Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów jest przezna-
czony dla bardziej zaawansowanych
Czytelników, mających pewne do-
świadczenie w konstruowaniu i wyko-
nywaniu urządzeń elektronicznych.
Formuła Klubu jest następująca: po
zaprezentowaniu danego elementu na
łamach EdW, do końca miesiąca cze-
kamy na listy, w których przedstawi-
cie propozycje, jak chcielibyście wy-
korzystać dany podzespół. Osoba lub
osoby, które nadeślą najbardziej prze-
konujące listy, otrzymają dany ele-
ment bezpłatnie (i bez żadnych zobo-
wiązań względem redakcji). Nie sta-
wiamy szczegółowych wymagań -
Twoim zadaniem, Czytelniku, jest
przekonać nas, że dany element nale-
ży udostępnić do eksperymentów
właśnie Tobie! List powinien zawierać
schemat ideowy proponowanego roz-
wiązania układowego, planowany spo-
sób praktycznego zastosowania, ale
można też napisać coś o sobie
i swoich dotychczasowych osiągnię-
ciach. W przeciwieństwie do Szkoły
Konstruktorów, listy te nie będą publi-
kowane, ani oceniane. Osoba, która
otrzyma dany podzespół może, ale
Diody laserowe, część 1
wcale nie jest zobowiązana, napisać
potem do redakcji EdW i albo zapre-
Lasery Podstawy fizyczne
zentować samodzielnie opracowane,
kompletne urządzenie, albo podzielić
Od lat znane są różne rodzaje lase- W wielu mądrych książkach tłumaczy
się swymi uwagami na temat napo-
rów: gazowe (helowo-neonowe, argono- się działanie półprzewodników przy uży-
tkanych trudności, albo nawet opisać
we, kryptonowe), stałe (rubinowe, YAG, ciu zaawansowanych pojęć fizycznych
okoliczności uszkodzenia elementu
neodymowe) i półprzewodnikowe. Obec- i wzorów matematycznych. Zrozumienie
(wiemy, że często zdarza się to pod-
nie coraz szerzej wykorzystywane są la- tego daje wiele satysfakcji, jednak nie
czas eksperymentów). Najbardziej in-
sery półprzewodnikowe - właśnie ich do- wszyscy Czytelnicy EdW lubią takie roz-
teresujące listy zawierające plon ta-
tyczy niniejszy materiał. ważania. Dlatego posłużymy się starym,
kich praktycznych doświadczeń, zo-
Choć wszystkie wymienione lasery niezbyt precyzyjnym modelem atomu.
staną opublikowane w EdW.
wyglądają odmiennie, podstawowa za- W modelu tym atom to maleńkie jąd-
Redakcja będzie też prezentować
sada pracy każdego z nich jest zawsze ro, otoczone przez chmurę elektro-
własne rozwiązania.
taka sama. Jak świadczy nazwa LASER nów.
Dziś w Klubie Konstruktorów pre-
(Light Amplification by Simulating Emis- Musisz jeszcze wiedzieć, że światło,
zentujemy diody laserowe.
sion of Radiation), chodzi o element, jest pewną formą energii - światło może-
Nasi Czytelnicy otrzymają wszyst-
gdzie wzmacnianie światła zachodzi pod my traktować jako strumień pędzących
kie informacje, niezbędne do podjęcia
wpływem wymuszonej emisji promienio- z prędkością światła cząstek - fotonów,
praktycznych prób ich wykorzystania.
wania - właśnie to wzmacnianie światła a jednocześnie światło jest falą elektro-
Dziesięć diod laserowych i trzy goto-
jest kluczem do zrozumienia funkcjono- magnetyczną, taką jak fale radiowe, tyle
we moduły laserowe zostanie bezpłat-
nie rozdzielonych między tych Czytel- wania lasera. Żeby zrozumieć działanie że o wiele większej częstotliwości. Mo-
ników, którzy do końca kwietnia przy- laserów i uniknąć przykrych niespodzia- że to jest trudne do zrozumienia, że
ślą najbardziej przekonujące propozy- nek przy ich wykorzystaniu, niezbędne światło jest jednocześnie i cząstką i falą,
cje ich wykorzystania. Na razie prosi- jest zapoznanie się z fizycznymi podsta- ale na razie nie potrafimy tego lepiej so-
my nie przysyłać zgłoszeń, ponieważ
wami ich budowy. Prześledzimy to na bie wyobrazić i musimy używać takich
dodatkowe wskazówki na ten temat
przykładzie lasera półprzewodnikowego. określeń.
będą podane w następnym numerze
EdW.
