Amecam

Podstawy fizyczne laserów, diod laserowych, diod LED.

Od lat znane są różne rodzaje laserów: gazowe (helowo−neonowe, argonowe, kryptonowe), stałe (rubinowe, YAG, neodymowe) i półprzewodnikowe. Obecnie coraz szerzej wykorzystywane są lasery półprzewodnikowe − właśnie ich dotyczy niniejszy materiał. Choć wszystkie wymienione lasery wyglądają odmiennie, podstawowa zasada pracy każdego z nich jest zawsze taka sama. Jak świadczy nazwa LASER (Light Amplification by Simulating Emission of Radiation), chodzi o element, gdzie wzmacnianie światła zachodzi pod wpływem wymuszonej emisji promieniowania − właśnie to wzmacnianie światła jest kluczem do zrozumienia funkcjonowania lasera. Żeby zrozumieć działanie laserów i uniknąć przykrych niespodzianek przy ich wykorzystaniu, niezbędne jest zapoznanie się z fizycznymi podstawami ich budowy. Prześledzimy to na przykładzie lasera półprzewodnikowego.

Podstawy fizyczne
W wielu mądrych książkach tłumaczy się działanie półprzewodników przy użyciu zaawansowanych pojęć fizycznych i wzorów matematycznych. My posłużymy się starym, niezbyt precyzyjnym modelem atomu. W modelu tym atom to maleńkie jądro, otoczone przez chmurę elektronów. Musisz jeszcze wiedzieć, że światło, jest pewną formą energii − światło możemy traktować jako strumień pędzących z prędkością światła cząstek − fotonów, a jednocześnie światło jest falą elektromagnetyczną, taką jak fale radiowe tyle, że o wiele większej częstotliwości. Może to jest trudne do zrozumienia, że światło jest jednocześnie i cząstką i falą, ale na razie nie potrafimy tego lepiej sobie wyobrazić i musimy używać takich określeń.

Zanim przejdziemy do laserów, zacznijmy analizę od działania diody świecącej LED. Diody laserowe są szczególną odmianą popularnych diod LED. Wracamy do atomu. Elektrony krążą tam po ściśle określonych orbitach. Jeśli chcemy, aby elektron przeskoczył na wyższą orbitę, musimy mu w jakiś sposób dostarczyć energii (można powiedzieć, że w diodach LED energia taka jest dostarczana wskutek przepływu prądu). Natomiast elektron znajdujący się na wyższej orbicie chętnie “spada” na orbitę niższą − tym razem oddaje on energię. Oddawana energia ma postać fotonów, czyli najmniejszych porcji (kwantów) światła. Ilustruje to rysunek 1.

Elektrony przenoszone są na wyższą orbitę wskutek przepływu prądu elektrycznego. Takie wzbudzone elektrony “spadają” samoczynnie na niższą orbitę wytwarzając światło. Mówimy wtedy o spontanicznej emisji światła. Nie będziemy tu wchodzić w szczegóły − trzeba tylko wiedzieć, że w takim “skakaniu” po orbitach biorą udział tylko elektrony ostatniej i przedostatniej warstwy (w podręcznikach mówi się o paśmie przewodnictwa i paśmie walencyjnym). Ponieważ dla danego materiału odległość między ostatnimi orbitami jest ściśle określona, więc w danym elemencie (diodzie LED wykonanej z tego materiału), każdy elektron, spadając z ostatniej, najwyższej orbity na przedostatnią, oddaje zawsze taką samą ilość energii, zwaną kwantem. Kto nie spał na lekcjach fizyki, zna wzór: e = h n gdzie:
e − energia,
h − stała Plancka,
n - częstotliwość promieniowania.

Elektron “spadając z określonej wysokości” traci określoną ilość energii, czyli wysyła maleńką porcję światła o pewnej częstotliwości, a więc pewnej barwie. Znając odległości między ostatnimi orbitami można z tego wzoru obliczyć częstotliwość (a więc i barwę wysyłanego światła). Diody LED świecą, więc światłem o jednej barwie (światłem monochromatycznym), o kolorze zależnym od odległości ostatnich orbit. W rzeczywistości sprawa jest bardziej skomplikowana, bowiem materiał półprzewodnikowy zawiera atomy różnych pierwiastków, o różnej budowie i odmiennym rozmieszczeniu orbit i elektronów. Diody LED i laserowe wykonywane są najczęściej ze związków galu, glinu, arsenu, indu i fosforu, stąd spotykane oznaczenia np. GaAlAs i InGaAsP. O szczegóły związane z rozmieszczeniem orbit martwią się naukowcy i producenci, użytkownika interesuje w sumie tylko efekt końcowy, czyli barwa emitowanego światła. W sumie w diodach LED nie wszystkie wysyłane kwanty światła mają idealnie taką samą częstotliwość, czyli barwę, dlatego w katalogach podaje się charakterystykę barwową światła. Na rysunku 2 pokazano rozkład długości fali wysyłanych przez różne typy diod LED.

W katalogach promieniowanie wysyłane przez elementy optoelektroniczne jest wyrażane w jednostkach długości fali (ściślej w nanometrach, 1nm − jedna miliardowa metra), a nie w jednostkach częstotliwości (hercach), choć wiadomo, że światło to również po prostu fala elektromagnetyczna. Długość fali i jej częstotliwość jest związana znaną zależnością: l = c / f
gdzie:
l − długość fali,
c − prędkość światła,
f − częstotliwość.

Oko ludzkie reaguje na promieniowanie o długości fali od około 450 do około 650nm. Pokazuje to rysunek 3.

