Диодный лазерный станок

Типы диодных лазерных установок

Диодные лазеры с краевым излучением
Диодные лазеры с краевым излучением излучают лазерный свет от края полупроводникового чипа. Они излучают свет параллельно поверхности чипа. Диодные лазеры с краевым излучением изготавливаются из чипа, изготовленного из арсенида галлия (GaAs), фосфида индия (InP) или нитрида галлия (GaN). Чип состоит из двух (или более) слоев, включая зону обеднения заряда (активную) на pn-переходе, где возникает лазерный эффект.

Диоды с краевым излучением могут обеспечивать высокие уровни оптической мощности — от милливатт до десяти ватт и более. Они также демонстрируют более высокий, чем обычно, электрический КПД по сравнению с большинством других типов лазеров и лазерных диодов. Эти лазеры используются в большинстве областей: телекоммуникации, оптическое хранение данных, сканирование штрих-кодов, лазерная печать, оптическое распознавание, медицинское оборудование и промышленные лазерные системы.

Лазеры на диодах поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSED)
Устройства VCSED чаще называют лазерами поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL). Это класс полупроводниковых лазерных диодов, которые излучают лазерный свет перпендикулярно поверхности чипа через верхнюю поверхность чипа. VCSEL выполнены из кристалла pn-перехода с вертикальным резонатором, состоящего из двух распределенных зеркал брэгговского отражателя. Активная область, где свет инициируется в результате подавления заряда, расположена между этими зеркалами. Этот тип лазера обычно заполняет активную область квантовыми ямами или аналогичными структурами, индуцирующими усиление. Свет излучается перпендикулярно поверхности чипа в виде кругового или эллиптического луча с четко выраженным и симметричным профилем. Этот профиль луча хорошо реагирует на коллимацию и имеет относительно низкую расходимость.

Эти устройства имеют ряд преимуществ перед диодными лазерами с торцевым излучением. Их пороговый ток низок, что обеспечивает высокий электрический КПД при низких уровнях мощности. Эти устройства с круглым профилем луча хорошо подходят для подключения к оптическим волокнам. Основным преимуществом VCSEL является то, что их можно производить в масштабе пластины, что приводит к снижению производственных затрат и большей однородности, чем устройства, изготовленные индивидуально.

Лазеры VCSED излучают диапазон длин волн: от среднего до ближнего инфракрасного, а также видимый свет. Длина волны выходного сигнала зависит от выбора материала, конструкции перехода и формы резонансной полости. Они широко используются в волоконно-оптических сетях, оптических межсоединениях и системах высокоскоростной передачи данных. Они также используются в 3D-зондировании для распознавания лиц и измерения глубины в мобильных устройствах, а также в более общих оптических и сенсорных приложениях, таких как оптические мыши, лазерные принтеры и 3D-сканеры.

Лазеры с распределенной обратной связью (DFB)
Лазеры с распределенной обратной связью (DFB) имеют структуру, аналогичную другим полупроводниковым лазерам. Однако включение периодической решетчатой ​​структуры в активную область или внешний волновод является уникальным для этого класса. Решетка с распределенной обратной связью состоит из периодического изменения показателя преломления волноводной области, что приводит к периодической модуляции профиля усиления. Это действует как механизм обратной связи, вызывая оптическую обратную связь/усиление на выбранной длине волны, подавляя при этом другие моды. Это означает, что эти устройства излучают свет определенной длины волны с высокой спектральной чистотой и узкой шириной линии. Это идеальное решение для высокоскоростной оптоволоконной связи, зондирования и различных спектроскопических и метрологических приложений высокого разрешения.

DFB-лазеры также могут быть спроектированы с возможностью перестройки длины волны в ограниченном диапазоне. Это происходит в результате настройки температуры, настройки тока или внешнего механизма обратной связи, который позволяет регулировать показатель преломления.

Квантовые каскадные лазеры (ККЛ)
Квантовый каскадный лазер (ККЛ) использует квантовые каскадные переходы между уровнями энергии внутри нескольких полупроводниковых переходов в качестве лазерного источника. ККЛ состоят из нескольких квантовых ям с барьерами, образованными полупроводниковыми слоями с различной шириной запрещенной зоны. Когда подается прямой ток смещения, электроны и дырки проходят через несколько квантованных энергетических уровней, эффективно генерируя фотоны на каждом переходе. Они обеспечивают излучение в средней инфракрасной и терагерцовой областях электромагнитного спектра и могут излучать широкий диапазон длин волн в этих областях. Большинство лазерных технологий среднего инфракрасного диапазона требуют криогенного охлаждения, тогда как QCL работают при комнатной температуре, что делает их идеальными для приложений, требующих этого диапазона частот. Обеспечивая высокие уровни оптической мощности, они подходят для приложений с более высокими энергиями, обеспечивая режим непрерывного излучения (CW) с очень стабильным выходным сигналом.

Относительно простая настройка длины волны излучения достигается за счет регулировки толщины слоя и напряжения смещения, что делает их идеальными для приложений спектроскопического анализа, требующих нескольких длин волн. Они также используются для мониторинга окружающей среды, систем медицинской диагностики, дистанционного зондирования и связи в открытом космосе.

Диодные лазеры с внешним резонатором (ECDL)
ECDL — это формат устройства, в котором используется внешний резонатор, обычно внешний отражатель или решетка, для усиления выходного сигнала лазера и управления его характеристиками. ECDL обеспечивают повышенную перестраиваемость, узкую ширину линии и точный контроль длины волны по сравнению с другими форматами диодных лазеров. Они имеют структуру, аналогичную другим диодным лазерам, с прямосмещенным pn-переходом и активной областью, в которой испускаются фотоны. К лазеру добавляется внешний резонатор для обеспечения оптической обратной связи, позволяющей точно настраивать частоту излучения. В этой полости находится отражатель, решетка или другая оптическая структура, которая отражает часть луча обратно в полость.

ECDL могут обеспечить более узкую ширину линии по сравнению с другими типами диодных лазеров. Внешний резонатор подавляет нежелательные продольные моды и оптический шум, обеспечивая лучшую когерентность и более узкую ширину линии луча. Этот класс устройств идеально подходит для приложений, требующих высокой спектральной чистоты для очень точного оптического квантования.

ECDL обеспечивают значительно улучшенную настройку длины волны по сравнению с большинством диодных лазеров. Длину волны лазера можно точно настроить путем тонкой регулировки положения или угла падения внешнего отражателя или решетки. Это позволяет реализовать широкий спектр требовательных приложений в спектроскопии, атомной и молекулярной физике, а также метрологии. Преимущество хорошей конструкции внешнего резонансного резонатора состоит в том, что регулировка частоты излучения может быть свободной от скачков мод, то есть можно осуществлять плавную регулировку между желаемыми длинами волн без асимптотических и разрушительных ступенчатых изменений.

Конические диодные лазеры
Конические диодные лазеры (или конические усилители; конические лазеры) представляют собой класс лазеров с коническим резонатором усиления. Эти лазеры обеспечивают высокую выходную мощность, хорошее качество луча и высокий электрический КПД. Эта сужающаяся область шире на входном конце и постепенно сужается к выходному концу. Такое сужение служит для увеличения ширины пучка и уменьшения оптической плотности в области лазерного усиления.

Коническая секция усиления позволяет увеличить область мод, обеспечивая более высокую мощность извлечения оптической мощности. Это также помогает улучшить качество коллимации луча на выходе. Конусность также повышает эффективность использования приложенной энергии насоса. Еще одним преимуществом конуса является увеличение спектра усиления, что позволяет использовать более широкий диапазон длин волн на выходе. Эта возможность настройки является особенно ценной особенностью этого класса. Эти устройства широко используются при обработке материалов, лазерной гравировке, лазерной накачке (для мощных газовых и твердотельных лазеров). Их высокая мощность и хорошее качество луча делают их подходящими для требовательных применений, в которых важны точность, скорость и мощность.

Суперлюминесцентные диодные (СЛД) лазеры
Лазеры SLD (суперлюминесцентные диоды), также известные как источники усиленного спонтанного излучения (ASE), представляют собой тип лазера, сочетающий в себе свойства лазерных диодов и светодиодов. Они излучают свет широкого спектра высокой интенсивности, что делает их пригодными для конкретных приложений в области визуализации, оптоволоконных датчиков и телекоммуникаций. Лазеры SLD генерируют некогерентный свет посредством усиленного спонтанного излучения. Эти устройства производят свет в широкой полосе пропускания, от десятков до сотен нанометров, что делает SLD подходящими для приложений, требующих широкого спектрального диапазона или получения изображений с высоким разрешением. SLD обеспечивает очень яркий выходной сигнал, который является мерой оптической мощности на единицу телесного угла и на единицу полосы пропускания длины волны. Высокая яркость является результатом усиленного спонтанного излучения и оптического усиления. Их выходной сигнал имеет короткую длину когерентности по сравнению с обычными лазерами. Это расстояние, на котором электромагнитные волны сохраняют свое фазовое соотношение. Это делает их подходящими для приложений, требующих низкокогерентных помех или изображений с разрешением по глубине. SLD используются в оптической когерентной томографии (ОКТ), волоконно-оптическом зондировании, спектроскопии, биомедицинской визуализации, оптической метрологии и оптических испытаниях. Они особенно ценны в системах ОКТ для получения изображений биологических тканей и материалов с высоким разрешением.

Лазеры с двойной гетероструктурой
Лазеры с двойной гетероструктурой (DH) — это ветвь семейства лазерных диодов, которая объединяет гетероструктуру, улучшающую производительность технологии. ДГ-лазеры имеют более низкий пороговый ток, более высокий КПД и увеличенную выходную мощность по сравнению с обычной конструкцией гомоперехода.

ДГ-лазеры собраны из двух pn-переходов, сформированных в три слоя. Зона обеднения (центр, слой n-типа) находится между двумя слоями p-типа с более широкой запрещенной зоной. Такая конфигурация обеспечивает эффективное ограничение носителей и оптический режим без утечек, повышая электрический КПД и общую производительность. Увеличенное ограничение носителей помогает увеличить плотность носителей и рекомбинацию, что приводит к более высокому коэффициенту усиления и повышению эксплуатационной эффективности в большинстве аспектов. Вторичным преимуществом является то, что гетероструктура вызывает оптическое ограничение, усиливая взаимодействие света и материи. Более низкий пороговый ток обусловлен меньшей утечкой носителей заряда, что позволяет лазеру достигать порога начала генерации при более низких уровнях тока.

Эти устройства широко используются в телекоммуникациях, оптических устройствах обработки данных, лазерной печати и лазерных измерительных системах. Они особенно ценны в оптоволоконной связи на большие расстояния, где выгодны высокая эффективность, низкие пороговые токи и высокая выходная мощность.

Диодные лазеры с квантовыми ямами
Диодные лазеры с квантовыми ямами — это семейство устройств, которые содержат квантово-хорошие структуры, улучшающие оптические/электрические свойства. Они достигают более низкого порогового тока, более высокой энергоэффективности и улучшенного управления длиной волны по сравнению с более простыми устройствами. Эти устройства построены из слоистой структуры тонких полупроводниковых пластин с более узкой запрещенной зоной, заключенных в слои с более высокой запрещенной зоной. Слой квантовой ямы создает область ограничения как для носителей, так и для генерируемых фотонов, улучшая оптическое усиление. Ограниченные носители достигают более высокой плотности в области квантовой ямы, что способствует более эффективному использованию носителей для стимулированного излучения, что приводит к повышению эффективности преобразования энергии. Они позволяют точно контролировать генерируемую длину волны, регулируя ширину и состав лунки. Это позволяет точно настроить длину волны излучения в соответствии с требованиями технических характеристик.

Диодные лазеры с квантовыми ямами известны своей выходной мощностью с узкой шириной линии. Подавление конкуренции продольных мод и уменьшение оптического шума приводят к лучшей когерентности и более узкому спектральному поведению. Этот формат устройства особенно полезен в телекоммуникациях, оптическом хранении данных, лазерной печати и медицинской диагностике. Компактные и эффективные источники излучения для оптоволоконной связи имеют решающее значение в волоконной оптике с высокой пропускной способностью и на большие расстояния.

Лазеры с одной продольной модой (SLM)
Лазеры с одной продольной модой (SLM) излучают свет, создавая выходной сигнал одной частоты или длины волны с высокой когерентностью и узкой шириной линии. В лазерах SLM применяются различные методы, такие как элементы выбора режима, методы стабилизации частоты и оптимизация конструкции резонатора, для достижения одномодового выходного сигнала. Подавление мешающих продольных мод создает высококогерентный выходной сигнал с узким частотным спектром.

Лазеры SLM используются в различных областях, таких как телекоммуникации, оптоволоконные датчики, метрология, спектроскопия и интерферометрия, а также в качестве исследовательских инструментов из-за их высокой когерентности, точного управления длиной волны и узкой ширины линии.

Межзонные каскадные лазеры
Межзонные каскадные лазеры (МКЛ) работают на межзонном переходе между различными электронными зонами внутри активной области. Они обеспечивают эффективную и высокопроизводительную работу в среднем инфракрасном диапазоне длин волн. ICL извлекают выгоду из межзонных переходов между энергетическими зонами внутри каждой пластины, используя каскадные переходы между несколькими этапами/квантовыми ямами для достижения улучшенного оптического усиления и лазерного излучения. Обычные диодные лазеры основаны на более ограниченных внутризонных переходах. Обычно они предназначены для генерации излучения в диапазоне средних инфракрасных волн, от 3 до 12 микрометров. Несколько ступеней с квантовыми ямами электрически соединены в каскадную конфигурацию. Каждый каскад участвует в процессе усиления, что приводит к более высокому оптическому усилению, чем у однопереходных устройств.

ICL обеспечивают особенно низкий пороговый ток начала генерации. Более высокая эффективность транспортировки и использования носителей приводит к снижению энергопотребления. ICL применяются для измерения газов, химического анализа, мониторинга окружающей среды, управления промышленными процессами и оптической связи в свободном пространстве. Среднее инфракрасное излучение полезно для обнаружения и измерения конкретных загрязнителей.

Лазеры на гетероструктурах с раздельным ограничением
Лазеры на гетероструктурах с раздельным ограничением (SCH) используют конструкцию гетероструктуры для улучшения оптических и электрических свойств. Это обеспечивает снижение оптических потерь, улучшенное ограничение носителей и улучшенную общую производительность по сравнению с обычными лазерами на гомопереходе. SCH-лазеры включают в себя несколько пластин с различной шириной запрещенной зоны, образуя более сложную гетероструктуру. Слой обеднения окружен слоями с более широкой запрещенной зоной. Эта сложность позволяет улучшить ограничение как несущих, так и оптических мод.

Улучшенное ограничение и уменьшение оптической утечки являются результатом того, что слои оболочки улавливают как оптическую активность, так и активность носителей заряда в активной области. Уменьшение утечки носителей особенно способствует улучшению порогового тока и электрического КПД. В свою очередь, это повышает производительность по сравнению с лазерами на гомопереходе за счет улучшения температурной стабильности, более широкой полосы модуляции и температурно-зависимого дрейфа длины волны. SCH-лазеры особенно полезны в приложениях, требующих эффективности и температурной стабильности. Они подходят для общих приложений, таких как телекоммуникации, оптическое хранение данных, лазерная печать, оптическое зондирование и лазерные исследования, но они особенно подходят для более суровых условий и систем оптоволоконной связи.

Лазеры с распределенным брэгговским отражателем (DBR)
Устройства с распределенным брэгговским отражателем (DBR) — это устройства, которые включают в себя распределенный брэгговский отражатель, встроенный в резонатор усиления. Этот аспект обеспечивает точный контроль излучаемой частоты и узкую фильтрацию для обеспечения хорошей спектральной чистоты и селекции. Решетка Брэгга состоит из чередующихся слоев материалов с высоким и низким показателем преломления, которые действуют как селективное зеркало по длине волны. Эта структура отражает свет всех невыбранных длин волн, позволяя желаемому излучению распространяться через полость усиления. Эта структура обеспечивает точную избирательность по длине волны, а регулируя период решетки или пары показателей преломления, излучаемую длину волны можно настраивать в определенном диапазоне. Это облегчает настройку и совместимость с рядом приложений, включая системы мультиплексирования с разделением по длине волны (WDM) и оптическую когерентную томографию (OCT).

Лазеры DBR обеспечивают выходную мощность узкой ширины линии в результате распределенной обратной связи брэгговской решетки. Решетка подавляет нежелательные продольные моды и приводит к одномодовому излучению с узкой спектральной шириной. Эти устройства обеспечивают выгодные высокие коэффициенты подавления боковых мод (HSMSR), которые представляют собой разницу мощности между желаемой лазерной модой и соседними модами, обеспечивая меру селективности, спектральной чистоты и узкой ширины линии.

Лазеры DBR используются в телекоммуникациях, волоконно-оптическом зондировании, спектроскопии, метрологии и оптической когерентной томографии. Они используются в качестве точных и стабильных источников света в различных системах, требующих определенных длин волн, узкой ширины линий и высокой спектральной чистоты.

Лазеры поверхностного излучения с вертикальным внешним резонатором
Лазеры поверхностного излучения с вертикальным внешним резонатором (VECSEL) представляют собой специализированный тип лазерного устройства, которое сочетает в себе полезные свойства как лазеров поверхностного излучения с вертикальным резонатором (VCSEL), так и диодных лазеров с внешним резонатором (ECDL). Это приводит к уникальным характеристикам, таким как высокая выходная мощность, возможность настройки длины волны и превосходное качество луча.

Лазерный резонатор VECSEL ориентирован вертикально, поэтому свет излучается перпендикулярно поверхности чипа. Такая вертикальная конструкция обеспечивает эффективное рассеивание тепла и точный контроль излучаемого луча. Конфигурация их внешней полости состоит из дополнительных отражающих поверхностей, расположенных вне структуры чипа. Это позволяет управлять длиной волны, формировать луч и масштабировать мощность. VECSEL способны выдавать более высокую выходную мощность, чем VCSEL, поскольку конфигурация внешней полости улучшает рассеивание тепла. Точная настройка длины волны в широком спектральном диапазоне достигается за счет изменения положения зеркал внешнего резонатора или регулировки рабочей температуры устройства. Благодаря точно спроектированному использованию внешнего резонатора, VECSEL достигают высококачественного выходного сигнала с низким углом расхождения и равномерным профилем луча.

VECSEL используются в научных исследованиях, обработке материалов, медицинской диагностике, оптическом зондировании и телекоммуникациях. Они служат прецизионным приложениям, таким как лазерная спектроскопия, лазерное охлаждение и захват/манипулирование атомами, лазерная абляция и оптическая связь с высокой скоростью передачи данных.

Многопродольные лазеры (MLM)
Лазеры с многопродольной модой (MLM) предлагают необычную возможность излучения в нескольких близко расположенных, но узких диапазонах частот в относительно широком спектре. Продольные моды в МЛМ-лазерах расположены узко друг от друга. Расстояние зависит от функциональной конструкции резонансной полости, такой как ее длина и показатель преломления лазерной среды. Их широкий спектр излучения обусловлен наличием этих нескольких мод. Спектральная ширина и распределение мод обусловлены конструкцией резонатора и перехода, а также условиями эксплуатации.

МЛМ-лазеры используются в спектроскопии, метрологии, интерферометрии и телекоммуникациях. Они особенно применимы для оптической когерентной томографии (ОКТ), в которой возможно получение изображений с высоким разрешением в результате интерференции множества продольных мод.

Применение диодного лазера

Как обслуживать диодный лазерный станок

Как работает диодный лазер

Диодные лазеры работают, стимулируя излучение фотонов на полупроводниковом переходе. Полупроводниковый материал имеет определенные энергетические запрещенные зоны, которые вызывают генерацию и усиление когерентного света. Диод состоит из pn перехода. Область n-типа создает избыток отрицательно заряженных носителей (электронов), а область p-типа создает избыток положительно заряженных носителей (дырок). Соединение образует обедненную область между двумя материалами. Когда напряжение прямого смещения (+ve к материалу p и -ve к материалу n) прикладывается к переходу, течет ток. Это заставляет носители заряда перемещаться через переход. Электроны из n-области и дырки из p-области инжектируются в обедненную область. Они встречаются и нейтрализуются, высвобождая фотон при каждом погашенном заряде.

Диодный лазер имеет отражающие поверхности на концах, образующие «оптический резонатор». Фотоны отражаются внутрь, а оптическая обратная связь усиливает стимулированное излучение и приводит к узкополосному когерентному свету. Стимулирующее излучение также происходит, когда фотон взаимодействует с возбужденным электроном, заставляя его испускать другой фотон. Эти дополнительные фотоны идентичны триггерному фотону, что приводит к усилению. По мере продолжения стимулированного излучения и отражения фотонов внутри резонатора интенсивность лазерной энергии увеличивается.