Лазерные диоды. Виды и подключение. Устройство и работа

Шаг 1: Диод

Сначала сделаем главные вещи. Нам нужно снять со старого ДВД привода лазерный диод. Откройте привод, найдите движущуюся часть с линзой. Обычно там находится два диода — инфракрасный для CD и просто красный для DVD. Аккуратно отсоедините их, предварительно сняв статическое электричество.

Не выбрасывайте остальные части — линзы могут быть полезны в этом проекте, а мелкие неодимовые магниты могут пригодиться для других проектов. Сказать честно, у меня нет DVD повода вот уже 3 года, поэтому я просто купил новые диоды LPC836 на Ali — это самые мощные диоды, использующиеся для приводов.

Шаг 2: Оптика

Теперь поговорим об оптике для самодельного лазера. Как я уже говорил, вы можете использовать родные линзы с DVD, но нужно будет подумать как их закрепить. Я рекомендую купить корпус aixiz (Ali) — стоит недорого и убережёт вас от проблем с правильной фокусировкой луча. Поместим наш диод в корпус.

Шаг 3: Питание

Показать еще 4 изображения

Следующий шаг — ограничитель тока (драйвер). К сожалению, не получится просто соединить диод батарейкой — он сразу же сгорит. Поэтому нам нужно собрать простую схему. Если, прежде чем посмотреть моё видео, вы уже гуглили что-то о том как сделать лазер из дисковода, то, вероятно, видели одну простую схему. Я не рекомендую так делать, так как эта схема 100% убьёт ваш диод, это всего лишь вопрос времени.

Для сборки правильной схемы нам понадобится всего два компонента: Чип LM317 (Ali) и резистор 3.3Ohm 2W (Ali). Я также использовал небольшой радиатор, но чип остается всегда холодным — вам он не понадобится.

Припаяйте резистор к первым двум клеммам LM317. Также припаяйте по проводу к первой и последней клемме — первый пойдёт на плюс лазерного диода, а третий на плюс блока питания, минус идёт прямо от батарейки на лазер. Один важный момент: так как я использовал новый диод, я был 100% уверен, что он выдержит силу тока, если вы не уверены в этом, то последовательно соедините два резистора на 3.3 Ohm — это обезопасит диоды практически от любого DVD привода. Для защиты от замыкания используйте термоусадку. Всё готово!

Шаг 4: Финал

Показать еще 4 изображения

Для тех, у кого немного больше опыта, я предлагаю сделать своими руками другую схему, выложенную для ознакомления. Когда я определился с корпусом, я сделал радиатор из алюминиевой шайбы. Я планировал припаять все платы к корпусу лазера но не нашел хорошего флюса, поэтому просто вложил всё внутрь. Лучшее, что я смог придумать — это приклеить всё по местам горячим пистолетом, а затем вдавить поверх алюминиевый радиатор с источником лазера.

Шаг 5: P.S.

Лазерные диоды — ранее изготовление лазеров было связано с большими трудностями, так как для этого необходим маленький кристалл и разработка схемы для его функционирования. Для простого радиолюбителя такая задача была невыполнимой.

С развитием новых технологий возможность получения лазерного луча в бытовых условиях стала реальностью. Электронная промышленность сегодня производит миниатюрные полупроводники, которые могут генерировать луч лазера. Этими полупроводниками стали лазерные диоды.

Повышенная оптическая мощность и отличные функциональные параметры полупроводника позволяют применять его в измерительных устройствах повышенной точности как на производстве, в медицине, так и в быту. Они являются основой для записи и чтения компьютерных дисков, школьных лазерных указок, уровнемеров, измерителей расстояния и многих других полезных для человека устройств.

Возникновение такого нового электронного компонента является революцией в создании электронных устройств разной сложности. Диоды высокой мощности образуют луч, который используется в медицине при выполнении различных хирургических операций, в частности по восстановлению зрения. Луч лазера способен быстро произвести коррекцию хрусталика глаза.

Лазерные диоды используются в измерительных приборах в быту и промышленности. Устройства изготавливают с разной мощностью. Мощности 8 Вт хватит для сборки в бытовых условиях портативного уровнемера. Этот прибор надежен в работе, способен создать лазерный луч очень большой длины. Попадание лазерного луча в глаза очень опасно, так как на малом расстоянии луч способен к повреждениям мягких тканей.

Устройство и принцип работы

В простом диоде на анод подается положительное напряжение, то речь идет о смещении диода в прямом направлении. Дырки из области «р» инжектируются в область «n» р-n перехода, а из области «n» в область «р» полупроводника. При расположении дырки и электрона рядом друг с другом, то они рекомбинируют и выделяют фотонную энергию с некоторой длиной волны и фонона. Этот процесс получил название спонтанного излучения. В светодиодах он является главным источником.

Но при некоторых условиях дырка и электрон способны находиться перед рекомбинацией в одном месте продолжительное время (несколько микросекунд). Если по этой области в это время пройдет фотон с частотой резонанса, то он вызовет вынужденную рекомбинацию, и при этом выделится второй фотон. Его направление, фаза и вектор поляризации будут абсолютно совпадать с первым фотоном.

Кристалл полупроводника изготавливают в виде тонкой пластинки формы прямоугольника. По сути дела, эта пластинка и играет роль оптического волновода, в котором излучение действует в ограниченном объеме. Поверхностный слой кристалла модифицируется с целью образования области «n». Нижний слой служит для создания области «р».

В конечном итоге получается плоский переход р-n значительной площади. Два боковых торца кристалла подвергают полировке для создания параллельных гладких плоскостей, образующих оптический резонатор. Случайный фотон перпендикулярного плоскостям спонтанного излучения пройдет по всему оптическому волноводу. При этом перед выходом наружу фотон несколько раз будет отражаться от торцов и, проходя вдоль резонаторов, создаст вынужденную рекомбинацию, образуя при этом новые фотоны с такими же параметрами, чем вызовет усиление излучения. Когда усиление превзойдет потери, начнется создание лазерного луча.

Существуют различные типы лазерных диодов. Основные из них выполнены на особо тонких слоях. Их структура способна создавать излучение только параллельно. Но если волновод выполнить широким в сравнении с длиной волны, то он будет функционировать уже в различных поперечных режимах. Такие лазерные диоды называют многодомовыми.

Использование таких лазеров оправдано для создания повышенной мощности излучения без качественной сходимости луча. Допускается некоторое его рассеивание. Этот эффект используется для накачки других лазеров, в химическом производстве, лазерных принтерах. Однако при необходимости определенной фокусировки луча, волновод должен выполняться с шириной, сравнимой с длиной волны.

В этом случае ширина луча зависит от границ, которые наложены дифракцией. Такие приборы используются в запоминающих оптических устройствах, оптоволоконной технике, лазерных указателях. Необходимо заметить, что эти лазеры не способны поддержать несколько продольных режимов, и излучать лазерный луч на разных длинах волн в одно время. Запрещенная зона между уровнями энергии «р» и «n» областей диода влияет на длину волны луча.

Лазерный луч на выходе сразу расходится, так как излучающий компонент очень тонкий. Чтобы компенсировать это явление и создать тонкий луч, используют собирающие линзы. Для широких многодомовых лазеров используются цилиндрические линзы. В случае однодомовых лазеров, при применении симметричных линз, лазерный луч будет иметь эллиптическое поперечное сечение, так как вертикально расхождение превосходит размер луча в горизонтальной плоскости. Наглядным примером для этого служит лазерная указка.

В рассмотренном элементарном устройстве нельзя выделить определенную длину волны, кроме волны оптического резонатора. В устройствах, имеющих материал, способный усилить луч в большом интервале частот, и с несколькими режимами, возможно действие на разных волнах.

Обычно лазерные диоды функционируют на одной волне, обладающей, однако значительной нестабильностью, и зависящей от различных факторов.

Разновидности

Устройство рассмотренных выше диодов имеет n-р структуру. Такие диоды имеют низкую эффективность, требуют значительную мощность на входе, и работают только в режиме импульсов. По-другому они работать не могут, так как быстро перегреются, поэтому не получили широкого применения на практике.

Лазеры с двойной гетероструктурой имеют слой вещества с узкой запрещенной зоной. Этот слой находится между слоями материала, у которого широкая запрещенная зона. Обычно для изготовления лазера с двойной гетероструктурой применяют арсенид алюминия-галлия и арсенид галлия. Каждыи из этих соединений с двумя разными полупроводниками получили название гетероструктуры.

Достоинством лазеров с такой особенной структурой является то, что область дырок и электронов, которую называют активной областью, находится в среднем тонком слое. Следовательно, что создавать усиление будут намного больше пар дырок и электронов. В области с малым усилением таких пар останется мало. В дополнение свет станет отражаться от гетеропереходов. Другими словами излучение будет полностью находиться в области наибольшего эффективного усиления.

Диод с квантовыми ямами

При выполнении среднего слоя диода более тонким, он начинает функционировать в качестве квантовой ямы. Поэтому электронная энергия будет квантоваться вертикально. Отличие между уровнями энергии квантовых ям применяется для образования излучения вместо будущего барьера.

Это эффективно для управления волной луча, зависящей от толщины среднего слоя. Такой вид лазера намного эффективнее, в отличие от однослойного, так как плотность дырок и электронов распределена более равномерно.

Гетероструктурные лазерные диоды

Основной особенностью тонкослойных лазеров является то, что они не способны эффективно удерживать луч света. Для решения этой задачи по обеим сторонам кристалла прикладывают два дополнительных слоя, которые обладают более низким преломлением, в отличие от центральных слоев. Подобная структура похожа на световод. Она намного лучше удерживает луч. Это гетероструктуры с отдельным удержанием. По такой технологии произведено большинство лазеров в 90-х годах.

Лазеры с обратной связью в основном применяют для волоконно-оптической связи. Для стабилизации волны на р-n переходе выполняют поперечную насечку для создания дифракционной решетки. Из-за этого в резонатор возвращается и усиливается только одна длина волны. Такие лазеры имеют постоянную длину волны. Она определена шагом насечки решетки. Под действием температуры насечка изменяется. Подобная модель лазера является основой телекоммуникационных оптических систем.

Существуют также лазерные диоды VСSЕL и VЕСSЕL, которые являются поверхностно-излучающими моделями с вертикальным резонатором. Их отличие состоит в том, что у модели VЕСSЕL резонатор внешний, и его конструкция бывает с оптической и токовой накачкой.

Особенности подключения

Лазерные диоды используются во многих устройствах, где необходим направленный световой луч. Основным процессом в сборке устройства с применением лазера своими руками является правильное подключение.

Лазерные диоды отличаются от led диодов миниатюрным кристаллом. Поэтому в нем концентрируется большая мощность, а следовательно и величина тока, что может привести к выходу его из строя. Для облегчения работы лазера существуют особые схемы устройств, которые называются драйверами.

Лазерам необходимо стабильное питание. Однако существуют их модели, имеющие красное свечение луча, и функционирующие в нормальном режиме даже с нестабильной сетью. Если имеется драйвер, то все равно диод нельзя подключать напрямую. Для этого дополнительно нужен датчик тока, роль которого часто играет резистор, подключенный между этими элементами.

Такое подключение имеет недостаток в том, что отрицательный полюс питания не соединен с минусом схемы. Другим недостатком является падение мощности на резисторе. Поэтому перед подключением лазера необходимо тщательно подобрать драйвер.

Виды драйверов

Существуют два главных вида драйверов, способных обеспечить нормальный режим эксплуатации лазерных диодов.

Импульсный драйвер выполнен по аналогии импульсного преобразователя напряжения, способного повышать и понижать этот параметр. Мощности выхода и входа такого драйвера примерно равны. Однако, существует некоторое выделение тепла, на которое расходуется незначительное количество энергии.

Линейный драйвер действует по схеме, которая чаще всего подает напряжение на диод больше, чем требуется. Для его снижения необходим транзистор, преобразующий излишнюю энергию в теплоту. Драйвер имеет малый КПД, поэтому не нашел широкого применения.

При применении линейных микросхем в качестве стабилизаторов, при уменьшении напряжения на входе диодный ток будет снижаться.

Так как питание лазеров выполняется двумя видами драйверов, схемы подключения имеют отличия.

Схема также может содержать источник питания в виде батареи или аккумулятора.

Аккумуляторы должны выдавать напряжение 9 вольт. Также в схеме должен быть резистор, ограничивающий ток, и лазерный модуль. Лазерные диоды можно найти в неисправном приводе дисков от компьютера.

Лазерный диод имеет 3 вывода. Средний вывод подключается к минусу (плюсу) питания. Плюс подключается к правой, либо левой ножке, в зависимости от фирмы изготовителя. Чтобы определить нужную ножку для подключения, необходимо подать питание. Для этого можно взять две батарейки по 1,5 В и сопротивление 5 Ом. Минус источника подключают к средней ножке диода, а плюс сначала к левой, затем к правой ножке. Путем такого эксперимента можно увидеть, какая из этих ножек является «рабочей». Таким же методом диод подключают к микроконтроллеру.

Лазерные диоды могут работать от пальчиковых батареек, аккумулятора сотового телефона. Однако нельзя забывать, что дополнительно требуется ограничивающий резистор номиналом 20 Ом.

Подключение к бытовой сети

Для этого нужно обеспечить вспомогательную защиту от всплесков напряжения высокой частоты.

Стабилизатор и резистор создают блок предотвращающий перепады тока. Для выравнивания напряжения применяют стабилитрон. Емкость предотвращает возникновение скачков напряжения высокой частоты. При правильной сборке обеспечивается стабильная работа лазера.

Порядок подключения

Наиболее удобным для работы будет красный диод мощностью около 200 мВт. Такие лазерные диоды установлены на дисковые приводы компьютеров.

• Перед подключением с помощью батарейки проверить работу лазерного диода.
• Выбрать необходимо самый яркий полупроводник. Если диод взят из дискового привода компьютера, то он светит инфракрасным светом. Луч лазера запрещается наводить на глаза, так как это приведет к повреждению глаз.
• Диод монтировать на радиатор для охлаждения, в виде алюминиевой пластины. Для этого предварительно сверлить отверстие.
• Между диодом и радиатором промазать термопастой.
• Резистор на 20 Ом и 5 ватт подключить по схеме с батарейками и лазером.
• Диод шунтировать керамическим конденсатором любой емкости.
• Отвернуть от себя диод и проверить его работу, подключив питание. Должен появиться красный луч.

При подключении следует помнить о безопасности. Все соединения должны быть качественными.

Похожие темы:

• Диоды (часть 2). Виды и особенности. Основные неисправности

• Диоды (часть 1). Устройство и принцип действия. Особенности и характеристики

• Светодиоды. Устройство, разновидности, принцип действия

• Сверхяркие светодиоды. Типы и устройство. Работа и применение

РубрикаОБОРУДОВАНИЕ

Изначально лазеры представляли собой громоздкие конструкции, состоящие из множества сложных и хрупких узлов. С появлением полупроводниковых элементов размеры и возможности лазеров значительно изменились. Основу конструкции стал составлять лазерный диод, к которому требовалось лишь подвести соответствующее питание.

Получить лазерный луч стало возможно не только в научно-производственных, но и в бытовых условиях. В результате этих изменений появилось множество устройств, использующих лазер в прикладных целях. Областью применения стали:

• техника;
• медицина;
• измерительные устройства;
• в качестве декоративной подсветки.

Приведенный список не является исчерпывающим, поскольку разработки новых устройств и аппаратуры с использованием подобных технологий ведутся постоянно. Рассмотрим особенности конструкции и принцип функционирования лазерного диода.

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.

Важно! Приведенное описание несколько упрощено, но принцип действия элемента передает вполне достоверно. На практике используются разные конструкции, с помощью которых производители пытались избавиться от различных нежелательных эффектов, усилить световой пучок и снизить потери мощности на нагрев или на преодоление сопротивления материала.

Разновидности

Вариантов конструкции лазерных диодов довольно много. Они отличаются друг от друга расположением p-n переходов, конфигурацией полупроводникового элемента и прочими особенностями. Существуют следующие виды:

• диод с p-n гомоструктурой. Одна из первых конструкций, которая сегодня практически не встречается. Нуждается в подаче высокой начальной мощности и прерывании входного сигнала для исключения перегрева;
• с двойной гетероструктурой. Представляют собой кристалл малой толщины, заключенный между двух дополнительных слоев, усиливающих поток фотонов и расширяющих активную область;
• с квантовыми ямами. Они образованы благодаря уменьшению среднего слоя элементов с двойной гетероструктурой. Возникают квантовые ямы с разными энергетическими уровнями, которые играют роль барьера при p-n переходе, способного к выделению фотонов;
• гетероструктурные элементы с раздельным удержанием. Большинство лазерных диодов изготовлены по этой технологии. Ее особенностью является нанесение дополнительных слоев на тонкий центральный кристалл, результатом чего становится эффективное формирование и концентрация светового пучка;
• с распределением обратной связи. В области p-n перехода делается специальная насечка, обеспечивающая создание дифракционной решетки. Это позволяет стабилизировать длину волны, способствуя получению более устойчивого светового луча. Используются в сфере телекоммуникаций, а также в оптических устройствах разного типа;
• VCSEL. Это лазер, относящийся к элементам поверхностного излучения. Оснащен вертикальным резонатором, благодаря которому направление луча изменяется — если у остальных видов кристаллов свет движется параллельно граням, то в данной конструкции он излучается в перпендикулярном направлении. Существует еще одна модификация такого элемента — VECSEL. Он обладает практически аналогичной конфигурацией, только с внешним резонатором.

Читайте также  Подсветка для компьютера своими руками: схемы, инструкция, необходимые материалы

Современные разновидности лазеров демонстрируют высокие эксплуатационные качества, но производители не прекращают разработки новых, более совершенных моделей и конструкций.

Излучение с какой длиной волны может производить лазерный диод

Единицей измерения длины волны лазерного диода является нанометр (нм). С изменением длины волны меняется цвет светового луча, что позволяет изготавливать лазеры с разным цветом пучка (в светотехнике часто используются многоцветные конструкции). Наиболее распространенные лазеры имеют следующие длины волны:

• 650 нм (красный луч). Чаще всего применяется в дисководах, лазерных указках малого радиуса действия, в лазерных строительных уровнях и т.п. луч красного цвета воспринимается как довольно слабый, тусклый, но это только кажущееся ощущение. При увеличении мощности такого луча до 200 мВт можно резать плотную бумагу;
• 532 нм (зеленый луч). Устройства, излучающие поток такого типа. Отличаются хрупкостью и чувствительностью к перепадам температуры. До недавнего времени они стоили значительно дороже других видов лазеров. В то же время, зеленый луч лучше всего воспринимается человеческими органами зрения, что позволяет применять его в строительных лазерах. Даже в солнечную погоду зеленый луч хорошо различается на поверхностях, в отличие от красного, более тусклого потока. Примечательно, что в силу особенностей конструкции вместе с зеленым лучом такие устройства излучают и инфракрасный, что создает определенную опасность для человека. Поэтому устройства мощнее 5 мВт промышленностью не выпускаются;
• 405 нм (фиолетовый луч). Невооруженным глазом воспринимается слабо, что вызывает у человека ощущение маломощности потока. На деле ситуация прямо противоположна — луч обладает большой мощностью и интенсивностью, способен нанести органам зрения серьезные травмы;
• 780 нм (инфракрасный луч). Опасен для человека своей невидимостью, совмещенной с мощным воздействием на органы зрения;
• 1000 нм. Это также инфракрасный луч, который используется в промышленных лазерах для резки листовых материалов разного типа.

Внимание! Выбирая лазерный диод того или иного цвета, важно понимать, что это устройство самостоятельное, имеющее весьма мало общего со светодиодной осветительной техникой. У них разные цели и специфика использования, поэтому критериями выбора станут совершенно другие соображения.

Если для светодиодов важны яркость и цветовая температура, то для лазера главным моментом будет мощность и длина световой волны. Поэтому и подход к выбору этих устройств должен быть своим для каждого вида.

Читайте также  Характеристики и преимущества светодиода Пиранья

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.

Важно! Для каждого вида драйверов используется и собственная схема подключения, учитывающая специфику самого драйвера, источника питания и токоограничивающего резистора.

Основные выводы

Лазерные диоды широко используются в разных областях техники и в качестве декоративных установок, светотехнических устройств. В быту их знают довольно ограниченно — как лазерные указки, целеуказатели, строительные уровни и прочие устройства. Особенности конструкции и возможности этих элементов находятся в стадии изучения и разработки. Специалисты считают, что использование лазеров пока недостаточно широко, но перспективы у них весьма высоки. В своих комментариях вы можете высказать собственные мысли о конструкции и свойствах лазерных диодов.

Используемые источники:

• https://masterclub.online/topic/14551-lazer-iz-dvd-privoda
• https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/lazernye-diody/
• https://svetilnik.info/svetodiody/lazernyj-diod.html