→ → Что можно использовать из двд привода. Подключение лазерного диода: схема, особенности в работе. Пошаговая инструкция подсоединения. Простая схема управляет лазерным диодом и контролирует выходную мощность Схема питания лазера

Что можно использовать из двд привода. Подключение лазерного диода: схема, особенности в работе. Пошаговая инструкция подсоединения. Простая схема управляет лазерным диодом и контролирует выходную мощность Схема питания лазера

Предлагаю Вашему вниманию статью, описывающую создание мощного красного лазера, способного зажигать спички и прожигать различные предметы!

Для получения прожигающего красного луча (650нм) необходим пишущий DVD привод, можно старый и сломанный (скорее всего лазерный диод там рабочий). Подойдёт и CD-RW привод, также и пишущий Blu-ray дисковод, только первый будет светить практически невидимым инфракрасным лучом (780нм), а второй фиолетовым (405нм).

Разбираем привод и ищем примерно такой лазерный диод:

Он вставлен в металлический теплоотводящий корпус. А этот корпус вставлен ещё в металлическую основу. Вытаскивать лд из основы и корпуса или нет - решать Вам. Плоские бескорпусные лд вытаскивать точно не стоит. Я оставил в корпусе - радиаторе, а из основы вытащил. Это всё влияет на отвод тепла , который необходим ! Встречал мнение, что теплоотвода каретки не хватает при питании лд неимпульсным током. Возможно это правильно в отношении некоторых моделей приводов, или, если требуется получить максимальную мощность.

В DVD-RW 2 лазерных диода, один инфракрасный, для проигрывания и записи CD, а второй красный для записи и проигрывания DVD. Можно сделать 2 лазера! А из BD-RE - целых три! В современных моделях DVD-RW используют сдвоенные лд на одном кристалле.

Включать одновременно красный и инфракрасный диоды на большом токе в таких сборках нельзя ! Лазерный диод боится статического электричества, поэтому сразу же, как увидите 3 ножки лд, обмотайте их неизолированной проволокой!

Нельзя направлять лазерный луч в глаза и на отражающие поверхности, т.к. это может привести к частичной или полной потере зрения!!! Это также относится к невидимому инфракрасному лазеру, потому что он обладает такой же прожигающей способностью, как и красный или фиолетовый!!!

Лазерный диод необходимо питать определённым током, превышение которого вызывает перегрев лд, в результате он будет светить как обычный светодиод или вообще перегорит. Чтобы избежать этого, нужно собрать специальную схему - драйвер.

Схема 1:


Конденсаторы любого напряжения (от 3В) C1 ёмкостью 0.1мкФ и С2 ёмкостью 100мкФ защищают от статического электричества и обеспечивают плавность переходных процессов. После их присоединения к лд, проволоку с выводов можно снять. На один из выводов и на корпус подаётся минус , на второй вывод плюс, третий вывод не используется. Расположение полюсов хорошо видно на второй схеме. У некоторых ЛД, на корпус подаётся + . Такое я встречал у 808нм лд. У сдвоенных диодов средний вывод общий минус G, крайние выводы плюс: C для питания CD, D для питания DVD.

Для питания этой схемы удобно использовать аккумулятор от мобильника или 3 аккумулятора АА. Напряжение аккумуляторов может быть больше указанного , особенно сразу после зарядки (до 4,2 В, при указанных 3,7 В), поэтому проверяйте его мультиметром!

Примерное соответствие скорость записи DVD, силы тока и мощности лазерных диодов:

16х - 250-260мА. Мощность 200мВт.

18х - 300-350мА.

20х - 400-450мА. Мощность 270мВт.

22х - 450-500мА. Мощность 300мВт.

24x - 450-500мА.

Мощность ИК ЛД в CD-RW - 100-200мВт.

Мощность фиолетового ЛД в BLU-RAY RW - 60-150мВт.

Мощность фиолетового ЛД в непишущем BLU-RAY - 15мВт.

Указанные выше связи скорости записи и силы тока могут быть применимы не ко всем лд , например при проверке 2-х сдвоенных на одном кристалле лд выяснилось, что при напряжении 3В на один из них шёл ток 260мА, на второй - 280мА, что соответствует 16х, хотя приводы были 24х. Поэтому стоит больше обращать внимание на падение напряжения , чем на связь скорости и тока, указанные выше. Инфракрасные лд в этих кристаллах создавали ток 110мА при напряжении 2,2В. При 250мА они тоже продолжали работать, напряжение превысило безопасное падение и дошло до 2,8В, что может вызвать сокращение срока службы или перегорание в некоторых случаях.

Предварительно можно узнать требуемое сопротивление резистора R1 по формуле:

R1=(Uвх.-Uпад.)/I , где:

Uвх. - напряжение от аккумулятора,

Uпад. - падение напряжения на лд. Приблизительное безопасное Uпад. для красного (650нм) - 3В (для маломощного из непишущего DVD устройства такое напряжение может оказаться чрезмерным ), для инфракрасного (780нм) - 2.2В, для инфракрасного (808нм) - 1.9В, для фиолетового (405нм) - 5.5В, для синего (445нм) - 4-4.4В.

I - сила тока, указанная в таблице выше.

Пример для красного лд: R1= (3.6В-3В)/0.25А=2.4 Ом

Мощность резистора : P=(Uвх.-Uпад.)^2/R=(3.6В-3В)^2/2.4 Ом=0,15Вт или P=(Uвх.-Uпад.)*I=(3.6В-3В)*0.25А=0,15Вт

Рекомендуется первоначально ставить резистор большего , измеряя значение силы тока мультиметром. Это нужно для защиты нестандартных лд, которые при 3В могут создавать чрезмерный ток. И далее уменьшать сопротивление, следя за током.

Схема 2:


Минус первой схемы был в том, что проседание напряжения аккумулятора при разрядке вызывает линейное падение яркости лазера.

В этой схеме такой проблемы нет, благодаря использованию регулируемого стабилизатора КРЕН12А или его аналога LM317T.

Но этот стабилизатор компенсационный, подаваемое напряжение должно быть на 1.4В больше, чем нужно нам, т.е. для получения 3В на лд, на схему надо подавать от 4.4 В до 37 В, а на выходе всё - равно будет 3В (при правильном подборе резисторов). Если подключить менее 4.4В, то яркость лазера будет падать, как и в схеме 1, по мере дальнейшей разрядки аккумулятора. Для 780нм лд (2,2 В, 110 мА) на схему подаётся от 3,8 В до 37 В.

Данная схема может не подойти для ЛД, у которых вольт-амперная характеристика сильно плавает от изменения температуры, и вызвать их перегорание , если вовремя не заметить превышение тока. Есть информация, что такой эффект наблюдается в синих лд. Поэтому, необходимо замерять ток до полного разогрева лд , чтобы убедиться, что не произошло превышения.

R2 высчитывается по формуле:

R2=R1*(Uвых.-Uопор.)/Uопор.

Пример для красного лд:

R2 =240 Ом*(3В-1.25В)/1.25В=336 Ом

Рекомендуется первоначально R2 ставить меньшего сопротивления, чем получилось по формуле , одновременно измеряя силу тока лд, подключив последовательно с ним мультиметр. Это нужно для защиты нестандартных лд, которые при 3В могут создавать чрезмерный ток. И далее увеличивать сопротивление R2, следя за током.

Конденсаторы такие же, как и в первой схеме.

Резисторы должны быть качественно присоединены к схеме (переменный резистор должен быть полностью исправным , без малейших размыканий цепи). Потеря контакта вызовет повышение напряжения на ЛД, из-за чего он мгновенно перегорит!

Схема 3:


Эта схема отличается от второй тем, что поддерживает стабильный ток, а вторая поддерживает стабильное напряжение. Ограничивает ток 250 мА , при условии, что переменный резистор настроен на 0 Ом и постоянные резисторы (резистор подходящей мощности на 5 Ом) , номиналы которых указаны на схеме. Питание схемы с красным лд током250 мА: от 5,7 В до 37 В. С инфракрасным (2,2 В 110 мА) от 5 В до 37 В.

Конденсаторы идентичны применяемым в первых двух схемах.

Сопротивления с изображения нужно пересчитывать под конкретный тип ЛД!

Резистор рассчитывается по формуле:

R=1.25/I, где R - это сумма сопротивлений резисторов схемы, I - сила тока.

Для получения силы тока 250 мА , необходимо использовать резистор 5 Ом .

Подбирайте силу тока регулировкой переменного резистора, следя за показаниями мультиметра. Обратите внимание, что для правильной работы стабилизатора нужно использовать напряжение большее, чем во второй схеме.

Необходимо собрать схему, и только потом подключать источник питания. Подключение ЛД к включённой схеме может вызвать его перегорание!

Ниже фото моего лазера. Он закреплён на батарейном отсеке на 3 AA аккумулятора, также туда приклеена кнопка. Основная конструкция из алюминиевого конструктора играет роль радиатора.


Свет лазерного диода расходится как от обычного светодиода, а нам нужен лазерный луч! Для этой цели необходимо использовать коллиматор , т.е. линзу, которая сфокусирует излучение в луч. Я использовал линзу от лазерной указки, также можно использовать выходную линзу из привода. В моей сборке линза приклеена двухсторонним скотчем к пластине, которая как бы подвешена на двух пружинках. Вращением двух гаек, осуществляется фокусировка лазера - линза приближается или удаляется от лд.

Вид со стороны коллиматора:


И пару фотографий устройства в работе. В сторону, откуда светит луч:


В сторону, куда светит лазер:


Наиболее удобная настройка фокусировки возможна при использовании коллиматора от дешёвой указки, приклеенной эпоксидным клеем к ЛД. В моём случае пришлось сточить коллиматор на величину выреза, куда вставлялась плата. Фото ниже.


И несколько слов о зелёных, жёлтых, голубых и синих полупроводниковых лазерах.

Из-за того, что мощных лазерных диодов этих цветов пока не удалось создать (только в 2012 году появилась информация о создании 50 мВт зелёного лазерного диода) или они очень дороги, то в лазерах таких цветов используют инфракрасный лазерный диод 808нм с преобразованием излучения с помощью кристаллов в нужный цвет - это твердотельные лазеры с диодной накачкой.

Схема получения зелёного луча из невидимого инфракрасного: жёлтых лазерах 808нм луч конвертируется в 1064нм луч, далее 1064нм луч конвертируется в луч 1342нм и только потом удваивается в луч 593,5нм. КПД жёлтых лазеров в этой схеме составляет около 1 %.

Голубой 473нм лазерный луч обычно получают путем удвоения частоты 946нм лазерного излучения. Для получения 946нм используется кристалл алюмоиттриевого граната с добавками неодима (Nd:YAG).

А вот синий лазер 445нм и фиолетовый 405нм , собраны также как и красный, без дополнительных кристаллов, используя лд своего цвета.

Видео зажигания спички 100мВт фиолетовым лазером через дополнительную линзу, для получения более узкого луча.

Новые статьи добавлены на второй сайт, на который можно перейти через кнопку "Спектроскопия" в меню сайта!

Сделать мощный прожигающий лазер своими руками – несложная задача, однако, кроме умения пользоваться паяльником, потребуется внимательность и аккуратность подхода. Сразу стоит отметить, что глубокие познания из области электротехники здесь не нужны, а смастерить устройство можно даже в домашних условиях. Главное при работе – это соблюдение мер предосторожности, так как воздействие лазерного луча губительно для глаз и кожи.

Лазер – опасная игрушка, которая может нанести вред здоровью при его неаккуратном использовании. Запрещается направлять лазер на людей и животных!

Что потребуется?

Любой лазер можно разбить на несколько составляющих:

  • излучатель светового потока;
  • оптика;
  • источник питания;
  • стабилизатор питания по току (драйвер).

Чтобы сделать мощный самодельный лазер, потребуется рассмотреть все эти составляющие по отдельности. Наиболее практичным и простым в сборке является лазер на основе лазерного диода, его и рассмотрим в данной статье.

Откуда взять диод для лазера?

Рабочий орган любого лазера – это лазерный диод. Его можно купить почти в любом магазине радиотехнике, либо достать из нерабочего привода для компакт-дисков. Дело в том, что неработоспособность привода редко связана с выходом из строя лазерного диода. Имея в наличии сломанный привод можно без лишних затрат достать нужный элемент. Но нужно учесть, что его тип и свойства зависят от модификации привода.

Самый слабый лазер, работающий в инфракрасном диапазоне, установлен в CD-ROM дисководах. Его мощности хватает только для считывания CD дисков, а луч почти невидим и не способен прожигать предметы. В CD-RW встроен более мощный лазерный диод, пригодный для прожига и рассчитанный на ту же длину волны. Он считается наиболее опасным, так как излучает луч в невидимой для глаза зоне спектра.

Дисковод DVD-ROM оснащён двумя слабыми лазерными диодами, энергии которых хватает только для чтения CD и DVD дисков. В пишущем приводе DVD-RW установлен красный лазер большой мощности. Его луч виден при любом освещении и может легко воспламенять некоторые предметы.

В BD-ROM стоит фиолетовый или синий лазер, который по параметрам схож с аналогом из DVD-ROMа. Из пишущих BD-RE можно достать наиболее мощный лазерный диод с красивым фиолетовым или синим лучом, способным к прожигу. Однако найти для разборки такой привод достаточно сложно, а рабочее устройство стоит дорого.

Самым подходящим является лазерный диод, взятый из пишущего привода DVD-RW дисков. Наиболее качественные лазерные диоды установлены в LG, Sony и Samsung приводах.

Чем выше скорость записи DVD привода, тем мощнее установлен в нем лазерный диод.

Разбор привода

Имея перед собой привод, первым делом снимают верхнюю крышку, открутив 4 винта. Затем извлекают подвижный механизм, который находится в центре и соединён с печатной платой гибким шлейфом. Следующая цель – лазерный диод, надёжно впрессованный в радиаторе из алюминиевого или дюралевого сплава. Перед его демонтажем рекомендуется обеспечить защиту от статического электричества. Для этого выводы лазерного диода спаивают или обматывают тонкой медной проволокой.

Далее возможны два варианта. Первый подразумевает эксплуатацию готового лазера в виде стационарной установки вместе со штатным радиатором. Второй вариант – это сборка устройства в корпусе переносного фонарика или лазерной указки. В этом случае придётся приложить силу, чтобы раскусить или распилить радиатор, не повредив излучающий элемент.

Драйвер

К питанию лазера необходимо отнестись ответственно. Как и для светодиодов, это должен быть источник стабилизированного тока. В интернете встречается множество схем с питанием от батарейки или аккумулятора через ограничительный резистор. Достаточность такого решения сомнительна, так как напряжение на аккумуляторе или батарейки меняется в зависимости от уровня заряда. Соответственно ток, протекающий через излучающий диод лазера, будет сильно отклоняться от номинального значения. В результате на малых токах устройство будет работать не эффективно, а на больших – приведёт к быстрому снижению интенсивности его излучения.

Оптимальным вариантом считается использование простейшего стабилизатора тока, построенного на базе . Данная микросхема относится к разряду универсальных интегральных стабилизаторов с возможностью самостоятельного задания тока и напряжения на выходе. Работает микросхема в широком диапазоне входных напряжений: от 3 до 40 вольт.

Аналогом LM317 является отечественная микросхема КР142ЕН12.

Для первого лабораторного эксперимента подойдет схема, приведенная ниже. Расчет единственного в схеме резистора производят по формуле: R=I/1,25, где I – номинальный ток лазера (справочное значение).

Иногда на выходе стабилизатора параллельно диоду устанавливают полярный конденсатор на 2200 мкФх16 В и неполярный конденсатор на 0,1 мкФ. Их участие оправдано в случае подачи напряжения на вход от стационарного блока питания, который может пропустить незначительную переменную составляющую и импульсную помеху. Одна из таких схем, рассчитанная на питание от батарейки «Крона» или небольшого аккумулятора, представлена ниже.

На схеме указано примерное значение резистора R1. Для его точного расчета необходимо воспользоваться вышеприведенной формулой.

Собрав электрическую схему, можно сделать предварительное включение и как доказательство работоспособности схемы, наблюдать ярко-красный рассеянный свет излучающего диода. Измерив его реальный ток и температуру корпуса, стоит задуматься о необходимости установки радиатора. Если лазер будет использоваться в стационарной установке на больших токах длительное время, то нужно обязательно предусмотреть пассивное охлаждение. Теперь для достижения цели осталось совсем немного: произвести фокусировку и получить узконаправленный луч большой мощности.

Оптика

Выражаясь по-научному, пришло время соорудить простой коллиматор, устройство для получения пучков параллельных световых лучей. Идеальным вариантом для этой цели будет штатная линза, взятая из привода. С её помощью можно получить довольно тонкий луч лазера диаметром около 1 мм. Количества энергии такого луча достаточно, чтобы насквозь прожигать бумагу, ткань и картон в считаные секунды, плавить пластик и выжигать по дереву. Если сфокусировать более тонкий луч, то данным лазером можно резать фанеру и оргстекло. Но настроить и надежно закрепить линзу от привода достаточно сложно из-за ее малого фокусного расстояния.

Намного проще соорудить коллиматор на основе лазерной указки. К тому же в её корпусе можно поместить драйвер и небольшой аккумулятор. На выходе получится луч в диаметре около 1,5 мм меньшего прожигающего действия. В туманную погоду или при обильном снегопаде можно наблюдать неимоверные световые эффекты, направив световой поток в небо.

Через интернет-магазин можно приобрести готовый коллиматор, специально предназначенный для крепления и настройки лазера. Его корпус послужит радиатором. Зная размеры всех составных частей устройства, можно купить дешевый светодиодный фонарик и воспользоваться его корпусом.

В заключение хочется добавить несколько фраз об опасности лазерного излучения. Во-первых, никогда не направляйте луч лазера в глаза людей и животных. Это приводит к серьёзным нарушениям зрения. Во-вторых, во время экспериментов с красным лазером надевайте зелёные очки. Они препятствуют прохождению большей части красной составляющей спектра. Количество света, прошедшее сквозь очки, зависит от длины волны излучения. Смотреть со стороны на луч лазера без защитных средств допускается лишь кратковременно. В противном случае может появиться боль в глазах.

Читайте так же

Изобретение полупроводникового лазерного диода заслуженно считается одним из лучших достижений в области физики второй половины прошлого века. Независимые разработки советских и американских ученых в области оптического излучения твердотельных материалов, проведенные более полувека назад, сегодня показывают свою эффективность в бытовой, промышленной и военной сфере.
В отличие от светоизлучающих диодов, работа которых основана на спонтанном излучении фотонов, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и структуру кристалла.

Принцип работы

Чтобы понять, откуда появляются фотоны, рассмотрим процесс рекомбинации (исчезновения пары свободных носителей – электрона и дырки). При подаче прямого напряжения к p-n переходу диода возникает инжекция, т.е. резкое увеличение концентрации неравновесных носителей. В процессе инжекции, движущиеся навстречу друг другу, электроны и дырки рекомбинируют, выделяя энергию в виде частицы – фотона и квазичастицы – фонона. Так происходит спонтанное излучение, наблюдаемое в светодиодах.

В случае с лазерным диодом вместо спонтанного необходимо запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами. Для этого из кристалла формируют оптический резонатор, проходя через который, фотон с заданной частотой вынуждает рекомбинировать электронные носители, что способствует появлению новых фотонов той же поляризации и фазы. Их называют когерентными.

При этом лазерная генерация возможна только в случае наличия чрезмерно большого количества электронных носителей на верхнем энергетическом уровне, высвобожденных в результате инжекции. Для этого используют ток накачки такой силы, чтобы вызвать инверсию электронных населённостей. Под этим явлением подразумевают состояние, в котором верхний уровень намного больше заселён электронами, чем нижний. В результате стимулируется излучение когерентных фотонов.

Далее такие фотоны многократно отражаются от граней оптического резонатора, провоцируя запуск положительной обратной связи. Это явление носит лавинообразный характер, в результате которого рождается лазерный луч. Таким образом, создание любого оптического генератора, в том числе лазерного диода, требует выполнения двух условий:

  • наличие когерентных фотонов;
  • организация положительной оптической обратной связи (ПООС).

Чтобы сформированный луч не рассеивался вследствие дифракции, прибор компонуют собирающей линзой. Тип устанавливаемой линзы зависит от вида лазера.

Виды лазерных диодов

За годы развития устройство лазерного диода претерпело множество изменений. Его конструкция совершенствовалась, во многом благодаря появлению высокотехнологичного оборудования. Высочайшая точность легирования и полировки полупроводникового кристалла, а также создание гетероструктурной модели – факторы, которые обеспечили высокий коэффициент отражения на границе «кристалл-воздух» и формирование когерентного излучения.

Первый лазерный диод (диод с гомоструктурой) имел один p-n переход и мог работать исключительно в импульсном режиме из-за быстрого перегрева кристалла. Он имеет лишь историческое значение и не применяется на практике.

Более эффективным оказался лазерный диод с двойной гетероструктурой (диод ДГС). Его кристалл создан на основе двух гетероструктур. Каждая гетероструктура – это материал (арсенид галлия и арсенид алюминия-галлия) с малой шириной запрещённой зоны, который расположен между слоями с большей шириной запрещенной зоны. Преимущество лазерного диода ДГС состоит в существенном увеличении концентрации разнополярных носителей в тонком слое, что значительно ускоряет проявление положительной обратной связи. К тому же отражение фотонов от гетеропереходов ведёт к снижению их концентрации в области низкого усиления, а значит, повышает эффективность всего устройства.

Лазерный диод с квантовыми ямами устроен по принципу диода ДГС, но с более тонкой активной областью. Это означает, что элементарные частицы, попадая в такую потенциальную яму, начинают двигаться в одной плоскости. Эффект квантования в данном случае заменяет потенциальный барьер и служит генератором излучения.

Недостаточная эффективность удержания светового потока в диодах ДГС привела к созданию гетероструктурного лазера с раздельным удержанием. В этой модели кристалл дополнительно покрывается слоем материала с каждой из сторон. Несмотря на меньший коэффициент преломления этих слоёв, они уверенно удерживают частицы, выступая в роли световода. Технология SCH занимает лидирующую позицию в производстве диодных лазеров.

Лазерный диод с распределённой обратной связью (РОС) является частью оптического оборудования в сфере построения телекоммуникационных систем. Длина волны РОС лазера является константой, что достигается путем нанесения поперечной насечки на полупроводник в области p-n-перехода. Насечка выполняет функцию дифракционной решётки, тем самым возвращая в резонатор фотоны только с одной (заданной) длиной волны. Эти когерентные фотоны и участвуют в усилении.

Поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором или вертикально-излучающий лазер ВИЛ (англ. – VCSEL) в отличие от ранее рассмотренных приборов испускает луч света перпендикулярно поверхности кристалла. В основе конструкции VCSEL лежит метод использования вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами, а также достижения метода ДГС и квантовой ямы. Преимущество технологии VCSEL состоит в температурной и радиационной стабильности, в возможности группового производства кристаллов и их тестирования непосредственно на стадии изготовления.

Модификацией VCSEL является ВИЛ с внешним резонатором (англ. – VECSEL). Оба лазерных диода позиционируются как приборы высокого быстродействия с возможностью обеспечения передачи данных в будущем на скорости до 25 Гбит/с через волоконно-оптическую связь.

Разновидности корпусов

Популяризация лазерных диодов вынуждала производителей самостоятельно разрабатывать новые типы корпусов. С учетом их специфического назначения компании выпускали всё новые и новые виды защиты и охлаждения кристалла, что привело к отсутствию унификации. В настоящее время не существует международных стандартов, регламентирующих корпуса лазерных диодов.
Пытаясь навести порядок, крупные производители заключают между собой договор об унификации корпусов. Однако перед практическим применением неизвестного лазерного диода всегда следует уточнять назначение выводов и длину волны излучения, невзирая на знакомый тип корпуса. Среди промышленно выпускаемых полупроводниковых лазеров наиболее часто встречаются два вида с указанными ниже корпусами.
1 Приборы с открытым оптическим каналом:

  • TO-can (transistor-out-line metal-can package). Корпус выполнен из металла и применяется в изготовлении транзисторов;
  • C-mount;
  • D-mount.

2 Приборы с волоконным выходом:

  • DIL (Dual-In-Line);
  • DBUT (Dual-Butterfly);
  • SBUT (Single-Butterfly).

Применение

Каждый тип лазерного диода находит практическое применение, ввиду своих уникальных особенностей. Стоимость маломощных образцов снизилась в разы, о чём свидетельствует их применение в детских игрушках и указках. Ими оснащают лазерные рулетки-дальномеры, что позволяет одному человеку проводить замер расстояний и сопутствующие вычисления. На красных лазерах основана работа считывателей штрих-кодов, компьютерных манипуляторов и DVD-проигрывателей. Некоторые виды используют в проведении научных исследований и для накачки других лазеров. Наиболее востребованы лазерные диоды для передачи данных в оптоволоконных сетях. Новые модели VCSEL обеспечивают скорость в 10 Гбит/с, что открывает дополнительные возможности для комплекса телекоммуникационных услуг, в том числе:

  • способствуют росту скорости интернета;
  • улучшению телефонной и видеосвязи;
  • повышают качество телевизионного приёма.

Результатом совершенствования лазерного диода стал увеличенный срок службы, который теперь сопоставим с наработкой на отказ светоизлучающих диодов. Уменьшение тока накачки повысило надёжность приборов, а их вклад в развитие технического прогресса не меньше, чем у других электронных компонентов.


При генерации лазерного излучения более важен не ток лазерного диода, а его напряжение. В момент подачи на анод положительного потенциала, начинается смещение p-n перехода по прямому направлению. Это начинается инжекция дырок из p-зоны в n и аналогичную инжекцию электронов в противоположном направлении. Близкое расположение электронов и дырок запускает их рекомбинаци. Данное действие сопровождается генерацией фотонов определённой длиной волны

Это физическое явление получило название спонтанного излучения и применительно к лазерным диодам считается основным способом генерации лазерного излучения.

Полупроводниковый кристалл лазерного диода представляет собой тонкую прямоугольную пластинку. Деление на p и n части здесь осуществляется по принципу не слево направо, а сверху вниз. То есть, в верхней части кристаллав расположена p-область, а ниже - n-область.

Поэтому площадь p-n перехода достаточно велика. У лазерного диода торцевые стороны отполированы, т.к для формирования оптического резонатора (Фабри-Перо) необходимо наличие параллельных плоскостей максимальной гладкости. Перпендикулярно направленный в отношении одной из них фотон будет двигаться по всему оптическому волноводу, периодически отражаясь от боковых торцевых сторон, пока не выйдет из резонатора.

Во время такого движения фотон спровоцирует нескольких актов вынужденной рекомбинации, т.е генерирование аналогичных фотонов и тем самым усиливая лазерное излучение. В тот момент времени, когда усиление достаточно для перекрытия потерь, начинается лазерная генерация.

Главная отличительная особенность между светодиодами и лазерными диодами – это ширина спектра излучения. Светодиоды имеют широкий спектр излучения, в то время как лазерные имеют очень узкий спектр.


Принцип работы обоих полупроводниковых источников базируется на явлении электролюминесценции-излучении света материалом, через который течет электрический ток, вызванный электрическим полем. Излучение вследствие электролюминесценции характеризуется сравнительно узким спектром шириной в 0,1…3 нм для лазерных диодов и 10…50 нм у светодиодов.

Для подключения лазерного диода необходима специальная электронная схема, называемая драйвером лазерного диода. На практическом примере ниже мы покажем, как своими руками собрать простой драйвер лазерного диода на основе стабилизатора напряжения LM317.

Драйвер это особая схема подключения, которая применяется для ограничения тока и дальнейшей подачи его на лазерный диод, чтобы он работал правильно и не сгорел при первом же включении, в случае если мы напрямую подключим его к блоку питания.

Если ток будет низким лазерный светодиод не включится из-за отсутствия необходимого уровня мощности. Таким образом, схема драйвера предназначена для обеспечения правильного токового номинала, при котором лазерный диод перейдет в свое рабочее состояние. Простому светодиоду хватит обычного резистора для ограничения тока, но в случае с лазерным нам понадобится схема подключения для ограничения и регулировки тока. Для этих целей отлично подойдет микросборка .

Трехвыводная микросхема LM317 это типовой стабилизатор напряжения. На своем выходе он может выдавать напряжение от 1.25 до 37 вольт. Внешний вид LM317 с подписанными выводами представлен на изображении выше.

Микросхема является отличным регулируемым стабилизатором, иными словами можно легко изменять значение напряжения на выходе в зависимости от потребностей на выходе схемы, используя два внешних сопротивления, подключенные к линии регулировки (Adjust). Эти два резистора работают как делитель напряжения, применяемый для уменьшения уровня выходного напряжения.


Конструкцию за пять минут можно собрать на макетной плате. Работает схема так. Когда от батарейки начинает идти напряжение номиналом 9 вольт, оно сначала протекает через керамический конденсатор (0.1 мкФ). Эта емкость применяется для фильтрации высокочастотного шума от источника постоянного тока и обеспечивает входной сигнал для стабилизатора. Потенциометр (10 КОм) и сопротивления (330 Ом), подключенные к линии настройки, применяются в роли схемы ограничения напряжения. Выходное напряжение полностью зависит от значения этих сопротивлений. Выходное напряжение стабилизатора попадает на фильтр второго конденсатора. Эта емкость ведет себя как балансировщик мощности при фильтрации флуктуирующих сигналов. В результате можно изменять интенсивность лазерного излучения, вращая ручку потенциометра.

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.

 

 
Это интересно: