Как подключить лазерный диод. Лазерные диоды: принцип работы, виды и применение. Пошаговая инструкция подсоединения

Мечта о маленьком карманном лазере стала реальностью с появлением и развитием полупроводниковых лазерных диодов. В просторах интернета достаточно много статей о том, как можно сделать выжигающий лазер из привода для компакт дисков. Но не стоит ограничиваться только этой информацией.

Выбор лазерного диода:

Если вы задались серьёзной целью сделать лазер то просмотрите справочник и выберете подходящий по параметрам лазерный диод. Если нет у вас есть неисправный DVD RW привод — то вам придется раскошелится и купить лазерный светодиод. Причём в этом случае, вы можете в меру своих финансовых возможностей, подобрать лазер нужной вам мощности. А как с ним быть дальше? Рекомендую прочитать и прислушаться к нашей статье что бы не тратить время на сборку сомнительных схем подключения лазерного диода.

Классификация лазерных установок:

В лазерном пучке концентрируется высокая энергия и потому существует опасность повредить зрение при неосторожном обращении с лазерами. Существует классификация опасности лазерных установок в соответствии с EN60825-1 рисунок №1.

Рисунок №1 – Классификация опасности лазерных установок

При работе с лазерными диодами нужно СТРОГО СОБЛЮДАТЬ ПРАВИЛА ТЕХНИКИ БЕЗОПАСНОСТИ. Нельзя направлять луч лазера прямо в глаза, это может привести к полной или частичной потере зрения. Не давайте вашу лазерную установку детям, не оставляйте её в легкодоступных местах! Исключайте возможность не санкционированного (случайного) включения лазера, используйте ваше творение только в мирных целях!!! Одевайте защитные очки при настройке и работе с ним.

О лазерном диоде:

Как правило, лазерный диод это миниатюрное устройство с тремя (рисунок №2) или четырьмя ножками в зависимости от типа.

Рисунок № 2 – Внешний вид лазерного светодиода с тремя ножками

Почему три ножки? Дело в том что внутри корпуса находится кроме лазерного излучающего диода ещё и фотодиод рисунок №3.

Риснок №3 – Схема лазерного светодиода

Фотодиод предназначен для того чтобы управлять (регулировать или ограничивать) током лазера. Конструктивно это выглядит так: рисунок №4.

Рисунок №4 – Лазерный диод вразрезе.

Маломощные лазерные диоды эксплуатируются с напряжениями в несколько вольт и силой тока в диапазоне примерно от 50 до 80 мА. Указанный в соответствующих паспортах на них (Datasheet). Например рабочий ток (50-60 мА) ни в коем случае нельзя превышать! Опасны также им­пульсные перегрузки. Поэтому при питании лазерного светодиода нужно принимать во внимание то, чтобы такие пики отсутствовали. Надежнее всего использо­вать в качестве источника питания для диода не блок питания, а батареи. Но это не всегда подходит – особенно если вы хотите сделать стационарную установку.

Итак, если вы желаете подключить ваш лазерный диод (ЛД) к не стабилизированному (простому) блоку питания рекомендую воспользоваться схемой рисунок №5:

Рисунок №5 – Схема подключения ЛД к нестабилизированному источнику питания

С1– 10 мкФ
С2 – 47 пФ
С3,С4 – 10 нФ
R1 – 10 К
R2 – 1,5 К
R3 – 33 Ом
VT1 – ВС548
VT2 –BD675
VD1 – Лазерный диод
VD2 – 3,3 В/ 1,3Вт
Благодаря такому подключению лазерного диода можно предотвратить его выход из строя. Падение напряжения на резисторе R2 открывает транзистор VT 1, он управляет током базы транзистора VT 2. В контуре регулирования ток фотодиода колеблется около 400 мкА. Конденсатор С4 устраняет импульсные помехи, а емкостной делитель напряжения, состоящий из конденсаторов С2 и СЗ, обеспечивает запуск процесса регулирования сразу при подаче напряжения питания.

Мой вариант лазера:

Я тоже попробовал сделать лазер из DVD RW привода и хочу сразу вас предупредить, что идея хорошая, но реализовать её достаточно сложно. Разбирать рабочий DVD RW привод это глупо, а в поломанных приводах, как правило, лазерный диод уже палёный и восстановлению не подлежит. Даже если вам всё же удалось вынуть рабочий лазерный диод, то будьте готовы к тому, что к нему необходима специальная собирающая линза, так как сам по себе лазерный диод светит не сфокусировано. А что б сформировать требуемое расхождение луча вам понадобиться хорошая оптика. Линзы от DVD RW привод не дают желаемый эффект. Я просто купил готовый лазерный модуль типа HLDPM12-655-5 (в корпусе с оптикой и защитой от переполюсовки), и подключил его к обыкновенному блоку питания.

Лазерные диоды находят применение в самых различных радиолюбительских конструкциях. Питание лазерного диода может осуществляться, как от батареи или аккумуляторного источника питания, так и от стационарной сети промышленным напряжением 220 вольт. В последнем случае необходима более тщательная защита от всплесков тока или напряжения, поскольку лазерный диод представляет собой довольно чувствительный к таким явлениям элемент и может выйти из строя даже при очень кратковременном превышении тока или напряжения.

Подключение диода от источника постоянного тока.

В состав схемы входят батарея или аккумулятор напряжением девять вольт, токоограничивающий резистор и непосредственно лазерный модуль. При неимении отдельного лазерного диода, взять оный можно из DVD привода. При этом следует помнить, что в данном случае имеется в виду компьютерный, а никак не обычный проигрыватель. С большой осторожностью лазер извлекается из него, после чего требуется определиться с подключением питания. Как правило, производитель снабжает лазерные диоды тремя выводами, двумя по краям и одним посредине. В большинстве случаев именно средний электрод подключается к минусовой клемме источника питания. К положительному полюсу необходимо подключить либо правый, либо левый, здесь всё зависит от производителя и марки лазерного оборудования. Для того чтобы определить какой именно вывод является положительным, следует подать питание на диод. Для этой цели используются две батарейки по 1,5 вольта и резистор в пять Ом. Минусовые выводы батареек напрямую подключаются к центральному минусовому выводу диода. Плюсовая сторона батареек, через резистор, поочерёдно подключается к каждой из двух оставшихся клемм диода. Как только лазер слегка засветится, это значит, что плюсовой полюс найден. Таким способом весьма быстро и просто можно определить полярность, поскольку принцип работы лазерного диода идентичен работе обычного вентиля. Питание будущего лазера организовывается от двух или трёх пальчиковых батареек, однако при желании для этой цели можно использовать и аккумулятор мобильного телефона. В последнем случае необходимо использовать дополнительный ограничительный резистор на двадцать пять Ом, а в случае с батарейками применять резистор в пять Ом.

Подключение диода от сети 220 В

При таком подключении могут возникнуть нежелательные выбросы напряжения и высокочастотные всплески. В таком случае следует обеспечить дополнительную защиту чувствительному элементу, дабы избежать его поломки. Схема состоит из стабилизатора напряжения, конденсатора, токоограничивающих резисторов и непосредственно лазерного диода. Стабилизатор напряжения и сопротивления, образуют блок, препятствующий токовым выбросам. От бросков напряжения, устанавливается стабилитрон, а конденсатор поможет препятствовать высокочастотным всплескам. В результате использования такой схемы, стабильная работа лазерного диода полностью гарантирована.

Небольшой обзор лазерного модуля на 1,5 китайских ватта, но при этом дешевого.
Подойдет для установки на 3Д принтер любого типа, а также для самодельных конструкций

Установка элементарная: лазерный модуль устанавливается на печатную головку стяжками и подключается вместо вентилятора обдува.
Прошивку корректировать не требуется. Можно печатать с флешки.

Более подробная информация под катом

Приветствую! И сразу к делу))))

Давно хотел получить лазерный гравер с большой рабочей областью. Ну как большой - больше чем 3.5 на 3.5 мм (Neje, KKmoon и подобные Decaker). У данных китайских поделок ультрадешевой конструкции используется механика от старых компьютерных приводов, и соответственно отсутствует возможность модернизации.

Самое простое что может прийти в голову - это установка лазерного модуля на головку 3д принтера. Есть варианты для установки совместно с существующим хотэндом (), можно установить новую Х-каретку (держатель эффектора для косселя) вместо штатного.


Варианты питания драйвера лазерного модуля различные - можно питать от проводов нагревателя хотэнда, сигнал TTL при этом берется от вентилятора обдува модели. Если с минимальной переделкой - можно просто установить вместе с хотэндом, запитать от вентилятора (выставив его на 100%). Далее, фокусируем линзой в точку, вручную опускаем эффектор к столу (поднимаем стол к лазеру и т.п.), определяя высоту, в которой лазерный луч фокусируется в точку. Эта высота будет постоянная для последующей «печати», с поправкой на высоту материала. В указанном варианте не потребуется перепрошивка - все остается как есть и можно пользоваться принтером как принтером, только для гравера готовить G-code файлы через плагин.

Кстати, как вариант - можно собрать . Самый простой способ - использовать несколько отрезков конструкционного профиля, ролики, ремни. Вот есть , а вот тут - про для сборки кареток.
В качестве простейшей платы управления можно использовать Arduino Uno/Nano + CNC Shield, есть возможность купить оригинальную плату EleksMaker для совместимости с программным обеспечением типа Benbox (и по сути за недорого получить недорогую копию китайского гравера), а также ничто не мешает установить Arduino Mega+Ramps, и пользоваться работой с SD карты и управлением (дисплей+энкодер).
Все указанные компоненты недорогие и доступные.

В любом случае, самое главное - это найти и правильно подключить лазерный модуль.


Про мощные лазерные модули уже была речь на муське ( , и даже была статья про лазерный гравер ), при покупке обратите внимание, чтобы была возможность управления по TTL мощностью (либо купите отдельный драйвер с TTL для лазерного диода/модуля)
И имейте в виду, что в названии лазерного модуля, как правило, указывается желаемая китайцами мощность, достижимая только при 100% мощности. Средняя/рекомендуемая мощность обычно колеблется на уровне 50-60% от максимума. То есть, если вы отдали около $300 за модуль с 5500мВт, то у вас скорее всего будет около 3...3,5Вт для работы. При длительной работе на максимуме мощности китайские диоды быстро теряют свой ресурс (и дохнут).

Оставим мощные диодные модули для других публикаций, а вот про их дешевые аналоги пока не было публикаций на муське. Вообще, цель была до $25 получить недорогой модуль, но при этом способный гравировать на дереве/картоне и возможно даже резать тонкие материалы.
Сразу укажу варианты, которые попались мне на глаза.

Во-первых, всегда есть возможность разломать/попросить на запчасти старый DVD-RW привод, и изъять лазер. Обычно говорят искать со скоростями >16х, так как там используются лазеры чуть мощнее.
Это практически бесплатный вариант, подходящий, чтобы попробовать свои силы и посмотреть, что получится. Кстати, если разломать пару приводов, вы еще и получите механику для двух осей))))
Вот есть информация по подобному способу, разбирайте аккуратно, не повредите модуль, который боится статики.
Лазер из привода, как правило, способен гравировать картон и дерево. Для любителей - можно лопать шарики, зажигать спички. Питается от 1*3,7В аккумулятора либо от 5В (павербанк)

Во-вторых, можно купить совсем недорогие лазерные диоды, обычно продаются по несколько штук. Вот пример лазерными диодами с длиной волны 808nm излучения.
На корпусе три вывода, но используются два (минус на корпусе, слева - плюс).
Как для первого случая (лазер или DVD-RW привода), так и для второго - потребуется докупить корпус, линзу, а также для питания диода.

Есть хороший третий способ : это покупка недорогого модуля лазерного диода, в гильзе, с линзой.
Вот варианты на , на , на .
Они продаются, как сменные варианты (для апгрейда или ремонта) лазеров типа Neje/Kkmoon


Выглядят как гильза диаметром 12мм, высотой 45мм, с двумя контактами для питания диода. Модуль поставляется без драйвера и соответственно, потребуется спаять или купить драйвер. . В привел фото разобранного лазерного модуля


Так что, модуль поставляется с драйвером внутри, драйвер питается от напряжения 4.5В....5В., максимальная потребляемая мощность 1,5Вт (излучаемая соответственно меньше). TTL у данного драйвера нет. Есть два варианта управления - либо M106 S255 (MAX) затем M106 S0 (MIN), либо включением - выключением питания, что одно и тоже по сути. Второй вариант - заменить «родной» драйвер.

Несколько слов про драйверы. Питать лазерный диод требуется не напряжением, а током, в зависимости от тока он и будет сильнее или слабее излучать.
Вот простейшая схема питания для лазерных диодов из приводов.


Очень важен резистор, который подбирается последовательно диоду - он ограничивает ток на диоде.

Итак, взял на попробовать вот
Далее фото посылки и лазера. Пришло достаточно быстро после оплаты, примерно дней за 20. В декларации ни слова про лазеры (аксессуары)


Внутри посылки пакет с лазером, небольшой и легкий


Масса модуля всего 17-18 грамм


Размеры: диаметр 12мм…


… длина 45 мм


Кольцо с линзой можно выкрутить совсем. Вот на фото хорошо видно линзу и пружинку.


Если посмотреть в лазерный модуль со снятой линзой, то… мало чего можно увидеть. Только чип в корпусе.


Фото поближе


На обратной стороне провода зафиксированы термоклеем


Теперь фото дополнительных комплектующих для сборки.
Для первичной проверки был куплен драйвер на 300мА


и




Фотография лазера с радиатором


И они же в сборе


Общая масса сборки 65 грамм - это важно для подвижный частей будущей системы


Сравнение лазера на 1500 мВт с лазерным модулем на 300мВт

Для сравнения - диоды 300mW 808nm и радиатор для них

Параллельно проводил эксперименты с лотом
диоды

корпус с линзой






вот так выглядит диод, установленный в корпус


и сам диод


собранный радиатор с линзой

Итак, самый простой драйвер я приобрел просто для контроля работоспособности лазера. Он умеет питать лазер до 300мА (читай милливат 600....700), но полностью не раскрывает возможностей лазерного модуля.
Подойдет для питания самодельных лазерный модулей из DVD-RW. Если вы будете питать диоды из лазера или купленные 300мВт диоды, то нужно предварительно выставить минимальный ток питания.

Для начала скручиваем переменный резистор в минимальное положение (против часовой стрелки), подключаем вместо лазера резистор на 50...80 Ом и устанавливаем ток около 50мА.
Обязательно оставляйте в цепи мультиметр в режиме измерения тока. Потом будем также с лазером включать с мультиметром и контролировать.

Что касается лазерного модуля 1500мВт из обзора - то он идет уже с установленным драйвером, питать можно до 5В. Я сначала перестраховался и подал чуть меньше напряжение. На фото видно, что лазерный модуль начинает зажигаться и можно попробовать фокусировать его в точку


Итак, проверка пройдена.
Я использовал модуль DPS5005 для питания лазерного модуля и контроля тока/напряжения


Уже можно гравировать дерево, единственно - нужно подержать какое то время
Вот фото пробы с рук






Далее, можно выставить напряжение на рекомендуемые 4,5....5В


Ну и традиционно - спички зажигает, шарики лопает, останавливаться на этом не буду

Для дальнейших экспериментов использовал принтер Geeetech Me Creator со снятым экструдером. Был нарисован новый держатель на каретку, питание лазера было заведено отдельно.

3Д модель держателя на каретку


Скрин из слайсера 3д принтера


Внешний вид лазера, установленного на Х-каретку




Вид сверху.


Фото в процессе работы. Тяжело фотоаппаратом поймать точку - в специальных очках точка очень маленькая, порядка 0,1мм. Без защитных очков лучше на нее не смотреть.


Печатал штатно с SD-карты, без модификации прошивки


Простейший G-code по координатам был запущен с SD карты, чтобы проверить работоспособность идеи.




Узнать более подробно, что может 1,5Ваттный китайский лазер

Для подготовки изображений к гравировке рекомендую использовать
Вот меню плагина. В Z-offset пишите высоту на которой фокусируется ваш лазер. Управление идет командами M106/M107 через регулировку оборотов вентилятора.

Итак, данный лазерный модуль один из самых дешевых, и позволяет уложиться в $20.
Для того, чтобы раскрыть все возможности лазерного модуля, заказал токовый драйвер до 1500мВт и с TTL. Когда придет - разберу корпус модуля, хочу подключить в обход родного драйвера.

Ну и я хочу нарисовать новую каретку, чтобы одновременно был установлен экструдер и лазер.
А то не очень удобно перекидывать их.

В целом все. Идея интересная, хорошая, надеюсь многим подойдет, хотя бы попробовать свои силы.
Обзор понравился +51 +78

Эта схема, достаточно точная и не требующая большого числа компонентов, предназначена для управления лазерным диодом и разработана в соответствии с требованиями, предъявляемыми к оборудованию медицинского назначения. Сейчас устройство проходит клинические испытания. Характеристики лазерных диодов подвержены кратко- и долговременному дрейфу, обусловленному температурой и старением. Обычно они управляются постоянным током, поэтому их выходную оптическую мощность контролируют и, в соответствии с ее изменениями, регулируют ток.

Корпус конструкции заземлен, поэтому конфигурация источника постоянного тока рассчитана на включение силового транзистора в верхнее плечо лазера, а не на более простой вариант противоположный вариант. Кроме того, чтобы избежать «татуировки» пациента, ток должен быть изначально ограничен.

В схеме с однополярным питанием +5 В резистор R1, измеряющий и ограничивающий ток, и p-канальный МОП-транзистор Q1 образуют истоковый повторитель (Рисунок 1). Затвор МОП-транзистора находится под напряжением, немного превышающем напряжение истока, поэтому транзистор частично открыт, и ток лазерного диода создает падение напряжения на резисторе R1. В худшем случае, когда Q1 открыт полностью, максимальный ток лазера определяется выражением

R DS(SAT) = 25 мОм - сопротивление открытого канала МОП-транзистора,
V LASER = 2.0 В - напряжение на лазерном диоде.

Значения R DS(SAT) и V LASER были взяты из справочных данных на транзистор и лазерный диод, соответственно. Выбор сопротивления резистора R1 определяется требованиями к величине тока лазера (в данном случае, 250 мА) с учетом коррекции, вносимой прямым напряжением лазерного диода, типичное значение которого равно 2.0 В. Решая уравнение относительно R1, получаем:

где I LASER = 250 мА.

Сопротивление R DS(SAT) настолько мало, что его можно не учитывать. При известных значениях R1 и максимального тока лазерного диода мощность, рассеиваемая R1, может быть рассчитана по формуле

откуда следует, что резистор с допустимой рассеиваемой мощностью 800 мВт обеспечит небольшой дополнительный запас.

Величина тока лазера устанавливается с помощью ЦАП, выходное напряжение которого задается логометрически. В качестве опорного здесь используется напряжение источника +5 В, поэтому выход ЦАП отслеживает все флуктуации питания. Во время работы на выходе АЦП устанавливается требуемая величина управляющего напряжения. Делитель R2, R3 масштабирует эту уставку относительно номинального питания +5 В.

Например, если выходное напряжение ЦАП задано равным половине шкалы, то есть +2.5 В, напряжение между R2 и R3, (или на неинвертирующем входе ОУ IC1), будет равно +3.5 В. Включенная в контур обратной связи IC1 регулирует напряжение на затворе Q1 и, соответственно, ток, походящий через R1, Q1 и лазерный диод. Режим схемы стабилизируется, когда напряжение обратной связи станет равным +3.5 В. В этом установившемся режиме на резисторе R1 падает 5 В - 3.5 В = 1.5 В, и ток равен 125 мА, то есть, находится в середине шкалы. Аналогично, если на выходе ЦАП установить минимальное значение 0 В, напряжение на неинвертирующем входе IC1 будет равно +2 В. IC1 будет увеличивать напряжение на затворе Q1 до тех пор, пока падение напряжения на R1 не вырастет до 3 В, а ток, соответственно, до 250 мА. Это точка насыщения, в которой Q1 полностью открыт, и прямое напряжение на лазерном диоде равно +5 В минус падение напряжения на R1.

В полную схему должны быть включены элементы R4 и C1, обеспечивающие стабильность контура регулирования и имеющие частоту среза f, равную

Отдельное внимание следует уделить процессу, происходящему в схеме при скачкообразном изменении управляющего напряжения, на время которого ОУ, работавший до этого как сумматор напряжений уставки и обратной связи, становится повторителем напряжения, и на его выходе стремится возникнуть ступенька. В связи с этим в нашем примере добавлен конденсатор C2, образующий низкочастотный фильтр напряжения уставки с частотой среза

где R2||R3 = 12 кОм.

Если частота среза этого фильтра будет намного меньше полосы пропускания цепи ОС, ОУ сможет отслеживать ступенчатые изменения уставки с минимальными выбросами во время переключения ЦАП.

R5 обеспечивает некоторое смещение ОУ за счет того, что небольшой ток всегда будет гарантированно протекать через резистор R1. Когда на выходе ЦАП установлено напряжение полной шкалы +5 В, ток лазера, задаваемый операционным усилителем, всегда будет немного превышать значение, определяемое уставкой. Поэтому выход ОУ, пытаясь выключить Q1, будет входить в насыщение. Без резистора R5 входное напряжение смещения ОУ могло бы восприниматься как ложное значение уставки и приводило к включению Q1 для восстановления баланса.

Это одна из основных причин, по которой используется логометрическое включение ЦАП. Если бы опорное напряжение ЦАП было фиксированным, программирование малых токов была бы практически невозможным. Если на выходе ЦАП установить напряжение чуть ниже точного значения +5 В, то даже при небольших флуктуациях напряжения питания +5 В управляющее напряжение будет изменяться весьма существенно. Однако в логометрической схеме ЦАП отслеживает изменения напряжения питания +5 В, и относительное управляющее напряжение на его выходе остается стабильным.

Платой за возможность точно задавать слабые токи является плохой коэффициент подавления пульсаций питания. Однако в том медицинском приложении, для которого предназначался лазер, петля стабилизации тока сама является частью петли стабилизации мощности, и пульсации питания в ней минимальны. Если же потребуется, на плату можно добавить небольшой стабилизатор напряжения, и ценой некоторого увеличения числа компонентов вы получите стабильное, малошумящее питание лазера.

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.