La llum blanca natural es compon de tots els colors VIBGYOR de l’espectre de llum visible, que és una banda ampla i àmplia de freqüències diferents. Els LED normals donen una sortida de llum sovint formada per un color, però fins i tot aquesta llum conté ones electromagnètiques, que cobreixen una banda de freqüències força àmplia. El sistema de lents que enfoca la llum té una distància focal fixa, però la distància focal necessària per enfocar diverses longituds d’ona (colors) de la llum és diferent. Per tant, cada color es concentrarà en punts diferents, provocant una “aberració cromàtica”. El llum de díode làser conté només una freqüència única. Per tant, pot enfocar-se fins i tot amb un simple sistema d’objectius fins a un punt extremadament petit. No hi ha aberració cromàtica ja que només existeix una longitud d’ona, a més tota l’energia de la font de llum es concentra en un punt de llum molt petit. LASER és un acrònim de Amplificació de la llum per emissió estimulada de radiació.
Aberració cromàtica
Construcció de díodes làser
La figura anterior mostra una construcció simplificada d’un díode làser, que és similar a díode emissor de llum (LED) . Utilitza arseniur de gal·li dopat amb elements com el seleni, l’alumini o el silici per produir tipus P i tipus N materials semiconductors . Tot i que un díode làser té una capa activa addicional d’arsenur de gal·li sense dopatge (intrínsec) té el gruix només d’uns quants nanòmetres, intercalats entre les capes P i N, creant efectivament un Diodo PIN (tipus P-tipus intrínsec-N) . És en aquesta capa que es produeix la llum làser.
Construcció de díodes làser
Com funciona el díode làser?
Segons la teoria quàntica, cada àtom només pot produir energies dins d’un determinat nivell d’energia discreta. Normalment, els àtoms es troben en l’estat energètic o fonamental més baix. Quan una font d'energia donada als àtoms en estat fonamental pot excitar-se per anar a un dels nivells superiors. Aquest procés s’anomena absorció. Després de mantenir-se en aquest nivell durant una durada molt curta, l'àtom torna al seu estat fonamental inicial, emetent un fotó en el procés. Aquest procés s'anomena emissió espontània. Aquests dos processos, l’absorció i l’emissió espontània, tenen lloc en una font de llum convencional.
Principi d’acció làser
En el cas que l’àtom, encara en estat excitat, sigui copejat per un fotó exterior que tingui precisament l’energia necessària per a l’emissió espontània, el fotó exterior s’incrementa per la cedida per l’àtom excitat. A més, tots dos fotons s’alliberen del mateix procés d’excitació en la mateixa fase, aquest procés, anomenat emissió estimulada, és fonamental per a l’acció làser (es mostra a la figura anterior). En aquest procés, la clau és que el fotó tingui exactament la mateixa longitud d'ona que la de la llum a emetre.
Amplificació i inversió de la població
Quan es creen condicions favorables per a l'emissió estimulada, cada vegada més àtoms es veuen obligats a emetre fotons, iniciant així una reacció en cadena i alliberant una enorme quantitat d'energia. Això es tradueix en una ràpida acumulació d’energia que emet una longitud d’ona determinada (llum monocromàtica), que viatja coherentment en una direcció determinada i fixa. Aquest procés s’anomena amplificació per emissió estimulada.
El nombre d’àtoms en qualsevol nivell en un moment determinat s’anomena població d’aquest nivell. Normalment, quan el material no s’excita externament, la població del nivell inferior o estat fonamental és superior a la del nivell superior. Quan la població del nivell superior supera la del nivell inferior, que és una inversió de l’ocupació normal, el procés s’anomena inversió de la població. Aquesta situació és essencial per a una acció amb làser. Per a qualsevol emissió estimulada.
És necessari que el nivell d’energia superior o estat estable complert tinguin una vida útil llarga, és a dir, que els àtoms s’aturin a l’estat estable complert durant més temps que al nivell inferior. Per tant, per a l'acció amb làser, el mecanisme de bombament (excitant amb una font externa) hauria de provenir d'una tal manera, per mantenir una població d'àtoms més alta en el nivell d'energia superior en comparació amb el del nivell inferior.
És necessari que el nivell d’energia superior o estat estable complert tinguin una vida útil llarga, és a dir, que els àtoms s’aturin a l’estat estable complert durant més temps que al nivell inferior. Per tant, per a l'acció amb làser, el mecanisme de bombament (excitant amb una font externa) hauria de provenir d'una tal manera, per mantenir una població d'àtoms més alta en el nivell d'energia superior en comparació amb el del nivell inferior.
Control del díode làser
El díode làser funciona amb un corrent molt superior, normalment unes 10 vegades superior al d’un LED normal. La figura següent compara un gràfic de la sortida de llum d’un LED normal i la d’un díode làser. En un LED, la llum augmenta constantment a mesura que augmenta el corrent del díode. En un díode làser, però, la llum làser no es produeix fins que el nivell actual arriba al nivell llindar quan comença a produir-se l'emissió estimulada. El llindar de corrent normalment supera el 80% del corrent màxim que passarà el dispositiu abans de ser destruït. Per aquest motiu, el corrent a través del díode làser s’ha de regular acuradament.
Comparació entre un LED
Un altre problema és que l’emissió de fotons depèn molt de la temperatura, el díode ja s’està operant a prop del seu límit i, per tant, s’escalfa, canviant per tant la quantitat de llum emesa (fotons) i el corrent del díode. En el moment en què el díode làser funcioni de manera eficient, ja estarà operant a la vora del desastre. Si el corrent es redueix i cau per sota del corrent llindar, l'emissió estimulada cessa una mica massa de corrent i el díode es destrueix.
Com que la capa activa s'omple de fotons oscil·lants, part (normalment aproximadament el 60%) de la llum s'escapa en un feix estret i pla des de la vora del xip del díode. Com es mostra a la figura següent, una mica de llum residual també s’escapa a la vora oposada i s’acostuma a fer activar un fotodiode , que converteix la llum de nou en corrent elèctric. Aquest corrent s’utilitza com a retroalimentació del circuit de control automàtic de díodes, per mesurar l’activitat del díode làser i, per tant, assegureu-vos controlant el corrent a través del díode làser que el corrent i la sortida de llum es mantinguin en un nivell constant i segur.
Control del díode làser
Aplicacions del díode làser
Els mòduls de díode làser són ideals per a aplicacions com ara ciències de la vida, industrials o instrumentació científica. Els mòduls de díode làser estan disponibles en una àmplia varietat de longituds d’ona, potències de sortida o formes de feix.
Els làsers de baixa potència s’utilitzen en un nombre creixent d’aplicacions familiars, inclosos reproductors i gravadors de CD i DVD, lectors de codis de barres, sistemes de seguretat, comunicacions òptiques i instruments quirúrgics.
Aplicacions industrials: Gravat, tall, tallat, perforació, soldadura, etc.
Les aplicacions mèdiques eliminen els teixits no desitjats, el diagnòstic de cèl·lules cancerígenes mitjançant fluorescència i la medicació dental. En general, els resultats amb làsers són millors que els resultats amb un ganivet quirúrgic.
Diodos làser utilitzats per a telecomunicacions: En el camp de les telecomunicacions, els díodes làser de banda d’1,3 μm i 1,55 μm que s’utilitzen com a principal font de llum per als làsers de fibra de sílice tenen una pèrdua de transmissió menor a la banda. El díode làser amb la banda diferent s'utilitza per bombar la font per a l'amplificació òptica o per a l'enllaç òptic de distància curta.
Per tant, tot es tracta Construcció de díodes làser i els seus usos. Si us interessa la construcció de projectes basats en LED pel vostre compte, podeu contactar amb nosaltres publicant les vostres consultes o idees innovadores a la secció de comentaris que hi ha a continuació. Aquí teniu una pregunta, Quina és la funció d'un díode làser?
