La luce bianca naturale è composta da tutti i colori VIBGYOR dello spettro della luce visibile, che è un'ampia banda larga di molte frequenze diverse. I LED ordinari forniscono un'emissione luminosa spesso costituita da un colore, ma anche quella luce contiene onde elettromagnetiche, che coprono una banda di frequenze piuttosto ampia. Il sistema di lenti che focalizza la luce ha una lunghezza focale fissa, ma la lunghezza focale richiesta per mettere a fuoco le varie lunghezze d'onda (colori) della luce è diversa. Pertanto, ogni colore si concentrerà in punti diversi, causando 'aberrazione cromatica'. Il luce del diodo laser contiene solo una singola frequenza. Pertanto, può essere messo a fuoco anche da un semplice sistema di lenti su un punto estremamente piccolo. Non c'è aberrazione cromatica poiché esiste una sola lunghezza d'onda, inoltre tutta l'energia dalla sorgente luminosa è concentrata in un piccolissimo punto di luce. LASER è l'acronimo di Light Amplification by the Stimulated Emission of Radiation.

Aberrazione cromatica

Costruzione a diodi laser

La figura sopra mostra una costruzione semplificata di un diodo laser, che è simile a un diodo a emissione di luce (LED) . Utilizza arseniuro di gallio drogato con elementi come selenio, alluminio o silicio per produrre tipo P e tipo N materiali semiconduttori . Mentre un diodo laser ha uno strato attivo aggiuntivo di arseniuro di gallio non drogato (intrinseco) ha lo spessore di solo pochi nanometri, inserito tra gli strati P e N, creando efficacemente un Diodo PIN (tipo P-tipo intrinseco-N) . È in questo strato che viene prodotta la luce laser.

Costruzione a diodi laser

Come funziona il diodo laser?

Ogni atomo secondo la teoria quantistica, può energie solo entro un certo livello di energia discreto. Normalmente, gli atomi sono nello stato di energia più bassa o stato fondamentale. Quando una fonte di energia data agli atomi nello stato fondamentale può essere eccitata per andare a uno dei livelli più alti. Questo processo è chiamato assorbimento. Dopo essere rimasto a quel livello per un brevissimo periodo, l'atomo ritorna al suo stato fondamentale iniziale, emettendo un fotone nel processo, questo processo è chiamato emissione spontanea. Questi due processi, assorbimento ed emissione spontanea, avvengono in una sorgente di luce convenzionale.

“collettore aperto vs scarico aperto ”

Principio di azione del laser

Nel caso in cui l'atomo, ancora in stato eccitato, venga colpito da un fotone esterno avente appunto l'energia necessaria per l'emissione spontanea, il fotone esterno viene incrementato da quello ceduto dall'atomo eccitato, Inoltre, entrambi i fotoni vengono rilasciati dal stesso stato eccitato nella stessa fase. Questo processo, chiamato emissione stimolata, è fondamentale per l'azione del laser (mostrato nella figura sopra). In questo processo, la chiave è il fotone che ha esattamente la stessa lunghezza d'onda di quella della luce da emettere.

Amplificazione e inversione di popolazione

Quando si creano condizioni favorevoli per l'emissione stimolata, sempre più atomi sono costretti ad emettere fotoni, dando inizio a una reazione a catena e rilasciando un'enorme quantità di energia. Ciò si traduce in un rapido accumulo di energia per l'emissione di una particolare lunghezza d'onda (luce monocromatica), viaggiando in modo coerente in una particolare direzione fissa. Questo processo è chiamato amplificazione mediante emissione stimolata.

Il numero di atomi in qualsiasi livello in un dato momento è chiamato popolazione di quel livello. Normalmente, quando il materiale non è eccitato esternamente, la popolazione del livello inferiore o stato fondamentale è maggiore di quella del livello superiore. Quando la popolazione del livello superiore supera quella del livello inferiore, che è un'inversione della normale occupazione, il processo è chiamato inversione della popolazione. Questa situazione è essenziale per un'azione laser. Per qualsiasi emissione stimolata.

È necessario che il livello di energia superiore o lo stato di stabilità soddisfatta abbia una lunga durata, cioè gli atomi si fermino allo stato di stabilità raggiunto per più tempo rispetto al livello inferiore. Pertanto, per l'azione del laser, il meccanismo di pompaggio (eccitazione con sorgente esterna) dovrebbe essere tale da mantenere una popolazione di atomi più alta nel livello di energia superiore rispetto a quella nel livello inferiore.

Controllo del diodo laser

Il diodo laser funziona a una corrente molto più elevata, tipicamente circa 10 volte maggiore di un normale LED. La figura seguente confronta un grafico dell'emissione luminosa di un normale LED e quella di un diodo laser. In un LED l'uscita della luce aumenta costantemente all'aumentare della corrente del diodo. In un diodo laser, tuttavia, la luce laser non viene prodotta fino a quando il livello di corrente non raggiunge il livello di soglia quando inizia a verificarsi l'emissione stimolata. La corrente di soglia è normalmente superiore all'80% della corrente massima che il dispositivo passerà prima di essere distrutto! Per questo motivo, la corrente attraverso il diodo laser deve essere regolata con attenzione.

Confronto tra un LED

Un altro problema è che l'emissione di fotoni è molto dipendente dalla temperatura, il diodo viene già azionato vicino al suo limite e quindi si riscalda, modificando quindi la quantità di luce emessa (fotoni) e la corrente del diodo. Quando il diodo laser funziona in modo efficiente, funziona sull'orlo del disastro! Se la corrente si riduce e scende al di sotto della corrente di soglia, l'emissione stimolata cessa appena un po 'troppa corrente e il diodo viene distrutto.

Poiché lo strato attivo è riempito di fotoni oscillanti, una parte (tipicamente circa il 60%) della luce fuoriesce in un fascio stretto e piatto dal bordo del chip del diodo. Come mostrato nella figura sotto, una parte della luce residua fuoriesce anche dal bordo opposto e viene utilizzata attivare un fotodiodo , che riconverte la luce in corrente elettrica. Questa corrente viene utilizzata come feedback al circuito del driver del diodo automatico, per misurare l'attività nel diodo laser e quindi assicurarsi, controllando la corrente attraverso il diodo laser, che l'uscita di corrente e luce rimanga a un livello costante e sicuro.

Controllo del diodo laser

Applicazioni del diodo laser

I moduli diodi laser sono ideali per applicazioni quali strumentazione scientifica, industriale o scientifica. I moduli diodo laser sono disponibili in un'ampia varietà di lunghezze d'onda, potenze di uscita o forme del fascio.

I laser a bassa potenza vengono utilizzati in un numero crescente di applicazioni familiari, inclusi lettori e registratori CD e DVD, lettori di codici a barre, sistemi di sicurezza, comunicazioni ottiche e strumenti chirurgici

Applicazioni industriali: Incisione, taglio, incisione, perforazione, saldatura, ecc.
Le applicazioni mediche rimuovono i tessuti indesiderati, la diagnostica delle cellule tumorali utilizzando la fluorescenza, i farmaci dentali. In generale, i risultati utilizzando i laser sono migliori dei risultati utilizzando un coltello chirurgico.

Diodi laser utilizzati per le telecomunicazioni: Nel campo delle telecomunicazioni i diodi laser con banda da 1,3 μm e 1,55 μm utilizzati come sorgente di luce principale per i laser a fibra di silice hanno una minore perdita di trasmissione nella banda. Il diodo laser con banda diversa viene utilizzato per il pompaggio della sorgente per l'amplificazione ottica o per il collegamento ottico a breve distanza.

Quindi, questo è tutto Costruzione a diodi laser e i suoi usi. Se sei interessato a costruzione di progetti basati su LED per conto tuo, puoi avvicinarci pubblicando le tue domande o pensieri innovativi nella sezione commenti qui sotto.Ecco una domanda per te, Qual è la funzione di un diodo laser?