W diodzie LED pod wpływem przepływającego prądu, elektrony z przedostatniej orbity przeskakują do ostatniej orbity, a gdy samoczynnie wracają z powrotem, każdy z nich oddaje kwant światła o barwie zależnej od odległości tych orbit. Z diodami laserowymi jest podobnie. Przy małych prądach dioda laserowa zachowuje się tak jak zwykła dioda LED. Dopiero przy większych prądach daje o sobie znać zjawisko laserowe. Na rysunku 4 pokazano cztery mechanizmy, które współdziałają w diodzie laserowej.

Oprócz zjawisk znanych z rysunku 1 (I i II), mamy tu dodatkowo absorpcję rezonansową (III) i emisję wymuszoną (IV). Elektrony mogą przeskakiwać na wyższą orbitę nie tylko pod wpływem płynącego prądu, ale również pod wpływem kwantów światła o odpowiedniej energii − jest to zjawisko oznaczone III (wykorzystuje się to zresztą w niektórych laserach, gdzie takie naświetlanie nazywa się pompowaniem). Czwarte zjawisko ma kluczowe znaczenie dla działania lasera − emisja wymuszona następuje wtedy, gdy elektron znajdujący się już na wyższej orbicie jest “trafiony” fotonem (ale musi to być foton, czyli kwant światła o odpowiedniej częstotliwości, powstały przy powrocie elektronu na niższą orbitę). Następuje wtedy wymuszona emisja promieniowania − obok fotonu wymuszającego pojawia się drugi foton, a co najważniejsze, powstałe promieniowanie ma dokładnie taką samą częstotliwość i fazę, co promieniowanie wymuszające. Zjawisko IV związane jest więc ze wzmocnieniem światła. W zasadzie w zwykłej diodzie LED też występują wszystkie cztery zjawiska pokazane na rysunku 4, ale nie ma warunków, by w znaczniejszej mierze wystąpiła emisja wymuszona. A podstawą pracy lasera jest właśnie emisja wymuszona. Dlatego, aby zaistniało zjawisko laserowe − wzmacnianie światła pod wpływem promieniowania wymuszającego, muszą być spełnione pewne dodatkowe warunki. Rysunek 5 pokazuje uproszczony przekrój diody laserowej − tym razem jest to już przekrój stosunkowo dużego elementu, który nie ma prawie nic wspólnego z rysunkami 1 i 4, pokazującymi obiekty nieporównanie mniejsze (na poziomie atomowym).

Nieodłączną częścią składową lasera są dwa półprzepuszczalne lustra, które część światła przepuszczają, a część odbijają z powrotem. Na rysunku 5a pokazano sytuację przy małym prądzie pracy. Pod wpływem płynącego prądu następuje przenoszenie elektronów w atomach na wyższy poziom, a następnie pojawia się promieniowanie w wyniku emisji spontanicznej. Powstające kwanty promieniowania mają przypadkową fazę i biegną we wszystkich możliwych kierunkach. Zjawiska absorpcji rezonansowej i emisji wymuszonej wprawdzie występują, ale znoszą się, ponieważ więcej elektronów znajduje się na niższej orbicie. Absorpcja rezonansowa występuje częściej niż emisja wymuszona i w efekcie dioda laserowa zachowuje się, jak zwykła dioda LED. Przy zwiększaniu prądu coraz więcej elektronów jest przenoszonych na górną orbitę (por. rys 4). Dochodzi do sytuacji, gdy na górnej orbicie jest więcej elektronów, niż na niższej (nazywa się to inwersją obsadzeń). Coraz więcej kwantów światła powstaje wskutek emisji wymuszonej. Ze wzrostem prądu, proporcja między liczbą przypadków absorpcji rezonansowej, a liczbą przypadków emisji wymuszonej zmienia się na korzyść tej ostatniej. Pewna, niewielka część powstających fotonów biegnie w kierunku osi lasera (czyli na rysunku 5 − poziomo). Światło to natrafia na półprzepuszczalne lustra, i jego część zostaje odbita z powrotem do wnętrza lasera. To odbite światło powoduje dalszą wymuszoną emisję. Tworzy się rezonator optyczny (tzw. rezonator Fabry−Perota) Ilustruje to rysunek 5b. Dzięki obecności luster, jeden kierunek jest wyraźnie uprzywilejowany. O ile nawet promieniowanie biegnące w innych kierunkach także powoduje wymuszoną emisję, to powstałe w ten sposób światło nie może opuścić lasera. Tylko promieniowanie biegnące wzdłuż osi ma szanse opuścić laser, a część odbita z powrotem, dzięki obecności luster, powoduje dalsze zwiększenie ilości fotonów biegnących wzdłuż osi. Wydawałoby się, że dzięki zastosowaniu luster i występowaniu zjawiska wzmacniania światła wskutek podczas emisji wymuszonej, po powstaniu odpowiedniej liczby fotonów, wystąpi lawinowe ich mnożenie i powstanie ogromnych ilości światła. Na pierwszy rzut oka wygląda to nawet na swego rodzaju perpetuum mobile. Tak jednak nie jest. Należy pamiętać, że przez cały czas część fotonów wypada z gry wskutek absorpcji rezonansowej, strat związanych z odbiciami od luster oraz z wypromieniowaniem światła na zewnątrz. W każdym razie jeden kierunek jest wyraźnie uprzywilejowany i ze wzrostem prądu coraz więcej kwantów światła porusza się w osi lasera, między lustrami. Tylko kwanty mające odpowiedni kierunek ruchu (dokładnie wzdłuż osi lasera), częstotliwość i fazę są uprzywilejowane i biorą udział w dalszym wzmacnianiu. Pozostałe nie są wzmacniane i ulegają wygaszeniu. Można powiedzieć, że w laserze powstaje swego rodzaju rezonans. W efekcie, w trakcie akcji laserowej, w obszarze czynnym lasera ogromna większość występujących kwantów energii porusza się w osi lasera między lustrami i ma jednakową częstotliwość i fazę. Część tego promieniowania wychodzi przez lustra na zewnątrz. Pokazano to na rysunku 5c. W odróżnieniu od diody LED, promieniowanie emitowane laser jest spójne (koherentne), to znaczy, że poszczególne kwanty promieniowania mają taką samą fazę. Inaczej jest w diodzie LED. Przy emisji spontanicznej, każdy powstający foton promieniowania biegnie w przypadkowym kierunku i ma przypadkową fazę. Wprawdzie światło składa się z kwantów promieniowania o zbliżonej częstotliwości (czyli jest to światło jednobarwne, monochromatyczne), ale fazy drgań poszczególnych kwantów są przypadkowe. Taką wiązkę światła określamy mianem światła monochromatycznego, ale niespójnego (niekoherentrnego). Natomiast zjawisko laserowe jest właśnie tym szczególne, że kolejne kwanty światła, powstające w warstwie czynnej podczas emisji wymuszonej, mają taką samą częstotliwość i fazę, jak kwanty promieniowania wymuszającego. Całe promieniowanie wychodzące z lasera ma tę samą fazę − jest spójne. Dla przeciętnego użytkownika różnica między światłem lasera, a światłem diody LED (spójne, niespójne) nie miałaby znaczenia. W praktyce różnica między tymi elementami polega na tym, że dzięki lustrom i wzmacnianiu światła wskutek emisji wymuszonej, laser przy takim samym prądzie pracy daje dużo więcej światła niż dioda LED, a ponadto światło to można w prosty sposób skupić w bardzo wąską wiązkę o dalekim zasięgu. Trzeba też podkreślić rolę półprzepuszczalnych luster. Bez nich nie nastąpiłoby zjawisko laserowe. Jeśli dotychczasowy opis nie jest dla kogoś do końca zrozumiały, nie stanowi to przeszkody w zrozumieniu dalszego materiału. Wystarczy wiedzieć, że działanie lasera, zgodnie z jego nazwą opiera się na wzmacnianiu światła pod wpływem wymuszonej emisji promieniowania i że ważną rolę odgrywają przy tym półprzepuszczalne lustra.

Parametry diody laserowej
Można powiedzieć, że dioda pracuje jako laser wtedy, gdy ilość światła wytworzonego w procesie emisji wymuszonej jest większa od sumy wymienionych wcześniej strat. Następuje to po przekroczeniu pewnej granicznej wartości prądu. Na rysunku 6 pokazano charakterystykę skuteczności diody laserowej. Dopiero po przekroczeniu prądu granicznego Ith (Ith − threshold) element pracuje jako dioda laserowa. Należy zauważyć, że na rysunku 6 wielkością wyjściową jest moc promieniowanego światła, a wartością wejściową − prąd zasilający. Początkujących należy ostrzec, że wykres z rysunku 6 niesie zupełnie inne informacje, niż charakterystyka napięciowo−prądowa tej diody, pokazana na rysunku 7. Z rysunku 7 wynika jedynie, że dioda laserowa rzeczywiście jest rodzajem diody LED. Na rysunku 8 pokazano charakterystykę widma promieniowania pewnej diody laserowej. Linią przerywaną zaznaczono charakterystykę diody LED, która miałaby taką samą barwę świecenia. Jak widać ta dioda laserowa dostarcza promieniowania o niemal jednakowej długości fali. A teraz coś dla bardziej zaawansowanych. Nie wszystkie diody laserowe promieniują światło o jednej częstotliwości (długości). Niektóre diody mają charakterystykę widmową, jak pokazano na rysunku 9.  

Warto zauważyć, że ze wzrostem prądu poszczególne prążki zanikają, a pozostaje jeden. Prążek ten przesuwa się też nieco ze wzrostem prądu w kierunku większej długości fali (mniejszej częstotliwości). Zjawisko pojawiania się w widmie kilku prążków i ich przesuwania jest związane z geometrią diody laserowej i zmianami temperatury. Zjawisko laserowe związane jest z interferencją fal świetlnych oraz z powstaniem wewnątrz lasera fali stojącej. Krótko mówiąc, w długości czynnej materiału lasera musi zmieścić się całkowita ilość “połówek fali świetlnej”. Pokazano to w uproszczeniu na rysunku 10.