Z wielką przyjemnością przedstawiam Czytelnikom EdW materiał dotyczący
Hallotrony KSY14 otrzymują do
diod laserowych. Był to jeden z tematów, o jaki najczęściej upominaliście się
prób i eksperymentów:
w ankiecie. Temat jest superciekawy, ale także trudny, poza tym niewłaściwe ob-
1. Krzysztof Forysiak z A
odzi
chodzenie się z laserami może być niebezpieczne. Właśnie ze względu na niebez-
2. Piotr Perzak z Warszawy
pieczeństwo utraty wzroku pozwalam sobie opisać pewne anegdotyczne zdarze-
Ponieważ temat ten wzbudził nie-
nie:
oczekiwanie duże zainteresowanie,
Nie tak dawno redakcyjny kolega, Marek Mańkowski zapytał mnie, ile razy
firma AVT zamierza w najbliższym
można spojrzeć w wylot pracującego lasera. Wietrząc podstęp odpowiedziałem
czasie wprowadzić te elementy do
swej oferty handlowej, i pozostali za- natychmiast, że tylko raz. Nie miałem racji - Marek poprawił mnie: dwa razy - mo-
interesowani będą mogli zaopatrzyć żesz spojrzeć raz jednym okiem, raz drugim...
się w hallotrony tą drogą. Piotr Górecki
18 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
miliardowa metra), a nie w jednostkach
częstotliwości (hercach), choć wiadomo,
że światło to również po prostu fala elek-
tromagnetyczna. Długość fali i jej częs-
totliwość jest związana znaną zależnoś-
cią:
l= c / f
gdzie: l - długość fali, c - prędkość
światła, a f - częstotliwość, czyli jest to
z podanego wcześniej wzoru.
Oko ludzkie reaguje na promieniowa-
Rys. 1. Zasada działania diody LED. nie o długości fali od około 450 do około
rysunek 3
650nm. Pokazuje to rysunek 3
rysunek 3.
rysunek 3
rysunek 3
Charakterystyki podane na rysunkach
2 i 3 będą za chwilę potrzebne.
Wiemy już z grubsza, że w diodzie
LED pod wpływem przepływającego prą-
du, elektrony z przedostatniej orbity
przeskakują do ostatniej orbity, a gdy sa-
moczynnie wracają z powrotem, każdy
z nich oddaje kwant światła o barwie za-
leżnej od odległości tych orbit.
Z diodami laserowymi jest podobnie.
Przy małych prądach dioda laserowa za-
chowuje się tak jak zwykła dioda LED.
Dopiero przy większych prądach daje
Rys. 2. Charakterystyka widmowa diod LED.
o sobie znać zjawisko laserowe.
rysunku 4
Na rysunku 4
rysunku 4 pokazano cztery mecha-
rysunku 4
rysunku 4
Zanim przejdziemy do laserów, zacz- e = h n nizmy, które współdziałają w diodzie la-
nijmy analizę od działania diody świecą- gdzie e - energia, h - stała Plancka, a nto serowej. Oprócz zjawisk znanych z ry-
cej LED. Diody laserowe są szczególną częstotliwość promieniowania. sunku 1 (I i II), mamy tu dodatkowo ab-
odmianą popularnych diod LED. Elektron  spadając z okleślonej wyso- sorpcję rezonansową (III) i emisję wy-
Wracamy do atomu. Elektrony krążą kości traci określoną ilość energii, czyli muszoną (IV). Elektrony mogą przeskaki-
tam po ściśle określonych orbitach. Jeśli wysyła maleńką porcję światła o pewnej wać na wyższą orbitę nie tylko pod wpły-
chcemy, aby elektron przeskoczył na wy- częstotliwości, a więc pewnej barwie. wem płynącego prądu, ale również pod
ższą orbitę, musimy mu w jakiś sposób Znając odległości między ostatnimi wpływem kwantów światła o odpowied-
dostarczyć energii (można powiedzieć, orbitami można z tego wzoru obliczyć niej energii - jest to zjawisko oznaczone
że w diodach LED energia taka jest do- częstotliwość (a więc i barwę wysyłane- III (wykorzystuje się to zresztą w niektó-
starczana wskutek przepływu prądu). go światła). Diody LED świecą więc rych laserach, gdzie takie naświetlanie
Natomiast elektron znajdujący się na wy- światłem o jednej barwie (światłem mo- nazywa się pompowaniem).
ższej orbicie chętnie  spada na orbitę nochromatycznym), o kolorze zależnym Czwarte zjawisko ma kluczowe zna-
niższą - tym razem oddaje on energię. od odległości ostatnich orbit. czenie dla działania lasera - emisja wy-
Oddawana energia ma postać fotonów, W rzeczywistości sprawa jest bardziej muszona następuje wtedy, gdy elektron
czyli najmniejszych porcji (kwantów) skomplikowana, bowiem materiał pół- znajdujący się już na wyższej orbicie jest
rysunek 1
światła. Ilustruje to rysunek 1
rysunek 1. Elektrony przewodnikowy zawiera atomy różnych  trafiony fotonem (ale musi to być fo-
rysunek 1
rysunek 1
przenoszone są na wyższą orbitę wsku- pierwiastków, o różnej budowie i od- ton, czyli kwant światła o odpowiedniej
tek przepływu prądu elektrycznego. Ta- miennym rozmieszczeniu orbit i elektro- częstotliwości, powstały przy powrocie
kie wzbudzone elektrony  spadają sa- nów. Diody LED i laserowe wykonywa- elektronu na niższą orbitę). Następuje
moczynnie na niższą orbitę wytwarzając ne są najczęściej ze związków galu, gli- wtedy wymuszona emisja promieniowa-
światło. Mówimy wtedy o spontanicznej nu, arsenu, indu i fosforu, stąd spotyka- nia - obok fotonu wymuszającego poja-
emisji światła. ne oznaczenia np. GaAlAs i InGaAsP.
Nie będziemy tu wchodzić w szczegó- O szczegóły związane z rozmieszcze-
ły - trzeba tylko wiedzieć, że w takim niem orbit martwią się naukowcy i pro-
 skakaniu po orbitach biorą udział tylko ducenci, użytkownika interesuje w su-
elektrony ostatniej i przedostatniej wars- mie tylko efekt końcowy, czyli barwa
twy (w podręcznikach mówi się o pas- emitowanego światła.
mie przewodnictwa i pasmie walencyj- W sumie w diodach LED nie wszyst-
nym). kie wysyłane kwanty światła mają ideal-
Ponieważ dla danego materiału odleg- nie taką samą częstotliwość czyli barwę,
łość między ostatnimi orbitami jest ściś- dlatego w katalogach podaje się charak-
rysunku
le określona, więc w danym elemencie terystykę barwową światła. Na rysunku
rysunku
rysunku
rysunku
2
(diodzie LED wykonanej z tego materia- 2
2 pokazano rozkład długości fali wysyła-
2
2
łu), każdy elektron, spadając z ostatniej, nych przez różne typy diod LED.
najwyższej orbity na przedostatnią, od- W katalogach promieniowanie wysy-
daje zawsze taką samą ilość energii, łane przez elementy optoelektroniczne
zwaną kwantem. Kto nie spał na lekcjach jest wyrażane w jednostkach długości
Rys. 3. Czułość oka ludzkiego.
fizyki, zna wzór: fali (ściślej w nanometrach, 1nm - jedna
19
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
emisji wymuszonej, po powstaniu odpo-
wiedniej liczby fotonów, wystąpi lawino-
we ich mnożenie i powstanie ogrom-
nych ilości światła. Na pierwszy rzut oka
wygląda to nawet na swego rodzaju per-
petuum mobile. Tak jednak nie jest. Na-
leży pamiętać, że przez cały czas część
fotonów wypada z gry wskutek absorp-
cji rezonansowej, strat związanych z od-
biciami od luster oraz z wypromieniowa-
niem światła na zewnątrz.
W każdym razie jeden kierunek jest
Rys. 4. Zjawiska wykorzystywane w diodzie laserowej.
wyraz
nie uprzywilejowany i ze wzros-
tem prądu coraz więcej kwantów światła
wia się drugi foton, a co najważniejsze, zonansowej, a liczbą przypadków emisji porusza się w osi lasera, między lustra-
powstałe promieniowanie ma dokładnie wymuszonej zmienia się na korzyść tej mi. Tylko kwanty mające odpowiedni
taką samą częstotliwość i fazę, co pro- ostatniej. kierunek ruchu (dokładnie wzdłuż osi la-
mieniowanie wymuszające. Zjawisko IV Pewna, niewielka część powstają- sera), częstotliwość i fazę są uprzywile-
związane jest więc ze wzmocnieniem cych fotonów biegnie w kierunku osi la- jowane i biorą udział w dalszym wzmac-
światła. sera (czyli na rysunku 5 - poziomo). nianiu. Pozostałe nie są wzmacniane
W zasadzie w zwykłej diodzie LED też Światło to natrafia na półprzepuszczane i ulegają wygaszeniu.
występują wszystkie cztery zjawiska po- lustra, i jego część zostaje odbita z po- Można powiedzieć, że w laserze po-
kazane na rysunku 4, ale nie ma warun- wrotem do wnętrza lasera. To odbite wstaje swego rodzaju rezonans. W efek-
ków, by w znaczniejszej mierze wystąpi- światło powoduje dalszą wymuszoną cie, w trakcie akcji laserowej, w obsza-
ła emisja wymuszona. A podstawą pracy emisję. Tworzy się rezonator optyczny rze czynnym lasera ogromna większość
lasera jest właśnie emisja wymuszona. (tzw. rezonator Fabry-Perota) Ilustruje to występujących kwantów energii porusza
Dlatego, aby zaistniało zjawisko lasero- rysunek 5b. się w osi lasera między lustrami i ma jed-
we - wzmacnianie światła pod wpływem Dzięki obecności luster, jeden kieru- nakową częstotliwość i fazę. Część tego
promieniowania wymuszającego, muszą nek jest wyraz
nie uprzywilejowany. O ile promieniowania wychodzi przez lustra
być spełnione pewne dodatkowe warun- nawet promieniowanie biegnące w in- na zewnątrz. Pokazano to na rysunku 5c.
ki. nych kierunkach także powoduje wymu- W odróżnieniu od diody LED, promie-
Rysunek 5 pokazuje uproszczony szoną emisję, to powstałe w ten sposób niowanie emitowane laser jest spójne
Rysunek 5
Rysunek 5
Rysunek 5
Rysunek 5
przekrój diody laserowej - tym razem światło nie może opuścić lasera. Tylko (koherentne), to znaczy że poszczególne
jest to już przekrój stosunkowo dużego promieniowanie biegnące wzdłuż osi ma kwanty promieniowania mają taką samą
elementu, który nie ma prawie nic szanse opuścić laser, a część odbita fazę.
wspólnego z rysunkami 1 i 4, pokazują- z powrotem, dzięki obecności luster, po- Inaczej jest w diodzie LED. Przy emis-
cymi obiekty nieporównanie mniejsze woduje dalsze zwiększenie ilości foto- ji spontanicznej, każdy powstający foton
(na poziomie atomowym). Nieodłączną nów biegnących wzdłuż osi. promieniowania biegnie w przypadko-
częścią składową lasera są dwa półprze- Wydawałoby się, że dzięki zastoso- wym kierunku i ma przypadkową fazę.
puszczalne lustra, które część światła waniu luster i występowaniu zjawiska Wprawdzie światło składa się z kwan-
przepuszczają, a część odbijają z powro- wzmacniania światła wskutek podczas tów promieniowania o zbliżonej częstot-
tem.
Na rysunku 5a pokazano sytuację przy
a)
małym prądzie pracy. Pod wpływem pły-
nącego prądu następuje przenoszenie
elektronów w atomach na wyższy po-
ziom, a następnie pojawia się promienio-
wanie w wyniku emisji spontanicznej.
Powstające kwanty promieniowania ma-
ją przypadkową fazę i biegną we wszyst-
kich możliwych kierunkach. Zjawiska ab-
sorpcji rezonansowej i emisji wymuszo-
nej wprawdzie występują, ale znoszą
się, ponieważ więcej elektronów znajdu-
je się na niższej orbicie. Absorpcja rezo-
b) c)
nansowa występuje częściej niż emisja
wymuszona i w efekcie dioda laserowa
zachowuje się, jak zwykła dioda LED.
Przy zwiększaniu prądu coraz więcej
elektronów jest przenoszonych na górną
orbitę (por. rys 4). Dochodzi do sytuacji,
gdy na górnej orbicie jest więcej elektro-
nów, niż na niższej (nazywa się to inwer-
sją obsadzeń). Coraz więcej kwantów
światła powstaje wskutek emisji wymu-
szonej. Ze wzrostem prądu, proporcja
między liczbą przypadków absorpcji re- Rys. 5. Zasada działania lasera.
20 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Rys. 8. Widmo promieniowania diody laserowej
Rys. 6. Charakterystyka skuteczności
diody laserowej.
Z rysunku 7 wynika jedynie, że dioda la-
Parametry diody
serowa rzeczywiście jest rodzajem diody
laserowej
LED.
Można powiedzieć, że dioda pracuje
rysunku 8
Na rysunku 8
rysunku 8 pokazano charakterys-
rysunku 8
rysunku 8
jako laser wtedy, gdy ilość światła wy- tykę widma promieniowania pewnej dio-
tworzonego w procesie emisji wymu- dy laserowej (LT27MD firmy Sharp). Li-
szonej jest większa od sumy wymienio- nią przerywaną zaznaczono charakterys-
nych wcześniej strat. Następuje to po
tykę diody LED, która miałaby taką samą
przekroczeniu pewnej granicznej wartoś- barwę świecenia. Jak widać ta dioda la-
ci prądu.
serowa dostarcza promieniowania o nie-
rysunku 6
Na rysunku 6
rysunku 6 pokazano charakterys- mal jednakowej długości fali.
rysunku 6
rysunku 6
tykę skuteczności diody laserowej. Do- A teraz coś dla bardziej zaawansowa-
piero po przekroczeniu prądu graniczne- nych. Nie wszystkie diody laserowe pro-
go Ith (th - threshold) element pracuje ja- mieniują światło o jednej częstotliwości
ko dioda laserowa. Należy zauważyć, że
(długości). Na przykład dioda LT023 fir-
Rys. 7. Charakterystyka napięciowo-
na rysunku 6 wielkością wyjściową jest
my Sharp ma charakterystykę widmo-
prądowa diody laserowej.
moc promieniowanego światła, a war- wą, jak pokazano na rysunku 9 Warto
rysunku 9
rysunku 9.
rysunku 9
rysunku 9
tością wejściową - prąd zasilający. Po- zauważyć, że ze wzrostem prądu po-
liwości (czyli jest to światło jednobarw- czątkujących należy ostrzec, że wykres
szczególne prążki zanikają, a pozostaje
ne, monochromatyczne), ale fazy drgań z rysunku 6 niesie zupełnie inne informa- jeden. Prążek ten przesuwa się też nieco
poszczególnych kwantów są przypadko- cje, niż charakterystyka napięciowo-prą- ze wzrostem prądu w kierunku większej
rysunku 7
rysunku 7.
rysunku 7
rysunku 7
we. Taką wiązkę światła określamy mia- dowa tej diody, pokazana na rysunku 7
długości fali (mniejszej częstotliwości).
nem światła monochromatycznego, ale
Zjawisko pojawiania się w widmie kilku
niespójnego (niekoherentrnego).
prążków i ich przesuwania jest związane
Natomiast zjawisko laserowe jest
z geometrią diody laserowej i zmianami
właśnie tym szczególne, że kolejne
temperatury. Zjawisko laserowe związa-
kwanty światła, powstające w warstwie
ne jest z interferencją fal świetlnych oraz
czynnej podczas emisji wymuszonej,
z powstaniem wewnątrz lasera fali stoją-
mają taką samą częstotliwość i fazę, jak
cej. Krótko mówiąc, w długości czynnej
kwanty promieniowania wymuszające-
materiału lasera musi zmieścić się całko-
go. Całe promieniowanie wychodzące
wita ilość  połówek fali świetlnej . Po-
z lasera ma tę samą fazę - jest spójne.
rysunku
kazano to w uproszczeniu na rysunku
rysunku
rysunku
rysunku
Dla przeciętnego użytkownika różnica
10
10
10. Fale o innej długości nawet jeśli po-
10
10
między światłem lasera, a światłem dio-
wstaną, ulegną wytłumieniu. W rzeczy-
dy LED (spójne, niespójne) nie miałaby
wistości długość złącza przeciętnej diody
znaczenia. W praktyce różnica między
laserowej wynosi około 0,2...0,3mm, na-
tymi elementami polega na tym, że dzię-
tomiast długość fali wytwarzanego
ki lustrom i wzmacnianiu światła wsku-
światła - od 700...1500nm. To znaczy, że
tek emisji wymuszonej, laser przy takim
w długości rezonatora zmieści się ty-
samym prądzie pracy daje dużo więcej
siące  połówek fali światła . W rzeczy-
światła niż dioda LED, a ponadto światło
wistym rezonatorze mogą powstać prąż-
to można w prosty sposób skupić w bar-
ki o długościach fali światła różniących
dzo wąską wiązkę o dalekim zasięgu.
się o około 0,35nm, co tłumaczy istnie-
Trzeba też podkreślić rolę półprze-
nie wielu prążków na rysunku 9. Nato-
puszczalnych luster. Bez nich nie nastą-
miast przesuwanie się prążków ze
piłoby zjawisko laserowe.
wzrostem wytwarzanej mocy optycznej
Jeśli dotyczczasowy opis nie jest dla
kogoś do końca zrozumiały, nie stanowi
to przeszkody w zrozumieniu dalszego
materiału. Wystarczy wiedzieć, że działa-

nie lasera, zgodnie z jego nazwą opiera
się na wzmacnianiu światła pod wpły-
wem wymuszonej emisji promieniowa-
nia i że ważną rolę odgrywają przy tym
Rys. 9. Charakterystyka widmowa Rys. 10. Wyjaśnienie powstawania
półprzepuszczalne lustra.
diody LT023. prążków charakterystyki widmowej.
21
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
wiązki nie jest koło, tylko elipsa. Kąt roz-
syłu światła w osi równoległej do wars-
twy czynnej lasera wynosi około
10o, a w osi prostopadłej - nawet 30o.
Żeby z takiej stożkowej wiązki otrzy-
mać  równoległą wiązkę o małej roz-
bieżności, koniecznie trzeba zastosować
układ optyczny - w najprostszym przy-
padku pojedynczą soczewkę skupiającą.
Ta informacja może być dla wielu Czy-
telników dużym zaskoczeniem. Nie ma
na to rady - laser półprzewodnikowy za-
Rys. 11. Rozsyłanie światła przez
wsze współpracuje z układem optycz-
diodę laserową.
nym.
Przyczyna takiego szerokiego kąta
wynika po prostu ze zmiany (wzrostu) promieniowania tkwi w małych wymia-
rysunku
temperatury i związanych z tym zmian rach warstwy czynnej lasera. Na rysunku
rysunku
rysunku
rysunku
12 pokazano typowe wymiary diody la-
odległości orbit. 12
12
12
12
Dla bardziej zaawansowanych należa- serowej. Grubość warstwy czynnej wy-
Fot. 1.
łoby podać jeszcze, że laser o charakte- nosi tylko około 0,05...0,5�m (50...
rystyce spektralnej jak na rysunku 8 na- 500nm) czyli mniej niż długość fali wy- prądu. We współczesnych diodach lase-
zywamy jednomodowym, a o charakte- twarzanego promieniowania. rowych, aby uzyskać potrzebną inwersję
rystyce zawierającej wiele prążków (jak Właśnie to jest przyczyną szerokiego obsadzeń (i akcję laserową), gęstość
na rysunku 9a) - wielomodowym. Tu do- kąta promieniowania w osi prostopadłej prądu w warstwie czynnej musi wynosić
ciekliwy Czytelnik może samodzielnie do płaszczyny warstwy czynnej (choć na nie mniej niż 10...30A na mm2 przekroju
zastanowić się, jak wygląda sprawa spój- pierwszy rzut oka może się wydawać, że podłużnego.
ności promieniowania wytwarzanego powinno być odwrotnie). Z rysunku 12 Przy wymiarach podanych na rysunku
przez laser wielomodowy. wynika, że szerokość warstwy czynnej 12, akcję laserową uzyskuje się przy prą-
Wracamy do spraw najważniejszych. jest rzędu kilku...kilkunastu mikromet- dzie rzędu 30...40mA. Właśnie to jest
Od dawna lasery rubinowe i gazowe rów. W związku z większą szerokością, graniczna wartość prądu, oznaczona na
znane są z wytwarzania spójnej, i mało kąt rozsyłu wiązki w osi poziomej jest rysunku 6 jako Ith. Jeśli wymiary diody
rozbieżnej (praktycznie równoległej) mniejszy, ale i tak wynosi kilka...kilka- byłyby większe, akcja laserowa wystę-
wiązki światła. Dotychczasowe rozważa- naście stopni. powałaby przy większym prądzie, a w la-
nia i rysunki mogłyby wskazywać, że do- Dopiero wiązka skupiona przez so- serach małej mocy zależy nam, by pobór
kładnie tak samo jest w laserze półprze- czewkę lub obiektyw ma bardzo niewiel- prądu i nieuniknione moce strat były jak
wodnikowym. Jest jednak zupełnie ina- ką rozbieżność. Rozbieżność wiązki pro- najmniejsze. To wyjaśnia, dlaczego war-
czej! mieniowania jest istotnym parametrem stwy czynne o dużej szerokości spotyka
W profesjonalnych opracowaniach gotowych urządzeń laserowych - wyra- się tylko w laserach większej mocy (po-
mówi się jeszcze o modach przestrzen- żana jest nie w stopniach kątowych, tyl- wyżej kilkudziesięciu miliwatów), i dla-
nych, czyli kwestii przestrzennego rozsy- ko w mierze łukowej, w miliradianach - czego nie stosuje się większej grubości
łu światła przez laser półprzewodnikowy. i wynosi w popularnych urządzeniach warstwy czynnej.
My omówimy ten temat w pewnym 0,3...1mrad. Teoretyczne światło lasera Tak małe wymiary i zastosowane ma-
Rysunek 11
uproszczeniu. Rysunek 11
Rysunek 11 wskazuje, że można tak skupić, że na powierzchni teriały wskazują, że dioda laserowa jest
Rysunek 11
Rysunek 11
laser półprzewodnikowy wypromienio- księżyca plamka świetlna miałaby śred- elementem bardzo szybkim. Rzeczywiś-
wuje dwie wiązki światła, przednią i tyl- nicę 20cm. cie, laser półprzewodnikowy można za-
fotografii 1
ną, i że powstałe wiązki są rozbieżne. Na fotografii 1
fotografii 1 pokazano samą diodę świecać i gasić z niewyobrażalną częs-
fotografii 1
fotografii 1
Tak jest w istocie.  Goła dioda lasero- laserową, z rodzaju stosowanego w od- totliwością miliardów razy na sekundę
foto-
wa wcale nie wytwarza wąskiej, równo- twarzaczach kompaktowych, a na foto- (częstotliwość impulsów sterujących
foto-
foto-
foto-
grafii 2
ległej wiązki światła, charakterystycznej grafii 2 diodę w obudowie zawierającej rzędu dziesiątek i setek gigaherców).
grafii 2
grafii 2
grafii 2
dla innych laserów. Wytwarza wiązkę soczewkę skupiającą. Wykorzystuje się to w najszybszych sys-
podobną do stożka, z tym, że przekrojem temach światłowodowych. Ale z małymi
Inne właściwości
wymiarami i dużą szybkością wiążą się
istotne wady i niebezpieczeństwa.
� diody laserowej
Z rysunku 7 widać, że dioda laserowa
Rysunek 12 pomoże nam wyciągnąć
pracuje przy napięciu około 2V. Przy prą-
kolejne bardzo ważne wnioski.
Jak już wiemy, do powstania akcji la-
serowej konieczne jest między innymi
zaistnienie tak zwanej inwersji obsadzeń
- na najwyższych orbitach atomów po-
winno być stale więcej elektronów, niż
na orbicie niższej. Ponieważ elektrony
chętnie  spadają na niższą orbitę, ko-
nieczne jest stałe dostarczanie energii,
by na bieżąco przenosić je na orbitę wy-
Rys. 12. Orientacyjne
ższą. Wiemy, że dzieje się to głównie
wymiary elementu
Fot. 2.
czynnego diody laserowej. pod wpływem płynącego przez diodę
22 ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97
�
�
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
Klub Konstruktorów
metalowej podkładki na stole montażo-
wym i zastosowanie metalowej branso-
lety uziemiającej na rękę.
Diody laserowe obowiązkowo muszą
być przechowywane w warunkach wy-
kluczających uszkodzenie przez ładunki
elektrostatyczne - w praktyce powinny
być wetknięte w przewodzącą gąbkę
(używaną także do przechowywania deli-
katnych układów scalonych). Nie należy
wyjmować diody z gąbki - cały czas, tak-
że w czasie lutowania, diody laserowe
powinny mieć zwarte wyprowadzenia -
można te wyprowadzenia zewrzeć ra-
zem za pomocą gołego drucika lub we-
tknąć między nie kawałeczek wspomnia-
nej czarnej gąbki przewodzącej. Dopiero
po zmontowaniu układu, a przed jego
włączeniem można rozewrzeć końcówki
Rys. 13. Zalecane środki bezpieczeństwa przy pracach z diodami laserowymi.
diody (wydłubać gąbkę przewodzącą).
dzie pracy 80mA moc pobierana przez pojemności. Potem, w dobrze zaprojektowanym ukła-
diodę wynosi około 160mW. Część tej Powszechne są doniesienia, że diody dzie, ładunki statyczne nie są już tak
mocy (kilka...kilkanaście mW) jest odda- laserowe w rękach amatorów szybko groz
ne. Ponieważ jednak dioda zawsze
wana w postaci promieniowania świetl- ulegają uszkodzeniu. Przyczyną jest nie- jest bardzo wrażliwa, należy starannie
nego. Cała reszta wydziela się w postaci zastosowanie się do zaleceń bezpie- zaprojektować obwody zasilania, bo-
strat głównie właśnie w mikroskopijnej czeństwa podawanych przez producen- wiem na przykład niektóre standardowe
warstwie czynnej. Można powiedzieć, że tów. zasilacze przy włączaniu i wyłączaniu
w czasie pracy lasera w warstwie czyn- Trzeba wiedzieć, że ciało człowieka wytwarzają krótkie przepięcia mogące
nej występuje bardzo duża koncentracja chodzącego po dywanie lub wykładzinie uszkodzić strukturę laserową.
energii. Powstaje tam znaczna, jak na z tworzywa sztucznego ma w stosunku W najprostszym układzie pracy dioda
wymiary, ilość ciepła. do ziemi pojemność do 100pF i może na- może być zasilana przez pojedynczy re-
rysunku 14
Wytworzone ciepło koniecznie musi ładować się do napięcia rzędu kilku tysię- zystor, jak pokazano na rysunku 14
rysunku 14. Na-
rysunku 14
rysunku 14
być skutecznie usunięte, bowiem cy woltów. Jeśli tak zgromadzony ładu- leży jednak pamiętać o zabezpieczeniu
w przeciwnym razie mikroskopijna i bar- nek zostanie rozładowany przez diodę la- diody przed przeciążeniami podczas włą-
dzo delikatna warstwa czynna i delikatne serową przy jej dotknięciu, dioda na czania i wyłączania zasilania, a także
lustra momentalnie ulegną uszkodzeniu pewno ulegnie zniszczeniu. przed elektycznością statyczną w czasie,
pod wpływem nadmiernej temperatury. Dlatego przy eksperymentach z dio- gdy zasilacz jest wyłączony lub wręcz
A przy tak małych wymiarach, podczas dami laserowymi aż do czasu wlutowa- odłączony. Dla zabezpieczenia można
przeciążenia temperatura gwałtownie nia ich w układ, trzeba koniecznie zacho- wykorzystać obwód ochronny zalecany
rysunku
wzrasta w ciągu drobnych ułamków se- wywać maksimum środków ostrożnoś- przez firmę Sharp, pokazany na rysunku
rysunku
rysunku
rysunku
15
kundy. ci. 15
15.
15
15
rysunku 13
Należy też pamiętać, że podczas akcji Na rysunku 13 pokazano zalecane Katalog firmy Hitachi zaleca do prób
rysunku 13
rysunku 13
rysunku 13
rysunku 16
laserowej między lustrami krąży tam środki bezpieczeństwa. W praktyce nie układ pokazany na rysunku 16
rysunku 16, gdzie ele-
rysunku 16
rysunku 16
i z powrotem znaczna ilość energii. stosuje się wentylatora z jonizatorem, mentem zabezpieczającym jest konden-
Tu rysuje się kolejny ważny wniosek: przewodząca mata na podłodze też nie sator o pojemności 47nF, włączony rów-
bardzo mała i bardzo delikatna struktura jest absolutnie konieczna. Jednak użycie nolegle z diodą. Podczas prób zaleca się,
diody laserowej jest ogromnie wrażliwa nawilżacza, czy choćby rozpylenie w po- aby zasilacz był włączony stale, a stero-
na wszelkie przeciążenia. Trzeba sta- mieszczeniu pewnej ilości wody nie jest wanie diody wykonuje się za pomocą do-
nowczo unikać przekraczania katalogo- przesadą. A już konieczne jest uziemie- datkowego wyłącznika.
wego prądu maksymalnego. Nawet jed- nie grota lutownicy, użycie uziemionej
(red)
(red)
(red)
(red)
(red)
nokrotne przeciążenie prądem kilkukrot-
nie większym od dopuszczalnego może
nieodwracalnie uszkodzić delikatną dio-
�
dę, a na pewno skróci jej życie.
�
Tym bardziej niebezpieczne są gwał-
towne impulsy prądu związane z elekt-
rycznością statyczną. Wiadomo, że zale- Rys. 14. Najprostszy układ pracy Rys. 15. Obwód ochronny według
ca się, aby zachować środki bezpieczeń- diody laserowej. zaleceń firmy Sharp.
stwa przy montażu układów CMOS. Za-
zwyczaj takie zalecenia są totalnie lekce-
ważone przez amatorów... i układy jakoś
&!
nie ulegają uszkodzeniu. Zupełnie inaczej
jest z diodami laserowymi. Delikatna
struktura nieuchronnie ulega zniszczeniu
&!
przy przepływie nawet bardzo krótkich
(nanosekundowych) impulsów prądu,
powstających przy rozładowaniu małych
Rys. 16. Prosty układ pracy zalecany przez firmę Hitachi.
23
ELEKTRONIKA DLA WSZYSTKICH 3/97