Diodelasermachine

Soorten diodelasermachines

Randemitterende diodelasers
Edge-emitting diodelasers zenden laserlicht uit vanaf de rand van de halfgeleiderchip. Ze zenden licht uit parallel aan het chipoppervlak. Randemitterende diodelasers worden gevormd uit een chip gemaakt van galliumarsenide (GaAs), indiumfosfide (InP) of galliumnitride (GaN). De chip bestaat uit twee (of meer) lagen, inclusief het ladingsdepletie (actieve) gebied bij de pn-overgang, waar het lasereffect optreedt.

Edge-emitting diodes kunnen hoge optische vermogensniveaus leveren, variërend van milliwatt tot tien watt of meer. Ze vertonen ook een hoger elektrisch rendement dan normaal, vergeleken met de meeste andere soorten lasers en laserdioden. Deze lasers worden op de meeste gebieden gebruikt: telecommunicatie, optische gegevensopslag, scannen van streepjescodes, laserprinten, optische detectie, medische apparatuur en industriële lasersystemen.

Oppervlakte-emitterende diodelasers (VCSED) met verticale holte
VCSED-apparaten worden gewoonlijk verticale holte-oppervlakte-emitterende lasers (VCSEL's) genoemd. Dit is een halfgeleiderlaserdiodeklasse die laserlicht loodrecht op het oppervlak van de chip uitzendt, door het bovenoppervlak van de chip. VCSEL's zijn gevormd uit een pn-junctiechip met een verticale holte, bestaande uit twee gedistribueerde Bragg-reflectorspiegels. Het actieve gebied, waar licht wordt geïnitieerd door ladingsannulering, bevindt zich gecentreerd tussen deze spiegels. Dit lasertype bevolkt het actieve gebied doorgaans met kwantumputten of soortgelijke versterkingsinducerende structuren. Het licht wordt loodrecht op het oppervlak van de chip uitgezonden als een cirkelvormige of elliptische straal met een goed gedefinieerd en symmetrisch profiel. Dit bundelprofiel reageert goed op collimatie, met relatief lage divergentie.

Deze apparaten hebben verschillende voordelen ten opzichte van edge-emitting diodelasers. Hun drempelstroom is laag, waardoor een hoog elektrisch rendement bij lage vermogensniveaus mogelijk is. Apparaten met een cirkelvormig bundelprofiel zijn zeer geschikt voor koppeling aan optische vezels. Een groot voordeel van VCSEL's is dat ze op waferschaal kunnen worden vervaardigd, wat resulteert in lagere productiekosten en hogere uniformiteit dan individueel geconstrueerde apparaten.

VCSED-lasers zijn beschikbaar om een ​​reeks golflengten uit te zenden, van midden- tot nabij-infrarood, en ook zichtbaar licht. De golflengte van de output is het resultaat van materiaalkeuze, verbindingsontwerp en vorm van de resonantieholte. Ze worden veel gebruikt in: glasvezelnetwerken, optische verbindingen en snelle datatransmissiesystemen. Ze worden ook gebruikt bij 3D-detectie voor gezichtsherkenning en dieptedetectie op mobiele apparaten, en in meer algemene optische en detectietoepassingen zoals optische muizen, laserprinters en 3D-scanners.

Gedistribueerde feedback (DFB) lasers
DFB-lasers (gedistribueerde feedback) hebben een vergelijkbare structuur als andere halfgeleiderlasers. De opname van een periodieke roosterstructuur binnen het actieve gebied, of de externe golfgeleider, is echter uniek voor deze klasse. Het gedistribueerde feedbackrooster bestaat uit een periodieke variatie in de brekingsindex van het golfgeleidergebied, resulterend in een periodieke modulatie van het versterkingsprofiel. Dit fungeert als een feedbackmechanisme, waarbij optische feedback/versterking op een geselecteerde golflengte wordt geforceerd, terwijl andere modi worden onderdrukt. Dit betekent dat deze apparaten licht produceren op een specifieke golflengte met een hoge spectrale zuiverheid en een smalle lijnbreedte. Dit is ideaal voor glasvezelcommunicatie met hoge datasnelheid, detectie en diverse spectroscopie- en metrologietoepassingen met hoge resolutie.

DFB-lasers kunnen ook worden ontworpen voor golflengteafstemming binnen een beperkt bereik. Dit is het gevolg van temperatuurafstemming, stroomafstemming of een extern feedbackmechanisme dat aanpassing van de brekingsindex mogelijk maakt.

Kwantumcascadelasers (QCL's)
De kwantumcascadelaser (QCL) gebruikt kwantumcascade-overgangen tussen energieniveaus binnen meerdere halfgeleiderovergangen als laserbron. QCL's zijn opgebouwd uit meerdere kwantumputten, met barrières gevormd door halfgeleiderlagen met verschillende bandafstanden. Wanneer een voorwaartse biasstroom wordt toegepast, reizen elektronen en gaten door meerdere gekwantiseerde energieniveaus, waarbij bij elke overgang efficiënt fotonen worden gegenereerd. Ze zorgen voor emissie in de midden-infrarood- en terahertz-gebieden van het elektromagnetische spectrum en kunnen binnen deze gebieden een breed scala aan golflengten uitzenden. De meeste midden-infraroodlasertechnologieën hebben cryogene koeling nodig, terwijl QCL's bij kamertemperatuur werken, waardoor ze ideaal zijn voor toepassingen die dit frequentiebereik nodig hebben. Door het leveren van hoge optische vermogensniveaus zijn ze geschikt voor toepassingen met hogere energie en leveren ze een continue golfmodus (CW) met een zeer stabiele output.

Relatief eenvoudige afstemming van de emissiegolflengte wordt bereikt door de laagdiktes en de voorspanning aan te passen, waardoor ze ideaal zijn voor spectroscopische analysetoepassingen die meerdere golflengten vereisen. Ze worden ook gebruikt voor omgevingsmonitoring, medische diagnostische systemen, teledetectie en communicatie in de vrije ruimte.

Diodelasers met externe holte (ECDL's)
ECDL's zijn apparaten die gebruik maken van een externe holte, meestal een externe reflector of rooster, om de laseruitvoer te versterken en de kenmerken ervan te controleren. ECDL's maken een grotere afstembaarheid, smalle lijnbreedte en nauwkeurige golflengtecontrole mogelijk in vergelijking met andere formaten van de diodelaser. Ze hebben een vergelijkbare structuur als andere diodelasers, met een voorwaarts voorgespannen pn-overgang en een actief gebied waarin fotonen worden uitgezonden. De externe holte wordt aan de laser toegevoegd om optische feedback te geven die een nauwkeurige afstemming van de emissiefrequentie mogelijk maakt. Deze holte herbergt een reflector, rooster of andere optische structuur die een deel van de bundel terug in de holte reflecteert.

ECDL's kunnen smallere lijnbreedtes mogelijk maken, in vergelijking met andere typen diodelasers. De externe holte onderdrukt ongewenste longitudinale modi en optische ruis, waardoor een betere coherentie en een smallere lijnbreedtebundel ontstaat. Deze klasse apparaten is ideaal voor toepassingen die een hoge spectrale zuiverheid vereisen voor zeer nauwkeurige optische kwantisering.

ECDL's leveren een aanzienlijk verbeterde golflengteafstemming, in vergelijking met de meeste diodelasers. De lasergolflengte kan nauwkeurig worden afgestemd door de positie of invalshoek van de externe reflector of rooster subtiel aan te passen. Dit maakt een breed spectrum van veeleisende toepassingen mogelijk op het gebied van spectroscopie, atomaire en moleculaire fysica en metrologie. Een voordeel van een goed ontwerp in de externe resonantieholte is dat de aanpassing van de emissiefrequentie mode-hop-vrij kan zijn, dat wil zeggen dat er soepele aanpassingen kunnen worden gemaakt tussen gewenste golflengten, zonder asymptotische en verstorende stapveranderingen.

Taps toelopende diodelasers
Taps toelopende diodelasers (of taps toelopende versterkers; taps toelopende lasers) zijn een klasse lasers met een taps toelopende versterkingsholte. Deze lasers bereiken een hoog uitgangsvermogen, een goede straalkwaliteit en een hoog elektrisch rendement. Dit taps toelopende gebied is breder aan het invoeruiteinde en wordt geleidelijk smaller naar het uitvoeruiteinde. Deze tapsheid dient om de bundelbreedte te vergroten en de optische dichtheid in het laserversterkingsgebied te verminderen.

Het taps toelopende versterkingsgedeelte zorgt voor een groter modusgebied, waardoor een hogere optische vermogensextractie mogelijk is. Het helpt ook om de collimatie van de bundelkwaliteit in de uitvoer te verbeteren. De tapsheid verhoogt ook de efficiëntie van het gebruik van de toegepaste pompenergie. Een ander voordeel van de taper is dat het versterkingsspectrum wordt vergroot, waardoor een groter bereik aan golflengten in de uitvoer mogelijk is. Deze afstembaarheid is een bijzonder waardevol kenmerk van de klasse. Deze apparaten worden veel gebruikt bij materiaalverwerking, lasergraveren en laserpompen (voor krachtige gas- en vastestoflasers). Hun hoge vermogen en goede straalkwaliteit maken ze geschikt voor veeleisende toepassingen waarbij precisie, snelheid en kracht essentieel zijn.

Superluminescente diodelasers (SLD).
SLD-lasers (superluminescente diode), ook bekend als bronnen met versterkte spontane emissie (ASE), zijn een lasertype dat de eigenschappen van laserdiodes en LED's combineert. Ze produceren breedspectrumlicht met een hoge intensiteit, waardoor ze geschikt zijn voor specifieke toepassingen op het gebied van beeldvorming, glasvezeldetectie en telecommunicatie. SLD-lasers genereren onsamenhangend licht door versterkte spontane emissie. Deze apparaten produceren een brede bandbreedte aan licht, variërend van tientallen tot honderden nanometers, waardoor SLD's geschikt zijn voor toepassingen die een breed spectraal bereik of beeldvorming met hoge resolutie vereisen. SLD levert een zeer heldere output, wat een maatstaf is voor het optische vermogen per eenheid ruimtehoek en golflengte-bandbreedte. De hoge helderheid is het gevolg van versterkte spontane emissie en optische versterking. Hun output heeft een korte coherentielengte vergeleken met conventionele lasers. Dit is de afstand waarover de elektromagnetische golven hun faserelatie behouden. Dit maakt ze geschikt voor toepassingen die interferentie met lage coherentie of beeldvorming met diepteresolutie vereisen. SLD's worden gebruikt in optische coherentietomografie (OCT), glasvezeldetectie, spectroscopie, biomedische beeldvorming, optische metrologie en optische testen. Ze zijn bijzonder waardevol in OCT-systemen voor beeldvorming met hoge resolutie van biologische weefsels en materialen.

Dubbele heterostructuurlasers
Dubbele heterostructuur (DH) lasers zijn een tak van de laserdiodefamilie die een heterostructuur integreert die de prestaties van de technologie verbetert. DH-lasers hebben een lagere drempelstroom, een hogere efficiëntie en een groter uitgangsvermogen in vergelijking met de gebruikelijke homojunctieconstructie.

DH-lasers zijn samengesteld uit twee pn-overgangen gevormd in drie lagen. De uitputtingszone (de middelste, n-type laag) is gekoppeld tussen twee p-type lagen met een grotere bandafstand. Deze configuratie zorgt voor een efficiënte opsluiting van de dragers en een lekvrije optische modus, waardoor de elektrische efficiëntie en de algehele prestaties toenemen. Een grotere opsluiting van de dragers helpt de dichtheid en recombinatie van de dragers te vergroten, wat in de meeste aspecten leidt tot een grotere winst en een verbeterde operationele efficiëntie. Een bijkomend voordeel is dat de heterostructuur optische opsluiting induceert, waardoor de interactie tussen licht en materie wordt versterkt. De lagere drempelstroom is het gevolg van een lagere lekkage van de ladingsdrager, waardoor de laser de drempel voor het begin van laserwerking bij lagere stroomniveaus kan bereiken.

Deze apparaten worden op grote schaal gebruikt in telecommunicatie, optische data-apparaten, laserprinten en lasergestuurde meetsystemen. Ze zijn vooral waardevol bij glasvezelcommunicatie over lange afstanden, waarbij hoge efficiëntie, lage drempelstromen en hoge output gunstig zijn.

Kwantumputdiodelasers
Kwantumputdiodelasers zijn een familie van apparaten die kwantumgoede structuren bevatten die de optische/elektrische eigenschappen verbeteren. Ze bereiken een lagere drempelstroom, een hogere energie-efficiëntie en verbeterde golflengtecontrole in vergelijking met meer basale apparaten. Deze apparaten zijn opgebouwd uit een gelaagde structuur van dunne halfgeleiderwafels met een smallere bandafstand, ingekapseld in lagen met een grotere bandafstand. De kwantumputlaag creëert een opsluitingsgebied voor zowel dragers als gegenereerde fotonen, waardoor de optische versterking wordt verbeterd. De beperkte drager bereikt een hogere dichtheid in het kwantumputgebied, wat een beter gebruik van dragers voor gestimuleerde emissie mogelijk maakt, wat resulteert in een verbeterde efficiëntie van de energieconversie. Ze maken nauwkeurige controle over de gegenereerde golflengte mogelijk door de putbreedte en samenstelling aan te passen. Hierdoor kan de emissiegolflengte nauwkeurig worden afgestemd op veeleisende specificaties.

Kwantumputdiodelasers staan ​​bekend om hun smalle lijnbreedte-uitvoer. De onderdrukking van concurrentie in de longitudinale modus en verminderde optische ruis resulteren in betere coherentie en smaller spectraal gedrag. Dit apparaatformaat is vooral nuttig in de telecommunicatie, optische gegevensopslag, laserprinten en medische diagnostiek. Compacte en efficiënte stralingsbronnen voor glasvezelcommunicatie zijn van cruciaal belang bij glasvezel met hoge bandbreedte en lange afstanden.

Lasers met enkele longitudinale modus (SLM).
Lasers met enkele longitudinale modus (SLM) zenden licht uit om een ​​uitvoer met een enkele frequentie of golflengte te produceren met hoge coherentie en smalle lijnbreedte. SLM-lasers passen verschillende technieken toe, zoals modusselectie-elementen, frequentiestabilisatiemethoden en optimalisatie van het caviteitsontwerp om deze single-mode-uitvoer te bereiken. Onderdrukking van interfererende longitudinale modi genereert een zeer coherente output met een smal frequentiespectrum.

SLM-lasers worden gebruikt op verschillende gebieden, zoals telecommunicatie, glasvezeldetectie, metrologie, spectroscopie en interferometrie en als onderzoeksinstrumenten, vanwege hun hoge coherentie, nauwkeurige golflengtecontrole en smalle lijnbreedte.

Interband-cascadelasers
Interbandcascadelasers (ICL's) werken op de interbandovergang tussen verschillende elektronische banden binnen het actieve gebied. Ze leveren een efficiënte en krachtige werking in het midden-infrarode golflengtespectrum. ICL's profiteren van interbandovergangen tussen energiebanden binnen elke wafer, waarbij gebruik wordt gemaakt van cascadeovergangen tussen meerdere fasen/kwantumputten om verbeterde optische versterking en laseremissie te bereiken. Conventionele diodelasers zijn afhankelijk van beperktere intrabandovergangen. Ze zijn gewoonlijk ontworpen om straling te genereren in midden-infrarode golflengten, tussen 3 en 12 micrometer. Meerdere kwantumputtrappen zijn elektrisch verbonden in een cascadeconfiguratie. Elke fase neemt deel aan het versterkingsproces, wat resulteert in een hogere optische versterking dan apparaten met één junctie.

ICL's leveren een bijzonder lage drempelstroom voor het begin van lasering. Een efficiënter transport en gebruik van de drager resulteert in een lager energieverbruik. ICL's worden toegepast op gasdetectie, chemische analyse, omgevingsmonitoring, industriële procescontrole en optische communicatie in de vrije ruimte. Midden-infraroodstraling is nuttig voor het detecteren en meten van specifieke verontreinigende stoffen.

Afzonderlijke heterostructuurlasers voor opsluiting
Lasers met afzonderlijke opsluiting-heterostructuur (SCH) gebruiken een heterostructuurontwerp om de optische en elektrische eigenschappen te verbeteren. Dit levert verminderde optische verliezen, verbeterde drageropsluiting en verbeterde algehele prestaties op in vergelijking met gewone homojunctielasers. SCH-lasers bevatten verschillende wafers met variërende bandafstanden om een ​​complexere heterostructuur te vormen. De depletielaag wordt ingeklemd door bredere bandafstandlagen. Deze complexiteit maakt een verbeterde opsluiting van zowel dragers als optische modi mogelijk.

Verbeterde opsluiting en verminderde optische lekkage zijn het resultaat van het feit dat de bekledingslagen zowel optische als ladingsdrageractiviteit binnen het actieve gebied vasthouden. Verminderde dragerlekkage draagt ​​in het bijzonder bij aan een verbeterde drempelstroom en elektrische efficiëntie. Dit verbetert op zijn beurt de prestaties, vergeleken met homojunctielasers, door de temperatuurstabiliteit, hogere modulatiebandbreedte en temperatuurafhankelijke golflengtedrift te verbeteren. SCH-lasers zijn met name nuttig in toepassingen die efficiëntie en temperatuurstabiliteit vereisen. Ze zijn geschikt voor algemene toepassingen zoals telecommunicatie, optische gegevensopslag, laserprinten, optische detectie en lasergebaseerd onderzoek, maar ze zijn vooral geschikt voor zwaardere omgevingen en glasvezelcommunicatiesystemen.

Gedistribueerde Bragg-reflector (DBR) lasers
Gedistribueerde Bragg-reflector (DBR)-apparaten zijn apparaten die een gedistribueerde Bragg-reflector bevatten die in de versterkingsholte is geïntegreerd. Dit aspect maakt nauwkeurige controle van de uitgezonden frequentie en nauwe filtratie mogelijk voor een goede spectrale zuiverheid en selectie. Het Bragg-rooster bestaat uit afwisselende lagen materialen met een hoge en lage brekingsindex die functioneren als een golflengteselectieve spiegel. Deze structuur reflecteert licht van alle niet-geselecteerde golflengten, terwijl de gewenste straling zich door de versterkingsholte kan voortplanten. Deze structuur zorgt voor nauwkeurige golflengteselectiviteit, en door de roosterperiode of brekingsindexparen aan te passen, kan de uitgezonden golflengte over een bepaald bereik worden afgestemd. Dit vergemakkelijkt maatwerk en compatibiliteit met een reeks toepassingen, waaronder WDM-systemen (golflengteverdelingsmultiplex) en optische coherentietomografie (OCT).

DBR-lasers zorgen voor een smalle lijnbreedte als gevolg van de gedistribueerde feedback van het Bragg-rooster. Het rooster onderdrukt ongewenste longitudinale modi en resulteert in een single-mode emissie met een smalle spectrale breedte. Deze apparaten leveren gunstige, hoge side-mode suppression ratio's (HSMSR), die het vermogensverschil vertegenwoordigen tussen de gewenste lasermodus en de aangrenzende modi, waardoor een maatstaf wordt geboden voor selectiviteit, spectrale zuiverheid en smalle lijnbreedte.

DBR-lasers worden gebruikt in de telecommunicatie, glasvezeldetectie, spectroscopie, metrologie en optische coherentietomografie. Ze worden gebruikt als nauwkeurige en stabiele lichtbronnen in verschillende systemen die specifieke golflengten, smalle lijnbreedten en hoge spectrale zuiverheid vereisen.

Oppervlakte-emitterende lasers met verticale externe holte
Oppervlakte-emitterende lasers met verticale uitwendige holte (VECSEL's) zijn een gespecialiseerd type laserapparaat dat de gunstige eigenschappen van zowel oppervlakte-emitterende lasers met verticale holte (VCSEL's) als diodelasers met uitwendige holte (ECDL's) combineert. Dit resulteert in unieke kenmerken zoals een hoog uitgangsvermogen, afstembaarheid van de golflengte en uitstekende straalkwaliteit.

Bij VECSEL's is de laserholte verticaal georiënteerd, zodat het licht loodrecht op het chipoppervlak wordt uitgezonden. Dit verticale ontwerp zorgt voor een efficiënte warmteafvoer en nauwkeurige controle over de uitgezonden straal. Hun externe holteconfiguratie is opgebouwd uit extra reflecterende oppervlakken die buiten de chipstructuur zijn geplaatst. Dit maakt golflengteregeling, bundelvorming en vermogensschaling mogelijk. VECSEL's kunnen een hoger uitgangsvermogen leveren dan VCSEL's omdat de configuratie van de externe holte de warmteafvoer verbetert. Nauwkeurige afstemming van de golflengte over een breed spectraal bereik wordt bereikt door de positie van de externe holtespiegels te wijzigen of de bedrijfstemperatuur van het apparaat aan te passen. Door het nauwkeurig ontworpen gebruik van externe holtes bereiken VECSEL's een hoogwaardige output met een lage divergentiehoek en een uniform straalprofiel.

VECSEL's worden gebruikt in wetenschappelijk onderzoek, materiaalverwerking, medische diagnostiek, optische detectie en telecommunicatie. Ze dienen voor precisietoepassingen zoals laserspectroscopie, laserkoeling en het vangen/manipuleren van atomen, laserablatie en optische communicatie met hoge datasnelheid.

Lasers in multi-longitudinale modus (MLM).
Lasers met multi-longitudinale modus (MLM) bieden de ongebruikelijke mogelijkheid om uit te zenden op verschillende, dicht bij elkaar gelegen maar smalle frequentiebanden, over een relatief breed spectrum. De longitudinale modi in MLM-lasers zijn nauw uit elkaar geplaatst. De afstand hangt af van het functionele ontwerp van de resonantieholte, zoals de lengte en de brekingsindex van het lasermedium. Hun brede emissiespectrum is te danken aan de aanwezigheid van deze meerdere modi. De spectrale breedte en verdeling van de modi komen voort uit het ontwerp van de holtes en de juncties en ook uit de bedrijfsomstandigheden.

MLM-lasers worden gebruikt in spectroscopie, metrologie, interferometrie en telecommunicatie. Ze zijn met name toepasbaar op optische coherentietomografie (OCT), waarbij beeldvorming met hoge resolutie mogelijk is, als gevolg van de interferentie van de meerdere longitudinale modi.

Toepassing van diodelasermachine

Hoe de diodelasermachine te onderhouden

Hoe werkt diodelaser

Diodelasers werken door de emissie van fotonen op een halfgeleiderovergang te stimuleren. Het halfgeleidermateriaal heeft specifieke energiebandafstanden die de opwekking en versterking van coherent licht veroorzaken. Een diode bestaat uit een pn-overgang. Het n-type gebied creëert een overmaat aan negatief geladen dragers (elektronen), terwijl het p-type een overschot aan positief geladen dragers (gaten) creëert. De kruising vormt een uitputtingsgebied tussen de twee materialen. Wanneer een voorwaartse voorspanning (+ve op het p en -ve op het n-materiaal) over de junctie wordt aangelegd, vloeit er stroom. Dit zorgt ervoor dat ladingsdragers over het kruispunt bewegen. Elektronen uit het n-gebied en gaten uit het p-gebied worden in het uitputtingsgebied geïnjecteerd. Deze ontmoeten elkaar en neutraliseren, waarbij voor elke geannuleerde lading een foton vrijkomt.

De diodelaser is ontworpen met reflecterende oppervlakken aan de uiteinden, die een "optische holte" vormen. De fotonen reflecteren intern, en optische feedback verbetert de gestimuleerde emissies en resulteert in smalbandig, coherent licht. Stimulerende emissie vindt ook plaats wanneer een foton interageert met een aangeslagen elektron, waardoor dit een ander foton uitzendt. Deze extra fotonen zijn identiek aan het triggerende foton, wat leidt tot versterking. Naarmate de gestimuleerde emissie voortduurt en fotonen in de holte worden gereflecteerd, neemt de intensiteit van de laserenergie toe.