Fale o innej długości nawet, jeśli powstaną, ulegną wytłumieniu. W rzeczywistości długość złącza przeciętnej diody laserowej wynosi około 0,2...0,3mm, natomiast długość fali wytwarzanego światła − od 635...1500nm. To znaczy, że w długości rezonatora zmieści się tysiące “połówek fali światła”. W rzeczywistym rezonatorze mogą powstać prążki o długościach fali światła różniących się o około 0,35nm, co tłumaczy istnienie wielu prążków na rysunku 9. Natomiast przesuwanie się prążków ze wzrostem wytwarzanej mocy optyczne wynika po prostu ze zmiany (wzrostu) temperatury i związanych z tym zmian odległości orbit. Dla bardziej zaawansowanych należałoby podać jeszcze, że laser o charakterystyce spektralnej jak na rysunku 8 nazywamy jednomodowym, a o charakterystyce zawierającej wiele prążków (jak na rysunku 9a) − wielomodowym. Tu dociekliwy Czytelnik może samodzielnie zastanowić się, jak wygląda sprawa spójności promieniowania wytwarzanego przez laser wielomodowy. Wracamy do spraw najważniejszych. Od dawna lasery rubinowe i gazowe znane są z wytwarzania spójnej, i mało rozbieżnej (praktycznie równoległej) wiązki światła. Dotychczasowe rozważania i rysunki mogłyby wskazywać, że dokładnie tak samo jest w laserze półprzewodnikowym. Jest jednak zupełnie inaczej! W profesjonalnych opracowaniach mówi się jeszcze o modach przestrzennych, czyli kwestii przestrzennego rozsyłu światła przez laser półprzewodnikowy. My omówimy ten temat w pewnym uproszczeniu. Rysunek 11 wskazuje, że laser półprzewodnikowy wypromieniowuje dwie wiązki światła, przednią i tylną, i że powstałe wiązki są rozbieżne. Tak jest w istocie. “Goła” dioda laserowa wcale nie wytwarza wąskiej, równoległej wiązki światła, charakterystycznej dla innych laserów. Wytwarza wiązkę podobną do stożka, z tym, że przekrojem wiązki nie jest koło, tylko elipsa. Kąt rozsyłu światła w osi równoległej do warstwy czynnej lasera wynosi około 10º, a w osi prostopadłej − nawet 30º. Żeby z takiej stożkowej wiązki otrzymać “równoległą” wiązkę o małej rozbieżności, koniecznie trzeba zastosować układ optyczny − w najprostszym przypadku pojedynczą soczewkę skupiającą. Ta informacja może być dla wielu Czytelników dużym zaskoczeniem. Nie ma na to rady − laser półprzewodnikowy zawsze współpracuje z układem optycznym. Przyczyna takiego szerokiego kąta promieniowania tkwi w małych wymiarach warstwy czynnej lasera. Na rysunku 12 pokazano typowe wymiary diody laserowej. Grubość warstwy czynnej wynosi tylko około 0,05...0,5μm (50...500nm) czyli mniej niż długość fali wytwarzanego promieniowania. Właśnie to jest przyczyną szerokiego kąta promieniowania w osi prostopadłej do płaszczyzny warstwy czynnej, (choć na pierwszy rzut oka może się wydawać, że powinno być odwrotnie). Z rysunku 12 wynika, że szerokość warstwy czynnej jest rzędu od kilku do kilkunastu mikrometrów. W związku z większą szerokością, kąt rozsyłu wiązki w osi poziomej jest mniejszy, ale i tak wynosi od kilku do kilkunastu stopni. Dopiero wiązka skupiona przez soczewkę lub obiektyw ma bardzo niewielką rozbieżność. Rozbieżność wiązki promieniowania jest istotnym parametrem gotowych urządzeń laserowych − wyrażana jest nie w stopniach kątowych, tylko w mierze łukowej, w miliradianach − i wynosi w popularnych urządzeniach 0,3...1mrad. Teoretyczne światło lasera można tak skupić, że na powierzchni księżyca plamka świetlna miałaby średnicę 20cm. Na fotografii 1 pokazano samą diodę laserową, z rodzaju stosowanego w odtwarzaczach kompaktowych, a na fotografii 2 diodę w obudowie zawierającej soczewkę skupiającą.

Inne właściwości diody laserowej
Rysunek 12 pomoże nam wyciągnąć kolejne bardzo ważne wnioski. Jak już wiemy, do powstania akcji laserowej konieczne jest między innymi zaistnienie tak zwanej inwersji obsadzeń na najwyższych orbitach atomów powinno być stale więcej elektronów, niż na orbicie niższej. Ponieważ elektrony chętnie “spadają” na niższą orbitę, konieczne jest stałe dostarczanie energii, by na bieżąco przenosić je na orbitę wyższą. Wiemy, że dzieje się to głównie pod wpływem płynącego przez diodę prądu. We współczesnych diodach laserowych, aby uzyskać potrzebną inwersję obsadzeń (i akcję laserową), gęstość prądu w warstwie czynnej musi wynosić nie mniej niż 10...30A na mm2 przekroju podłużnego. Przy wymiarach podanych na rysunku 12, akcję laserową uzyskuje się przy prądzie rzędu 30...40mA. Właśnie to jest graniczna wartość prądu, oznaczona na rysunku 6 jako Ith. Jeśli wymiary diody byłyby większe, akcja laserowa występowałaby przy większym prądzie, a w laserach małej mocy zależy nam, by pobór prądu i nieuniknione moce strat były jak najmniejsze. To wyjaśnia, dlaczego warstwy czynne o dużej szerokości spotyka się tylko w laserach większej mocy (powyżej kilkudziesięciu miliwatów), i dlaczego nie stosuje się większej grubości warstwy czynnej. Tak małe wymiary i zastosowane materiały wskazują, że dioda laserowa jest elementem bardzo szybkim. Rzeczywiście, laser półprzewodnikowy można zaświecać i gasić z niewyobrażalną częstotliwością miliardów razy na sekundę (częstotliwość impulsów sterujących rzędu dziesiątek i setek gigaherców). Wykorzystuje się to w najszybszych systemach światłowodowych. Ale z małymi wymiarami i dużą szybkością wiążą się istotne wady i niebezpieczeństwa. Z rysunku 7 widać, że dioda laserowa pracuje przy napięciu około 2V. Przy prądzie pracy 80mA moc pobierana przez diodę wynosi około 160mW. Część tej mocy (kilka...kilkanaście mW) jest oddawana w postaci promieniowania świetlnego. Cała reszta wydziela się w postaci strat głównie właśnie w mikroskopijnej warstwie czynnej. Można powiedzieć, że w czasie pracy lasera w warstwie czynnej występuje bardzo duża koncentracja energii. Powstaje tam znaczna, jak na wymiary, ilość ciepła. Wytworzone ciepło koniecznie musi być skutecznie usunięte, bowiem w przeciwnym razie mikroskopijna i bardzo delikatna warstwa czynna i delikatne lustra momentalnie ulegną uszkodzeniu pod wpływem nadmiernej temperatury. A przy tak małych wymiarach, podczas przeciążenia temperatura gwałtownie wzrasta w ciągu drobnych ułamków sekundy. Należy też pamiętać, że podczas akcji laserowej między lustrami krąży tam i z powrotem znaczna ilość energii. Tu rysuje się kolejny ważny wniosek: bardzo mała i bardzo delikatna struktura diody laserowej jest ogromnie wrażliwa na wszelkie przeciążenia. Trzeba stanowczo unikać przekraczania katalogowego prądu maksymalnego. Nawet jednokrotne przeciążenie prądem kilkukrotnie większym od dopuszczalnego może nieodwracalnie uszkodzić delikatną diodę, a na pewno skróci jej życie. Tym bardziej niebezpieczne są gwałtowne impulsy prądu związane z elektrycznością statyczną. Wiadomo, że zaleca się, aby zachować środki bezpieczeństwa przy montażu układów CMOS. Zazwyczaj takie zalecenia są totalnie lekceważone przez amatorów... i układy jakoś nie ulegają uszkodzeniu. Zupełnie inaczej jest z diodami laserowymi. Delikatna struktura nieuchronnie ulega zniszczeniu przy przepływie nawet bardzo krótkich (nanosekundowych) impulsów prądu, powstających przy rozładowaniu małych pojemności. Powszechne są doniesienia, że diody laserowe w rękach amatorów szybko ulegają uszkodzeniu. Przyczyną jest niezastosowanie się do zaleceń bezpieczeństwa podawanych przez producentów. Trzeba wiedzieć, że ciało człowieka chodzącego po dywanie lub wykładzinie z tworzywa sztucznego ma w stosunku do ziemi pojemność do 100pF i może naładować się do napięcia rzędu kilku tysięcy woltów. Jeśli tak zgromadzony ładunek zostanie rozładowany przez diodę laserową przy jej dotknięciu, dioda na pewno ulegnie zniszczeniu. Dlatego przy eksperymentach z diodami laserowymi aż do czasu wlutowania ich w układ, trzeba koniecznie zachowywać maksimum środków ostrożności. Na rysunku 13 pokazano zalecane środki bezpieczeństwa. W praktyce nie stosuje się wentylatora z jonizatorem, przewodząca mata na podłodze też nie jest absolutnie konieczna. Jednak użycie nawilżacza, czy choćby rozpylenie w pomieszczeniu pewnej ilości wody nie jest przesadą. A już konieczne jest uziemienie grota lutownicy, użycie uziemionej metalowej podkładki na stole montażowym i zastosowanie metalowej bransolety uziemiającej na rękę. Diody laserowe obowiązkowo muszą być przechowywane w warunkach wykluczających uszkodzenie przez ładunki elektrostatyczne − w praktyce powinny być wetknięte w przewodzącą gąbkę (używaną także do przechowywania delikatnych układów scalonych). Nie należy wyjmować diody z gąbki − cały czas, także w czasie lutowania, diody laserowe powinny mieć zwarte wyprowadzenia - można te wyprowadzenia zewrzeć razem za pomocą gołego drucika lub wetknąć między nie kawałeczek wspomnianej czarnej gąbki przewodzącej. Dopiero po zmontowaniu układu, a przed jego włączeniem można rozewrzeć końcówki diody (wydłubać gąbkę przewodzącą). Potem, w dobrze zaprojektowanym układzie, ładunki statyczne nie są już tak groźne. Ponieważ jednak dioda zawsze jest bardzo wrażliwa, należy starannie zaprojektować obwody zasilania, bo wiem na przykład niektóre standardowe zasilacze przy włączaniu i wyłączaniu wytwarzają krótkie przepięcia mogące uszkodzić strukturę laserową. W najprostszym układzie pracy dioda może być zasilana przez pojedynczy rezystor, jak pokazano na rysunku 14. Należy jednak pamiętać o zabezpieczeniu diody przed przeciążeniami podczas włączania wyłączania zasilania, a także przed elektrycznością statyczną w czasie, gdy zasilacz jest wyłączony lub wręcz odłączony. Dla zabezpieczenia można wykorzystać obwód ochronny, pokazany na rysunku 15.

Katalog firmy Hitachi zaleca do prób układ pokazany na rysunku 16, gdzie elementem zabezpieczającym jest kondensator o pojemności 47nF, włączony równolegle z diodą. Podczas prób zaleca się, aby zasilacz był włączony stale, a sterowanie diody wykonuje się za pomocą dodatkowego wyłącznika. Przy omawianiu zabezpieczeń trzeba wspomnieć o wbudowanej fotodiodzie. Na rysunku 17 pokazano budowę wewnętrzną rzeczywistej diody laserowej. Na rysunku widać wyraźnie, że maleńka struktura diody o wymiarach jak na rysunku 12, jest umieszczona na stosunkowo dużym radiatorze. Typowa dioda laserowa promieniuje w dwóch przeciwnych kierunkach. Tylny, słaby strumień pada na wbudowaną fotodiodę. Dlatego dostępne w handlu diody laserowe mają zazwyczaj trzy (rzadko cztery) wyprowadzenia. Spotyka się różny układ połączeń diody laserowej i fotodiody − na rysunku 18 pokazano częściej spotykane połączenia. W przypadku braku katalogu można określić układ wyprowadzeń (odszukać końcówki diody laserowej) w sposób doświadczalny za pomocą źródła napięcia 5V i rezystora 450W , zachowując wspomniane wcześniej niezbędne środki ostrożności. Prąd tej wbudowanej fotodiody (w kierunku zaporowym) jest wprost proporcjonalny do emitowanej mocy optycznej. Prąd ten przy pełnej mocy wyjściowej wynosi 0,02...2mA, zależnie od typu elementu − szczegółów należy szukać w katalogach. Fotodioda jest wykorzystywana do utrzymywania mocy promieniowania lasera na wyznaczonym poziomie. Wystarczy umieścić taką fotodiodę w obwodzie sprzężenia zwrotnego aby uzyskać układ utrzymujący stałą optyczną moc wyjściową. Dwa przykłady takich układów sterujących są podane na rysunku 19. 

Można wykorzystać praktycznie dowolne tranzystory BC. Wśród elektroników można spotkać opinię, że układ sterujący z fotodiodą (jak na rysunku 19) jest konieczny do zabezpieczenia przed impulsami prądowymi i uszkodzeniem diody. Taki pogląd ma niewiele wspólnego z prawdą. Co prawda układ sterujący rzeczywiście utrzymuje stałą wartość, ale nie prądu zasilającego, tylko mocy optycznej. Moc optyczna przy danym prądzie zmienia się z czasem (starzenie), oraz z temperaturą (do tego wątku jeszcze wrócimy). Utrzymywanie przez cały czas życia diody stałej wartości mocy optycznej, albo pomiar tej mocy są potrzebne, a nawet konieczne w wielu profesjonalnych zastosowaniach, na przykład w drukarkach laserowych. Należy zauważyć, że niektóre elementy użyte w układach sterujących (np. wzmacniacze operacyjne) są stosunkowo wolne i nie mogą ograniczyć ewentualnych bardzo szybkich, nanosekundowych przepięć i przetężeń. Co gorsza, źle zaprojektowany układ sterujący sam z siebie może być źródłem zagrożenia dla diody. Taki układ sterujący musi być zbudowany w ten sposób, by przy włączaniu i wyłączaniu napięcia zasilającego w żaden sposób, ani na drobny ułamek sekundy nie przekroczyć dopuszczalnej wartości prądu pracy. Natomiast w układach amatorskich i eksperymentalnych nie jest konieczne zastosowanie takich rozbudowanych układów sterujących. Można wykorzystać podstawowy układ zasilający z rezystorem szeregowym i zabezpieczeniem, pokazany na rysunkach 14−16.

Wpływ temperatury
W zasadzie dioda laserowa ma trwałość rzędu setek tysięcy godzin, czyli mogłaby pracować ciągle przez wiele lat. Ale oprócz wspomnianych przeciążeń, także wzrost temperatury radykalnie zmniejsza czas życia diody. Na rysunku 20 pokazano przewidywany czas życia pewnego typu diody laserowej w zależności od oddawanej mocy optycznej i temperatury obudowy. Nie wchodząc w szczegóły, wyciągamy wniosek, że dioda laserowa powinna być dodatkowo chłodzona. Nieprzypadkowo diody laserowe mają solidne, metalowe obudowy. Producenci zalecają, aby nawet diody o niewielkiej mocy wyjściowej zawsze były wyposażone w radiator z blachy aluminiowej lub miedzianej o wymiarach minimum 50 x 50mm. Zalecany sposób montażu radiatora pokazuje rysunek 21. W przeciwieństwie do innych elementów, nie należy przy tym stosować pasty silikonowej, bowiem w podwyższonej temperaturze paruje ona i osadza się na otaczających elementach, między innymi na szklanym okienku diody. Wzrost temperatury powoduje także niewielką zmianę barwy światła, jak pokazano to na rysunku 9, ale to dla przeciętnego użytkownika nie ma żadnego praktycznego znaczenia. Natomiast trzeba wiedzieć, że wartość prądu granicznego i sprawność diody laserowej zależy od temperatury. Rysunek 22 pokazuje zależność prądu Ith od temperatury dla diody (porównaj rysunek 6), a rysunek 23 − zależność mocy optycznej od prądu przy różnych temperaturach obudowy. Rysunki te potwierdzają potrzebę stosowania radiatora. Nic dziwnego, że w zastosowaniach profesjonalnych stosuje się rozbudowane i kosztowne systemy zasilające i chłodzące zawierające także termoelektryczne elementy chłodzące w postaci ogniwa Peltiera. Na rysunku 24 pokazano schemat blokowy systemu. Produkowane są też diody laserowe, mające wbudowane ogniwo Peltiera. Fotografia 4 pokazuje moduł laserowy z ogniwem Peltiera, przeznaczony do systemów światłowodowych.

Wykorzystanie laserów
Lasery są dziś powszechnie stosowane do odczytu płyt kompaktowych audio i wideo oraz CD−ROMów. Trwają prace nad wykorzystaniem lasera do zapisu i odczytu jeszcze bardziej zagęszczonej informacji. W użytku są już dyski magnetooptyczne, gdzie również światło lasera odgrywa istotną rolę. Obecnie modne są także małe wskaźniki laserowe w kształcie długopisu, które zastępują klasyczne wskaźniki przy wszelkiego rodzaju pokazach i prezentacjach − patrz fotografia 5. Diody laserowe maja szerokie zastosowanie w medycynie zarówno do badań laboratoryjnych, jak i w charakterze narzędzi − na przykład jako skalpel laserowy, leczenie chorób skóry czy przyśpieszenie gojenia ran. Diody laserowe (najczęściej podczerwone) są stosowane szeroko w telekomunikacji, gdzie na łączach światłowodowych uzyskuje się już dziś prędkość przesyłania danych rzędu dziesiątek gigabitów na sekundę, a do teoretycznej granicy 20 terabitów/sekundę (20000Gb/s) jeszcze dość daleko. Do takich zastosowań produkuje się specjalne moduły − dioda laserowa (nadajnik) i fotodioda odbiorcza umieszczone są w specjalnych obudowach, umożliwiających łatwe sprzężenie ze światłowodem. Moduły takie pokazano na fotografii 6 i 4. Lasery półprzewodnikowe stosowane są także w czytnikach kodu paskowego. Urządzenia takie można spotkać w wielu nowych sklepach i supermarketach. Natomiast rysunek 25 przedstawia w uproszczeniu zasadę działania drukarki laserowej.

 Światłoczuły bęben jest naświetlany punkt po punkcie, linia po linii przez promień lasera. Stopień naświetlenia zależy od chwilowej jasności diody laserowej (tu widać potrzebę i sens zastosowania wbudowanej fotodiody kontrolnej). W zależności od stopnia naświetlenia, poszczególne punkty bębna przyciągają mniej lub więcej czarnego proszku − tonera. Następnie toner z powierzchni bębna jest przenoszony na papier i po podgrzaniu tworzy trwały, czarno−biały obraz. Prostym, a ciekawym zastosowaniem jest wykorzystanie promienia lasera w poziomnicy, jakiej powszechnie używa się w budownictwie. Produkuje się także laserowe celowniki do broni myśliwskiej. Obecnie lasery wykorzystywane są też do uzyskiwania niezapomnianych efektów wizualnych.

Barwa światła
Obecnie produkuje się powszechnie diody świecące dające światło czerwone i podczerwone. Trwają próby zbudowania lasera o krótszej długości fali, czyli o zielonej i niebieskiej barwie światła. Trzeba też wiedzieć, że zmiany barwy światła, zobrazowane na rysunku 9, w praktyce nie mają znaczenia, bądź są niezauważalne dla oka. Wspomniane lasery ze światłem podczerwonym mają szerokie zastosowanie, między innymi w telekomunikacji i w urządzeniach laserowych powszechnego użytku. W odtwarzaczach płyt kompaktowych stosuje się też diody świecące na czerwono. W odtwarzaczu barwa światła ma niewielkie znaczenie − wystarczy, że promieniowanie będzie miało wystarczającą moc i zostanie odpowiednio zogniskowane. Inaczej jest z diodami czerwonymi do pokazów wizualnych. Tu wchodzi w grę czułość ludzkiego oka. Czerwień czerwieni nie równa. Na rysunku 3 przedstawiono wykres względnej czułości oka ludzkiego. Jak widać, oko jest najbardziej czułe na światło żółte i pomarańczowe, natomiast zdecydowanie słabiej reaguje na czerwień o długości fali 670nm. A do tej pory standardem są diody o długości fali około 670nm (tę barwę ma światło popularnych wskaźników laserowych). Ostatnio pojawiły się diody o długości fali 635nm. W porównaniu z diodą 670nm, do uzyskania takiej samej jaskrawości potrzeba około ośmiokrotnie mniej mocy. Niestety, takie diody są zdecydowanie droższe. W ofercie firmy Amecam znajdziecie Państwo diody laserowe o długości fali 635 nm i bardzo wysokiej na tą długość fali mocy 100 mW.

Propozycje wykorzystania

Obecnie upragnionym przez wielu Czytelników sposobem wykorzystania lasera jest wykonanie systemu do pokazów audiowizualnych. Profesjonalne urządzenia do wytwarzania różnorodnych efektów świetlnych są coraz częściej wykorzystywane choćby w dyskotekach. Niewątpliwie ciekawym eksperymentem jest zabawa z ręcznym kreśleniem figur na ścianie lub suficie. Bardziej wyrafinowanym i efektownym sposobem wytworzenia efektów wizualnych jest zastosowanie jednego lub dwóch wirujących luster. Pokazuje to rysunek 26.  Jeśli lustra będą odpowiednio nachylone (może regulowane) w stosunku do osi obrotu, a obroty silników będą indywidualnie regulowane promień będzie kreślił różne ciekawe figury, podobne do figur Lissajous. Kolejnym stopniem trudności jest zastosowanie elementów odchylających promień w takt podawanego napięcia. Urządzenia te działają na zasadzie wykorzystywanej w miernikach wskazówkowych i głośnikach: cewka umieszczona w polu magnetycznym magnesu trwałego obraca się lub przesuwa w takt płynącego przez nią prądu. Przykład pokazany jest na fotografii 8.  W literaturze tego typu elementy wykonawcze nazywane są galwanometrami. Solidne galwanometry wytwarzane za granicą są bardzo drogie, ale można tu spróbować wykorzystać głośnik. Trzeba tylko opracować niezawodny układ zamieniający ruch liniowy membrany na ruch obrotowy lustra. Idea pokazana jest na rysunku 27. Z głośnika usuwa się kosz i prawie całą membranę. Magnes, cewka i dolny resor membrany pozostają. Do środka membrany należy przymocować drut−popychacz, który będzie poruszał lustro zamocowane obrotowo wzdłuż jednej z krawędzi. W zasadzie nie powinno być to typowe, szklane lustro, ponieważ nastąpi podwójne odbicie promienia − część światła odbije się od powierzchni szkła, a część od właściwej warstwy odbijającej, znajdującej się po drugiej stronie szkła. Przydatność tego prostego sposobu i rodzaj lustra trzeba sprawdzić w praktyce. Mając dwa takie urządzenia, odchylające promień w dwóch prostopadłych kierunkach, można wykonać system rysowania światłem lasera dowolnych napisów i kształtów. Do sterowania potrzebny jest jakiś komputer i prosty przetwornik cyfrowo−analogowy. Opisy tego typu sprzęgów i programów sterujących pojawiły się już w kilku pismach zagranicznych. Oprogramowanie można napisać bez większych trudności - w praktyce największym problemem będzie wykonanie elementu odchylającego promień lasera. Innym sposobem praktycznego wykorzystania lasera jest stworzenie systemu bezprzewodowego przesyłania informacji na odległość od kilkuset metrów do kilku kilometrów. Przy impulsowym sterowaniu diody laserowej (przesyłanie danych cyfrowych) należy ustawić spoczynkowy prąd pracy diody tuż poniżej wartości granicznej Ith i impulsowo zwiększać go do wartości nominalnej. Pokrewnym zastosowaniem będzie użycie lasera w systemie alarmowym, do budowy bariery optycznej o bardzo dalekim zasięgu. Prostym, ale praktycznym sposobem wykorzystania będzie budowa laserowej poziomnicy budowlanej.

Bezpieczeństwo

Bardzo ważną sprawą przy pracach z laserami są kwestie bezpieczeństwa. Trzeba mieć świadomość, że skupiony promień lasera, mający średnicę mniejszą niż milimetr i niosący moc rzędu kilkudziesięciu miliwatów może w ułamku sekundy nieodwracalnie wypalić fragment siatkówki oka. Jest to szczególnie groźne w przypadku lasera emitującego niewidzialne promieniowanie podczerwone. Przy takich laserach obsługa musi mieć odpowiednie zabezpieczenia w postaci specjalnych okularów lub maski ochronnej. Popularne obecnie wskaźniki laserowe (laser pointer), wykonywane zwykle w kształcie długopisu mają moc rzędu 1...5mW i zasadniczo nie są groźne dla wzroku bowiem wiązka ma średnicę 2...3mm. Ale światło lasera można skupić w wiązkę o średnicy znacznie poniżej 1mm, i wtedy promieniowanie o podanej mocy może być szkodliwe, a nawet niebezpieczne. Dlatego w żadnym wypadku nie należy dopuścić, by skupiony promień lasera nawet na chwilę dostał się do oka, bo grozi to nieodwracalnym uszkodzeniem wzroku. Na całym świecie wprowadza się normy bezpieczeństwa dotyczące wytwarzania i użytkowania urządzeń laserowych. Generalnie urządzenia laserowe podzielono na kilka klas.wg. normy PN-EN 60825-1

Klasa 1  Laser całkowicie bezpieczny w każdych warunkach pracy. Laser emituje promieniowanie w zakresie długości fali od 302,5nm do 4000nm oraz posiada wiązkę o dużej rozbieżności i średnicy.

Klasa 1M   Laser bezpieczny w każdych warunkach podczas racjonalnej pracy z wyjątkiem patrzenia w wiązkę
przez przyrządy optyczne np: lunety, lornetki. Laser emituje promieniowanie w zakresie długości fali od 302,5nm do 4000nm oraz posiada wiązkę o dużej rozbieżności i średnicy.

Klasa 2     Laser bezpieczny w każdych warunkach podczas racjonalnej pracy dzięki naturalnym reakcjom
obronnym np. zamknięcie oka. Laser emituje promieniowanie widzialne w przedziale długości fali
od 400nm do 700nm. Maksymalny czas ekspozycji MPE wynosi 0.25s a maksymalna moc emitowana wynosi 1mW.

Klasa 2M  Laser bezpieczny w każdych warunkach podczas racjonalnej pracy dzięki naturalnym reakcjom
obronnym np. zamknięcie oka z wyjątkiem patrzenia w wiązkę przez przyrządy optyczne np: lunety, lornetki. Laser emituje promieniowanie widzialne w przedziale długości fali od 400nm do 700nm. Maksymalny czas ekspozycji MPE wynosi 0.25s a maksymalna moc emitowana wynosi 1mW.

Klasa 3R  Laser bezpieczny w pewnych warunkach podczas racjonalnej i ostrożnej pracy. Laser emituje promieniowanie w zakresie długości fali od 302,5nm do 4000nm. Maksymalny czas ekspozycji MPE może być nieznacznie przekroczony z małym ryzykiem obrażeń. Maksymalna moc emitowana dla promieniowania widzialnego z zakresu od 400nm do 700nm wynosi 5mW. Dla promieniowania niewidzialnego oraz pracy impulsowej laser może być niebezpieczny dla oka.

Klasa 3B Laser niebezpieczny podczas bezpośredniego patrzenia w wiązkę. Wiązka odbita nie stanowi
zagrożenia. Laser emituje promieniowanie w zakresie długości fali od 302,5nm do 4000nm. Maksymalna moc emitowana dla promieniowania widzialnego wynosi 500mW. Maksymalna energia promieniowania dla pracy impulsowej wynosi 30mJ. Należy stosować okulary ochronne.

Klasa 4 Laser niebezpieczny dla oczu i skóry. Może spowodować uszkodzenia materiałowe a także wywołać
pożar. Wiązka odbita i rozproszona stanowi zagrożenie. Laser emituje promieniowanie w zakresie długości fali od 302,5nm do 4000nm. Moc emitowana wynosi powyżej 500mW. Należy stosować okulary ochronne, kurtyny, wyłączniki bezpieczeństwa.

Każde urządzenie laserowe musi być oznakowane. Przykład standardowego oznakowania pokazany jest na rysunku 28. W oznakowaniu podana jest klasa, moc wyjściowa, rodzaj promieniowania (widzialne/niewidzialne − visible/invisible) oraz kierunek emisji promieniowania. Wspomniane przepisy dotyczą także laserów wykorzystywanych w pokazach audiowizualnych. Wymagania dotyczące sprzętu laserowego określa także odpowiednia Polska Norma. Każdy, kto chciałby w jakikolwiek sposób praktycznie wykorzystać elementy laserowe do pokazów wizualnych, winien się zapoznać z informacjami zawartymi w tej normie i zastosować się do nich.

Amecam
Wincentego 54/25
03-530 Warszawa
telefon komórkowy: 602 500 680
tel.: (22) 207 22 78
fax: (22) 207 28 77
e-mail: amecam@amecam.pl
Studigraficzne.com