачков. Использование обычного диодного мостика в данном случае не подходит, так как через стандартные выпрямители проходит масса паразитных колебаний и помех.

Драйвер для лазерного диода      

Существует две основные конструкции драйверов для лазерного диода:

  • импульсный. Это одна из разновидностей
    импульсного преобразователя напряжения. Способен работать как на понижение, так
    и на повышение выходного напряжения относительно входного значения. Мощность на
    входе приближается к показателям на выходе, разница между ними образована
    некоторыми потерями на нагрев проводников;
  • линейный. Как правило, он получает от схемы
    большее напряжение, чем номинал полупроводника. Разницу обычно компенсируют с
    помощью транзистора, который излишки энергии отдает в виде тепла. КПД линейных
    драйверов невысок, что является причиной ограниченного применения.

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.

READ  Тормозные режимы асинхронных двигателей

Регистрация изображения на светочувствительных материалах

Получение изображения шрифтовых знаков, штриховых и полутоновых растровых изображений в некоторых формовыводных устройствах основано на фотографическом действии светового излучения на светочувствительный слой формного материала в течение экспонирования. Светочувствительный слой в основном состоит из микрокристаллов галогенида серебра, взвешенных в тонкой желатиновой пленке, нанесенной на какую­нибудь подложку, например на электрохимически зерненную и анодированную алюминиевую пластину. Микрокристаллы в слое тем крупнее, чем больше светочувствительность материала. С увеличением размеров микрокристаллов соответственно увеличивается толщина светочувствительного слоя и масса галогенида серебра, приходящаяся на единицу поверхности материала.

Галогенид серебра является полупроводником, в котором под действием света появляются свободные электроны — по одному на каждый поглощенный квант света. Эти электроны, соединяясь с ионами серебра, всегда имеющимися в междоузлиях кристаллической решетки, образуют атомы серебра. Соединение происходит на небольших дефектах решетки, которые называются центрами светочувствительности. Это процесс образования скрытого фотографического изображения. Затем светочувствительный слой подвергают фотохимической обработке: проявлению и фиксированию.

После химической обработки светочувствительный слой воспроизводит оптическое изображение в виде некоторого распределения оптической плотности D, которая определяется выражением:

D = lg (l/ρ) = –lgρ,

где ρ = Фρ/Ф0 — коэффициент отражения, характеризующий способность материала (изображения на непрозрачной основе) отражать падающий на него световой поток Ф0; Фρ  — световой поток, отраженный от материала.

Оптической плотности D = 0,05 соответствуют значения  ρ = 0,9; D = 1 — ρ = 0,1; D = 2 — ρ = 0,01 и т.д.

Зависимость оптической плотности D от экспозиции для данного светочувствительного слоя выражается характеристической кривой, которая представляет собой график зависимости D = f(lgH). Каждая характеристическая кривая выражает свойства конкретного фотослоя.

Оптическая плотность D0 химически обработанного светочувствительного слоя, не подвергаемого воздействию света, называется оптической плотностью вуали.

Световой поток, несущий изображение микроточки в формовыводных устройствах, попадает на светочувствительный слой. Оптическая плотность изображения на этом слое после его проявления будет тем больше, чем больше экспозиция.

На характер распределения оптической плотности D в сфокусированном пятне на светочувствительном материале и соответственно в изображении микроточки после фотохимической обработки пленки оказывает влияние распределение энергии в апертуре лазерного пучка. Точки изображения, у которых оптическая плотность на краях очень резко изменяется от максимального значения до минимального, называют жесткими, а точки с более плавным изменением оптической плотности на краях — мягкими (рис. 3). В связи с тем, что растровая точка изображения формируется из некоторого количества мягких или жестких микроточек, понятие жесткости применимо и к растровым точкам (рис. 4).

Рис. 3. Микроточка изображения

Рис. 4. Увеличенный микроденситометрический скан точки растра

При записи изображения с невысокими линиатурами растра (133, 150 lpi) влияние жесткости точки практически неуловимо, а с учетом погрешностей собственно печатного процесса и вовсе исчезает. Для печати при высокой линиатуре жесткость луча начинает играть принципиальную роль, так как для достижения таких линиатур требуется адекватное уменьшение диаметра сканирующего лазерного пятна.

Виды лазерных диодов[править | править код]

Конструкция лазерного диода, описанная выше, имеет название «Диод с n-p гомоструктурой», смысл которого станет понятен чуть позже. Такие диоды крайне неэффективны. Они требуют такой большой входной мощности, что могут работать только в импульсном режиме; в противном случае они быстро перегреваются. Несмотря на простоту конструкции и историческую значимость, на практике они не применяются.

Лазеры на двойной гетероструктуреправить | править код

В этих устройствах, слой материала с более узкой запрещённой зоной располагается между двумя слоями материала с более широкой запрещённой зоной. 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, а устройство — «диод с двойной гетероструктурой» (ДГС). В англоязычной литературе используются названия «double heterostructure laser» или «DH laser». Описанная в начале статьи конструкция называется «диод на гомопереходе» как раз для иллюстрации отличий от данного типа, который сегодня используется достаточно широко.

Преимущество лазеров с двойной гетероструктурой состоит в том, что область сосуществования электронов и дырок («активная область») заключена в тонком среднем слое. Это означает, что много больше электронно-дырочных пар будут давать вклад в усиление — не так много их останется на периферии в области с низким усилением. Дополнительно, свет будет отражаться от самих гетеропереходов, то есть излучение будет целиком заключено в области максимально эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямамиправить | править код

Если средний слой диода ДГС 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 удержаниемправить | править код

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, напоминающая световод, более эффективно удерживает свет. Эти устройства называются гетероструктурами с раздельным удержанием («separate confinement heterostructure», SCH)

Большинство полупроводниковых лазеров, произведённых с 1990-го года, изготовлены по этой технологии.

Лазеры с распределённой обратной связьюправить | править код

Основная статья: Лазер 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. Такие лазеры — основа современных оптических телекоммуникационных систем.

VCSELправить | править код

VCSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным резонатором» — полупроводниковый лазер, излучающий свет в направлении, перпендикулярном поверхности кристалла, в отличие от обычных лазерных диодов, излучающих в плоскости, параллельной поверхности.

VECSELправить | править код

VECSEL — «Поверхностно-излучающий лазер с вертикальным внешним резонатором». Аналогичен по своему устройству VCSEL, но имеющий внешний резонатор. Может исполняться как с токовой, так и с оптической накачкой.

Основные выводы

Инфракрасные светодиоды
излучают в невидимой для глаза человека области спектра, и потому для
обозначения их главных параметров используют несколько отличные от обычных
лед-элементов характеристики:

  1. Мощность за период времени или с конкретной площади излучателя.
  2. Интенсивность в границах определенного пространственного угла.

Существуют десятки
модификаций инфракрасных светодиодов. Все они различаются не только по силе
излучения, но также назначению и форм-фактору. Чем мощнее лед-кристалл, тем
больше он нагревается и разрушается. Поэтому производители при изготовлении
мощных моделей прибегают к некоторым ухищрениям, а не идут по пути прямого
увеличения их размеров. Сфера применения ИК-диодов обширна – от индикации в
пультах ДУ бытовой техники до сложных военно-промышленных и медицинских приборов.

Предыдущая
СветодиодыТипы и разновидности коннекторов для светодиодной ленты
Следующая
СветодиодыТипы, особенности и схема ИК подсветки

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
Добавить комментарий

;-) :| :x :twisted: :smile: :shock: :sad: :roll: :razz: :oops: :o :mrgreen: :lol: :idea: :grin: :evil: :cry: :cool: :arrow: :???: :?: :!: