![]() | |
![]() |
![]() ![]() |
Politica de confidentialitate |
|
![]() | |
• domnisoara hus • legume • istoria unui galban • metanol • recapitulare • profitul • caract • comentariu liric • radiolocatia • praslea cel voinic si merele da aur | |
![]() |
![]() |
||||||
Laser dioda | ||||||
![]() |
||||||
|
||||||
I.1. Scurt istoric. Introducere in problematica LASER Despre efectul LASER se cunosc deja foarte multe. Aceasta ramura a stiintei
s-a dezvoltat foarte mult de la inceputurile sale (1955-1965) si pana in ziua
de astazi. Desi bazele teoretice erau mai mult sau mai putin stabilite, primii
care reusesc sa concretizeze toate teoriile si presupunerile au fost doi rusi
si un american. p7o11ot In ordine sunt prezentati Charles H. Townes (Massachusetts Institute of Technology
(MIT), Cambridge, MA, USA; nascut in 1915), Nicolay Gennadiyevich Basov (Lebedev
Institute for Physics Akademija Nauk Moscow, USSR; nascut in 1922) si Aleksandr
Mikhailovich Prokhorov (Lebedev Institute for Physics Akademija Nauk Moscow,
USSR; nascut in 1916). Cei trei au impartit premiul Nobel atribuit in 1964 pentru
“cercetarile fundamentale in domeniul electronicii cuantice care au condus
la construirea oscilatoarelor si a amplificatorilor bazati pe principiul maser-laser”. I.2. Realizarea practica a dispozitivelor LASER. Tipuri de laser Partile constituente ale unui laser sunt : mediul activ, sistemul de excitare
si rezonatorul optic. Partea esentiala a unui dispozitiv laser o constituie
mediul activ, adica un mediu in care se gasesc atomii aflati intr-o stare energetica
superioara celei de echilibru. In acest mediu activ se produce amplificarea
radiatiei luminoase (daca avem o radiatie luminoasa incidenta) sau chiar emisia
si amplificarea radiatiei luminoase (daca nu avem o radiatie luminoasa incidenta).
Sistemul de excitare este necesar pentru obtinerea de sisteme atomice cu mai
multi atomi intr-o stare energetica superioara. Exista mai multe moduri de a
realiza excitarea atomilor din mediul activ, in functie de natura mediului.
Rezonatorul optic este un sistem de lentile si oglinzi necesare pentru prelucrarea
optica a radiatiei emise. Desi la iesirea din mediul activ razele laser sunt
aproape perfect paralele rezonatorul optic este folosit pentru colimarea mult
mai precisa, pentru concentrarea razelor intr-un punct calculat, pentru dispersia
razelor sau alte aplicatii necesare. Laserul cu semiconductori este constituit ca si celelalte tipuri de laser tot
pe sablonul mediu activ, sistem de excitare, rezonator optic. In acest caz un
amestec semiconductor este folosit ca mediu activ. Cel mai adesea se folosesc
combinatii de metale din aceleasi perioade ale grupelor III-a si V-a. Dintre
acestea semiconductorul cel mai folosit este cel format din Galiu si Arsenic
(GaAs). Alte medii active au fost obtinute atat din amestecuri ale elementelor
grupelor IIa si Via (Zinc si Seleniu -; ZnSe) cat si din amestecuri de
trei sau patru elemente. Ultimele doua sunt mai ades folosite pentru emisia
unor radiatii mult mai precise din punct de vedere al lungimii de unda. Sistemul
de excitare este constituit din doua straturi de semiconductori, unul de tip
p si unul de tip n. Pentru a intelege mai bine aceste doua notiuni trebuie amintite
cateva considerente teoretice cu privire la fizica solidului, in special principiul
semiconductorilor. II.3. LASER-ul cu semiconductori. Construire. Consideratii practice Revenind la laserul cu semiconductori, avand stabilita o baza teoretica minimala putem trece la detalierea practica a principiilor enuntate anterior.
Laserul cu conductori este, de fapt, un sandwich format din 3 straturi de semiconductori
la care se adauga elementele sistemului de excitare. La acest tip de laser energia
necesara excitarii sistemului de atomi din mediul activ cat si factorul declansator
sunt date de curentul electric care se aplica, conform figurii. Datorita faptului
ca acest sandwich corespunde modelului clasic de dioda, de aici incolo se va
folosi si termenul de dioda. Din desenul de mai sus se poate observa ca emisia laser se face in doua directii. Acest fenomen este tratat in mod diferit in functie de necesitati. Se poate crea o cavitate rezonanta prin pozitionarea unei oglinzi perfecte si a uneia semitransparente, se poate folosi emisia “din spate” pentru a masura proprietatile fasciculului principal, se poate folosi aceeasi emisie din spate pentru a masura si controla curentul ce trece prin dioda. Diodele laser sunt foarte sensibile la curenti si de aceea controlul strict asupra acestora este absolut necesar. Uneori este necesara doar o variatie mica a tensiunii sau a puterii si dioda se va arde. Mai jos este un prezentat un montaj clasic de dioda cu posibilitate de control a curentului: Diodele laser sunt poate, cele mai fragile dispozitive de emisie laser. Faptul ca stratul activ are, de fapt, marimea unei bacterii este cel ce sta la baza afirmatiei anterioare. Acest strat poate fi usor distrus prin supunerea la curenti neadecvati, prin influente electrostatice, prin incalzire excesiva. Stratul activ se poate autodistruge chiar si fara prezenta vre-unuia din factorii enumerati mai sus. Simpla emisie a luminii poate vaporiza acest strat minuscul daca lumina emisa este prea puternica. O dioda, desi minuscula, poate dezvolta puteri ale luminii de pana la 3-5 mW. Desi sunt mai rare si mult mai scumpe, diodele ce dezvolta zeci de mii de mW exista si se gasesc in inscriptoarele de CD si in alte instrumente si aparate de profil. In ceea ce priveste divergenta fasciculului, in prezent, majoritatea pointerelor reusesc performanta de a pastra divergenta la sub un mm la fiecare 5 metri. Spectrul de culori acoperit de laserii cu semiconductori este in zona rosie 630-780 nm dar nu este limitat numai aici. Laseri verzi sau chiar albastri exista si sunt intens cercetati. Problema este ca diodele de verde si albastru au o viata efemera (cele mai performante ating doar cateva sute de ore) si functioneaza la temperaturi scazute (apropiate de 0K). Fata de clasicul GaAs (care emite in rosu-IR), pentru laserii albastri se prefera ZnSe si GaN. Primul a fost exclus treptat din cercetari datorita rezistivitatii mari, consumului mare de energie, randamentului mic si a multor altor factori descoperiti experimental. Ultimele cercetari s-au concentrat pe GaN, iar de cand prof. Shuji Nakamura a realizat primul montaj practic si fiabil pentru generarea laserului albastru, cercetarile au luat amploare. Un fapt inedit, la data realizarii diodei pentru laserul albastru, in 1993, Shuji Nakamura nu avea nici macar un doctorat in buzunar, era doar un simplu cercetator pierdut intr-un laborator al unei firme japoneze obscure. Recent, prof. Nakamura s-a alaturat colectivului profesoral de la Colegiul de Inginerie al Universitatii Californiene din Santa Barbara, SUA. Revenind la laserii uzuali, trebuie mentionate si o serie de pericole ce pot apare chiar si pe langa laserii cu semiconductori care sunt cunoscuti a fi mai putin puternici. S-a calculat ca o dioda obisnuita are o putere mult mai mare chiar si decat a soarelui la ecuator. Toate amestecurile din stratul activ au o putere de emisie mult mai mare decat a aceleiasi cantitati de suprafata solara. Diodele prezente pe piata fac parte din clasele II si IIIa, ceea ce inseamna ca prezinta risc scazut de vatamare la operarea conforma cu manualul si la expunerea fugara, efemera a ochiului in raza laser. Totusi, trebuie avut in vedere ca orice expunere indelungata produce vatamari punctiforme ale retinei si nu este nevoie de efecte immediate pentru ca retina sa fie vatamata. Regula numarul unu in lucrul cu laserii, nu se priveste direct in raza laser chiar daca nu se simte nici o durere sau chiar daca raza este palida. CULOAREA SI STRALUCIREA RAZELOR LASER NU AU NICI O LEGATURA CU PUTEREA RADIATIEI. Aceste doua proprietati sunt date de lungimea de unda a radiatiei care nu influenteaza in mod decisiv puterea laserului. Pot exista laseri cu o culoare roz palida care sa fie mai nocivi decat cei mai aprinsi si rosiatici laseri. Intre “laseristi” exista o gluma: “Regula numarul unu in lucrul cu laserii: Nu te uita niciodata direct in raza laser cu unicul ochi ramas intreg !”