Diodlasermaskin

Typer av diodlasermaskiner

Kant-emitterande diodlasrar
Kant-emitterande diodlasrar avger laserljus från kanten av halvledarchippet. De avger ljus parallellt med chipytan. Kant-emitterande diodlasrar bildas av ett chip tillverkat av galliumarsenid (GaAs), indiumfosfid (InP) eller galliumnitrid (GaN). Chipet är sammansatt av två (eller flera) lager, inklusive laddningsutarmningsområdet (aktivt) vid pn-övergången, där lasereffekten uppträder.

Kant-emitterande dioder kan ge höga optiska effektnivåer, allt från milliwatt till tio watt eller mer. De uppvisar också högre än typisk elektrisk effektivitet, jämfört med de flesta andra typer av laser och laserdioder. Dessa lasrar används inom de flesta områden: telekommunikation, optisk datalagring, streckkodsskanning, laserutskrift, optisk avkänning, medicinsk utrustning och industriella lasersystem.

Vertical-cavity ytemitterande diod (VCSED) lasrar
VCSED-enheter kallas oftare för vertikalkavitets ytemitterande lasrar (VCSEL). Dessa är en klass av halvledarlaserdioder som sänder ut laserljus vinkelrätt mot chippets yta, genom chipets övre yta. VCSELs är bildade av ett pn-övergångschip med en vertikal kavitet, bestående av två fördelade Bragg-reflektorspeglar. Det aktiva området, där ljuset initieras av laddningsavstängning, är centrerat mellan dessa speglar. Denna lasertyp fyller i allmänhet den aktiva regionen med kvantbrunnar eller liknande förstärkningsinducerande strukturer. Ljuset sänds ut vinkelrätt mot chipets yta som en cirkulär eller elliptisk stråle med en väldefinierad och symmetrisk profil. Denna strålprofil svarar bra på kollimation, med relativt låg divergens.

Dessa anordningar har flera fördelar jämfört med kant-emitterande diodlasrar. Deras tröskelström är låg, vilket möjliggör hög elektrisk verkningsgrad vid låga effektnivåer. Dessa enheter med en cirkulär strålprofil är väl lämpade för koppling till optiska fibrer. En stor fördel med VCSELs är att de kan tillverkas i wafer-skala, vilket resulterar i lägre produktionskostnader och högre enhetlighet än individuellt konstruerade enheter.

VCSED-lasrar är tillgängliga för att avge ett antal våglängder, från mitten till nära-infrarött, och även synligt ljus. Våglängden på utsignalen är resultatet av materialval, kopplingsdesign och resonanshålighetsform. De används ofta i: fiberoptiska nätverk, optiska sammankopplingar och höghastighetssystem för dataöverföring. De används också i 3D-avkänning för ansiktsigenkänning och djupavkänning i mobila enheter, och i mer allmänna optiska och avkänningsapplikationer som optiska möss, laserskrivare och 3D-skannrar.

Distribuerad återkoppling (DFB) lasrar
DFB-lasrar (distributed feedback) har en liknande struktur som andra halvledarlasrar. Emellertid är inkluderingen av en periodisk gitterstruktur inom det aktiva området, eller den externa vågledaren, unik för denna klass. Det distribuerade återkopplingsgittret består av en periodisk variation i vågledarområdets brytningsindex, vilket resulterar i en periodisk modulering av förstärkningsprofilen. Detta fungerar som en återkopplingsmekanism, som tvingar fram optisk återkoppling/förstärkning vid en vald våglängd samtidigt som andra moder undertrycks. Detta innebär att dessa enheter producerar ljus vid en specifik våglängd med hög spektral renhet och smal linjebredd. Detta är idealiskt för fiberoptisk kommunikation med hög datahastighet, avkänning och olika högupplösta spektroskopi- och metrologiapplikationer.

DFB-lasrar kan också utformas för våglängdsavstämning inom ett begränsat område. Detta är resultatet av temperaturjustering, strömjustering eller en extern återkopplingsmekanism som tillåter justering av brytningsindex.

Kvantkaskadlasrar (QCL)
Kvantkaskadlasern (QCL) använder kvantkaskadövergångar mellan energinivåer inom flera halvledarövergångar som laserkälla. QCL är konstruerade av flera kvantbrunnar, med barriärer som bildas av halvledarskikt med olika bandgap. När en framåtriktad förspänningsström appliceras, färdas elektroner och hål genom flera kvantiserade energinivåer, och genererar effektivt fotoner vid varje övergång. De tillhandahåller emission i de mellaninfraröda och terahertz-områdena i det elektromagnetiska spektrumet och kan sända ut ett brett spektrum av våglängder inom dessa regioner. Majoriteten av mellaninfraröd laserteknik behöver kryogen kylning, medan QCL:er fungerar vid rumstemperatur, vilket gör dem idealiska för applikationer som behöver detta frekvensområde. Att leverera höga optiska effektnivåer gör dem lämpliga för applikationer med högre energi, och levererar kontinuerligt vågläge (CW) med mycket stabil uteffekt.

Relativt enkel inställning av emissionsvåglängden uppnås genom att justera lagertjockleken och förspänningen, vilket gör dem idealiska för spektroskopiska analysapplikationer som kräver flera våglängder. De används också för miljöövervakning, medicinska diagnostiska system, fjärranalys och kommunikation i fritt utrymme.

Externa kavitetsdiodlasrar (ECDL)
ECDL är ett enhetsformat som använder en extern kavitet, vanligtvis en extern reflektor eller ett gitter, för att förstärka laserutgången och kontrollera dess egenskaper. ECDL tillåter ökad avstämning, smal linjebredd och exakt våglängdskontroll jämfört med andra format av diodlasern. De har en liknande struktur som andra diodlasrar, med en framåtriktad pn-övergång och ett aktivt område där fotoner emitteras. Den externa kaviteten läggs till lasern för att ge optisk återkoppling som möjliggör precisionsinställning av emissionsfrekvensen. Denna kavitet inrymmer en reflektor, ett gitter eller annan optisk struktur som reflekterar en del av strålen tillbaka in i kaviteten.

ECDL kan underlätta smalare linjebredder, jämfört med andra diodlasertyper. Den externa kaviteten dämpar oönskade longitudinella lägen och optiskt brus, vilket ger bättre koherens och en smalare linjebredd. Denna klass av enhet är idealisk för tillämpningar som kräver hög spektral renhet för mycket exakt optisk kvantisering.

ECDL:er ger avsevärt förbättrad våglängdsavstämning, jämfört med de flesta diodlasrar. Laservåglängden kan justeras exakt genom att subtilt justera positionen eller infallsvinkeln för den externa reflektorn eller gittret. Detta möjliggör ett brett spektrum av krävande tillämpningar inom spektroskopi, atom- och molekylfysik och metrologi. En fördel med bra design i den externa resonanskaviteten är att justeringen av emissionsfrekvensen kan vara mode-hop-fri – det vill säga mjuka justeringar kan göras mellan önskade våglängder, utan asymptotiska och störande stegförändringar.

Avsmalnande diodlasrar
Avsmalnande diodlasrar (eller avsmalnande förstärkare; koniska lasrar) är en klass av lasrar med en avsmalnande förstärkningskavitet. Dessa lasrar uppnår hög effekt, bra strålkvalitet och hög elektrisk effektivitet. Detta avsmalnande område är bredare vid ingångsänden och smalnar gradvis av mot utgångsänden. Denna avsmalning tjänar till att öka strålbredden och minska den optiska densiteten i laserförstärkningsområdet.

Den avsmalnande förstärkningssektionen möjliggör ökad lägesarea, vilket möjliggör högre optisk effektutvinning. Det hjälper också till att förbättra strålkvalitetskollimationen i utgången. Avsmalningen ökar också effektiviteten i utnyttjandet av den applicerade pumpenergin. En annan fördel med avsmalningen är att öka förstärkningsspektrumet, vilket möjliggör ett bredare spektrum av våglängder i utsignalen. Denna inställning är en särskilt värdefull egenskap hos klassen. Dessa enheter används i stor utsträckning vid materialbearbetning, lasergravering och laserpumpning (för högeffektsgas- och solid-state-lasrar). Deras höga effekt och goda strålkvalitet gör dem lämpade för krävande applikationer där precision, hastighet och kraft är avgörande.

Superluminescent diode (SLD) lasrar
SLD-lasrar (superluminescent diode), även känd som amplified spontaneous emission (ASE)-källor, är en lasertyp som kombinerar egenskaper hos laserdioder och lysdioder. De producerar bredspektrumljus med hög intensitet, vilket gör dem lämpliga för speciella tillämpningar inom bildbehandling, fiberoptisk avkänning och telekom. SLD-lasrar genererar inkoherent ljus genom förstärkt spontan emission. Dessa enheter producerar en bred bandbredd av ljus, från tiotals till hundratals nanometer, vilket gör SLD:er lämpade för applikationer som kräver ett brett spektralområde eller högupplöst bildbehandling. SLD levererar mycket ljus uteffekt, vilket är ett mått på den optiska effekten per enhet rymdvinkel och enhetsvåglängdsbandbredd. Den höga ljusstyrkan är ett resultat av förstärkt spontan emission och optisk förstärkning. Deras utsignal har en kort koherenslängd jämfört med konventionella lasrar. Detta är det avstånd över vilket de elektromagnetiska vågorna bibehåller sitt fasförhållande. Detta gör dem lämpliga för applikationer som kräver lågkoherensinterferens eller djupupplöst bildbehandling. SLD används i optisk koherenstomografi (OCT), fiberoptisk avkänning, spektroskopi, biomedicinsk avbildning, optisk metrologi och optisk testning. De är särskilt värdefulla i OCT-system för högupplöst bildbehandling av biologiska vävnader och material.

Dubbla heterostrukturlasrar
Dubbel heterostrukturlasrar (DH) är en gren av laserdiodfamiljen som integrerar en heterostruktur som förbättrar teknikens prestanda. DH-lasrar har lägre tröskelström, högre effektivitet och ökad uteffekt, jämfört med den vanliga homojunction-konstruktionen.

DH-lasrar är sammansatta av två pn-övergångar bildade i tre lager. Utarmningszonen (mitten, lager av n-typ) är kopplad mellan två lager av p-typ med ett bredare bandgap. Denna konfiguration skapar effektiv inneslutning av bärarna och ett läckagefritt optiskt läge, vilket ökar den elektriska effektiviteten och den totala prestandan. Ökad bärarinneslutning hjälper till att öka bärarens täthet och rekombination, vilket leder till högre förstärkning och förbättrad operativ effektivitet i de flesta aspekter. En sekundär fördel är att heterostrukturen inducerar optisk inneslutning, vilket ökar ljus-materia-interaktionen. Den lägre tröskelströmmen är ett resultat av lägre laddningsbärarläckage, vilket gör det möjligt för lasern att nå tröskeln för början av lasring vid lägre strömnivåer.

Dessa enheter används i stor utsträckning inom telekom, optiska dataenheter, laserutskrift och laseraktiverade mätsystem. De är särskilt värdefulla i fiberoptisk långdistanskommunikation där hög effektivitet, låga tröskelströmmar och hög uteffekt är fördelaktiga.

Kvantbrunnsdiodlasrar
Kvantbrunnsdiodlasrar är en familj av enheter som innehåller kvantgoda strukturer som förbättrar optiska/elektriska egenskaper. De uppnår lägre tröskelström, högre effekteffektivitet och förbättrad våglängdskontroll i förhållande till mer grundläggande enheter. Dessa enheter är konstruerade av en skiktad struktur av tunna halvledarskivor med smalare bandgap, inneslutna i högre bandgaplager. Kvantbrunnsskiktet skapar en inneslutningsregion för både bärare och genererade fotoner, vilket förbättrar den optiska förstärkningen. Den instängda bäraren uppnår högre densitet i kvantbrunnsregionen, vilket underlättar förbättrad användning av bärare för stimulerad emission, vilket resulterar i förbättrad effektomvandlingseffektivitet. De tillåter exakt kontroll över den genererade våglängden genom att justera brunnens bredd och sammansättning. Detta gör att emissionsvåglängden kan justeras exakt till krävande specifikationer.

Kvantbrunnsdiodlasrar är kända för utdata med smal linjebredd. Undertryckandet av longitudinell modkonkurrens och minskat optiskt brus resulterar i bättre koherens och smalare spektralt beteende. Detta enhetsformat är särskilt fördelaktigt inom telekom, optisk datalagring, laserutskrift och medicinsk diagnostik. Kompakta och effektiva strålningskällor för fiberoptisk kommunikation är avgörande för fiberoptik med hög bandbredd och långdistans.

Single longitudinal mode laser (SLM) lasrar
Single longitudinal mode (SLM) lasrar avger ljus för att producera en enda frekvens eller våglängdsutgång med hög koherens och smal linjebredd. SLM-lasrar tillämpar olika tekniker såsom lägesvalselement, frekvensstabiliseringsmetoder och kavitetsdesignoptimering för att uppnå denna enlägesutgång. Undertryckning av störande longitudinella moder genererar en mycket koherent utsignal med ett smalt frekvensspektrum.

SLM-lasrar används inom olika områden som telekom, fiberoptisk avkänning, metrologi, spektroskopi och interferometri och som forskningsverktyg på grund av deras höga koherens, exakta våglängdskontroll och smala linjebredd.

Interband kaskadlasrar
Interbandskaskadlasrar (ICL) arbetar på interbandsövergången mellan olika elektroniska band inom den aktiva regionen. De levererar effektiv och högpresterande drift i det mellaninfraröda våglängdsspektrumet. ICL:er drar nytta av interbandsövergångar mellan energiband inom varje wafer, och utnyttjar kaskadövergångar mellan flera steg/kvantbrunnar för att uppnå förbättrad optisk förstärkning och laseremission. Konventionella diodlasrar är beroende av mer begränsade övergångar inom bandet. De är vanligtvis utformade för att generera strålning i medelinfraröda våglängder, mellan 3 och 12 mikrometer. Flera kvantbrunnssteg är elektriskt anslutna i en kaskadformad konfiguration. Varje steg deltar i förstärkningsprocessen, vilket resulterar i högre optisk förstärkning än enheter med en enda kopplingspunkt.

ICL:er levererar en särskilt låg tröskelström för början av lasring. Högre effektivitet bärartransport och utnyttjande resulterar i lägre energiförbrukning. ICL:er tillämpas på gasavkänning, kemisk analys, miljöövervakning, industriell processkontroll och optisk kommunikation i fritt utrymme. Mellaninfraröd strålning är användbar för att upptäcka och mäta specifika föroreningar.

Separata heterostrukturlasrar för inneslutning
Separat confinement heterostructure (SCH) lasrar använder en heterostrukturdesign för att förbättra optiska och elektriska egenskaper. Detta ger minskade optiska förluster, förbättrad bärvågsinneslutning och förbättrad övergripande prestanda jämfört med vanliga homojunction-lasrar. SCH-lasrar innehåller flera skivor med olika bandgap för att bilda en mer komplex heterostruktur. Utarmningsskiktet är inklämt av bredare bandgap-skikt. Denna komplexitet möjliggör förbättrad inneslutning av både bärare och optiska lägen.

Förbättrad inneslutning och minskat optiskt läckage är resultatet av att kapslingsskikten fångar både optisk aktivitet och laddningsbäraraktivitet inom det aktiva området. Minskat bärarläckage bidrar särskilt till förbättrad tröskelström och elektrisk effektivitet. Detta förbättrar i sin tur prestandan, jämfört med homojunctionlasrar, genom att förbättra temperaturstabiliteten, högre moduleringsbandbredd och temperaturberoende våglängdsdrift. SCH-lasrar är särskilt användbara i applikationer som kräver effektivitet och temperaturstabilitet. De är lämpade för allmänna applikationer som telekom, optisk datalagring, laserutskrift, optisk avkänning och laserbaserad forskning, men de är särskilt lämpade för tuffare miljöer och fiberoptiska kommunikationssystem.

Distribuerade bragg reflector (DBR) lasrar
DBR-enheter (Distributed Bragg-reflektor) är enheter som har en distribuerad Bragg-reflektor integrerad i förstärkarkaviteten. Denna aspekt tillåter exakt kontroll av emitterad frekvens och smal filtrering för god spektral renhet och urval. Bragg-gallret består av alternerande lager av material med högt och lågt brytningsindex som fungerar som en våglängdsselektiv spegel. Denna struktur reflekterar ljus av alla icke valda våglängder samtidigt som den tillåter den önskade strålningen att fortplanta sig genom förstärkningskaviteten. Denna struktur ger exakt våglängdsselektivitet, och genom att justera gitterperioden eller brytningsindexparen kan den emitterade våglängden ställas in över ett område. Detta underlättar anpassning och kompatibilitet med en rad applikationer, inklusive våglängdsdelningsmultiplexsystem (WDM) och optisk koherenstomografi (OCT).

DBR-lasrar ger smal linjebredd som ett resultat av den distribuerade återkopplingen från Bragg-gittret. Gittret undertrycker oönskade longitudinella moder och resulterar i en enkelmodemission med smal spektral bredd. Dessa enheter levererar fördelaktiga, höga sidolägesundertryckningsförhållanden (HSMSR), som representerar effektskillnaden mellan det önskade laserläget och de angränsande lägena, vilket ger ett mått på selektivitet, spektral renhet och smal linjebredd.

DBR-lasrar används inom telekom, fiberoptisk avkänning, spektroskopi, metrologi och optisk koherenstomografi. De används som exakta och stabila ljuskällor i olika system som kräver specifika våglängder, smala linjebredder och hög spektral renhet.

Vertikal-extern-kavitets ytemitterande lasrar
Vertical-external-cavity ytemitterande lasrar (VECSEL) är en specialisttyp av laseranordning som kombinerar de fördelaktiga egenskaperna hos både vertikala kavitets ytemitterande lasrar (VCSEL) och externa kavitetsdiodlasrar (ECDL). Detta resulterar i unika egenskaper som hög uteffekt, våglängdsavstämning och utmärkt strålkvalitet.

VECSELs har sin laserkavitet vertikalt orienterad, så ljus sänds ut vinkelrätt mot chipytan. Denna vertikala design möjliggör effektiv värmeavledning och exakt kontroll över den utsända strålen. Deras yttre kavitetskonfiguration är konstruerad av ytterligare reflekterande ytor placerade utanför chipstrukturen. Detta möjliggör våglängdskontroll, strålformning och effektskalning. VECSELs kan ha högre uteffekt än VCSELs eftersom den externa kavitetskonfigurationen förbättrar värmeavledning. Exakt våglängdsinställning över ett brett spektralområde uppnås genom att ändra läget för de yttre kavitetsspeglarna eller justera enhetens driftstemperatur. Genom precisionsdesignad extern kavitetsanvändning uppnår VECSELs en högkvalitativ uteffekt med låg divergensvinkel och enhetlig strålprofil.

VECSELs används inom vetenskaplig forskning, materialbearbetning, medicinsk diagnostik, optisk avkänning och telekom. De tjänar precisionstillämpningar som laserspektroskopi, laserkylning och infångning/manipulation av atomer, laserablation och optisk kommunikation med hög datahastighet.

Lasrar i multi-longitudinell läge (MLM).
Multi-longitudinal mode (MLM) lasrar erbjuder den ovanliga möjligheten att sända ut på flera, tätt placerade men smala frekvensband, över ett relativt brett spektrum. De longitudinella lägena i MLM-lasrar är snäva åtskilda. Avståndet beror på den funktionella utformningen av resonanshåligheten såsom dess längd och lasermediets brytningsindex. Deras breda emissionsspektrum beror på närvaron av dessa flera lägen. Den spektrala bredden och fördelningen av moden uppstår på grund av kavitets- och korsningsdesignen och även från driftsförhållandena.

MLM-lasrar används inom spektroskopi, metrologi, interferometri och telekom. De är särskilt tillämpliga på optisk koherenstomografi (OCT), där högupplöst bildåtergivning är möjlig, som ett resultat av interferensen av de multipla longitudinella lägena.

Applicering av diodlasermaskin

Hur man underhåller en diodlasermaskin

Hur fungerar diodlaser

Diodlasrar fungerar genom att stimulera emissionen av fotoner vid en halvledarövergång. Halvledarmaterialet har specifika energibandgap som utlöser generering och förstärkning av koherent ljus. En diod består av en pn-övergång. Regionen av n-typ skapar ett överskott av negativt laddade bärare (elektroner) medan p-typen skapar ett överskott av positivt laddade bärare (hål). Kopplingen bildar en utarmningsområde mellan de två materialen. När en framåtriktad förspänning (+ve till p och -ve till n-materialet) appliceras över korsningen, flyter ström. Detta gör att laddningsbärare rör sig över korsningen. Elektroner från n-regionen och hål från p-regionen injiceras i utarmningsregionen. Dessa möts och neutraliserar och frigör en foton för varje avbruten laddning.

Diodlasern är utformad med reflekterande ytor i ändarna, som bildar en "optisk kavitet". Fotonerna reflekteras internt och optisk återkoppling förbättrar de stimulerade emissionerna och resulterar i smalbandigt, koherent ljus. Stimulerande emission uppstår också när en foton interagerar med en exciterad elektron, vilket får den att emittera en annan foton. Dessa ytterligare fotoner är identiska med den utlösande fotonen, vilket leder till förstärkning. När den stimulerade emissionen fortsätter och fotoner reflekteras i kaviteten, ökar intensiteten hos laserenergin.