. II.4. Utilizarea laserilor cu semiconductori. Aspecte pozitive si negative ale acestei tehnologii Diodele sunt larg raspandite. Faptul ca sunt ieftin de produs, usor de folosit
si foarte ieftin de folosit duce la producerea lor in masa si includerea lor
in cele mai multe aparate electronice ce au nevoie de laseri. Laserul cu semiconductori este o alternativa ieftina si fiabila la laserii
cu gaz. Marimile reduse, costurile mici de fabricatie si utilizare cat si longevitatea
lor confera diodelor atuuri importante in “lupta” cu celelalte dispozitive
de emisie laser. Singurele dezavantaje fiind puterile relativ mici si fragilitatea,
diodele sunt si vor fi cercetate extensiv pentru a fi imbunatatite. Pentru noi
este important sa intelegem cum functioneaza un astfel de dispozitiv, la ce
este folosit si incotro se indreapta cercetarile pentru a ne familiariza inca
de pe acum cu acest tip de laser pe care il vom intalni din ce in ce mai des
in viata noastra de zi cu zi. Este important sa cunoastem pericolele pe care
le aduce cu sine o dioda laser precum si factorii care pot perturba buna functionare
a acesteia pentru a sti cum sa ne aparam si cum sa o protejam. Masurarile de distante cu laser se bazeaza pe una din urmatoarele tehnici:
interferometrie, telemetrie cu fascicule modulate, radarul optic. In tehnicile bazate pe interfrometrie distantele de masurat sunt compatibile cu lungimea de unda a luminii emise de sursa de referinta. Aparatul cel mai utilizat este interferometrul Michelson. Fasciculul lumionos de la Laserul L este trecut prin sistemul de lentile l1, l2 in scopul de a-i reduce divergenta. Fasciculul este divizat cu ajutorul oglinzii semitransparente S. Cele doua fascicule obtinute vor fi reflectate de oglinzile O1 si respectiv O2, se vor suprapune din nou si vor da nastere unui fenomen de interferenta. Rezultatul interferentei intr-un anumit punct al fasciculului emergent este determinat de defazajul, introdus fie datorita parcurgerii bratelor de lungimi diferite, L1 si L2, fie datorita indicilor de refractie diferiti ai mediilor pe care le parcurg cele doua fascicule, n1 si n2. Defazajul va fi dat de relatia: unde l0 este lungimea de unda in vid. In cazul cand indicii de refractie a mediilor celor doua brate ale interferometrului sunt egali, nr1 = nr2 = nr , DF = 4pnr (L1 -; L2) / l0 Consideram ca initial L1 = L2. O anumita lungime asezata dea lungul unuia dintre bratele interferometrului va fi masurata prin deplasarea corespunzatoare a oglinzii respective. In acest caz, defazajul care apare este o masura directa a raportului dintre lungimile de masurat l = L1 -; L2 si lungimea de unda a radiatiei de referinta.Sistemul de franje de interferenta este observat cu doua fotomultiplicatoare. Se realizeaza situatia in care fiecare dintre fotomultiplicatoare primeste lumina de la zone ale sistemului de franje in care faza difera de p /2. Aceasta diferenta de faza este independenta de valoarea absoluta a lui F. Introducand semnalele de la fotomultiplicatoare pe cele doua axe ale unui osciloscop, spotul acestuia va descrie un cerc intreg atunci cand oglinda mobila se deplaseaza cu l0 / nr , sensul de parcurgere depinzand de sensul deplasarii. Un circuit logic cuplat cu un numarator electronic reversibil analizeaza semnalele de la fotomultiplicatoare adaugand o unitate pentru o deplasare intr-un sens si scazand una pentru celelalt sens. In acest mod poate fi inregistrata corect deplasarea totala, deoarece micile varietati aleatorii datorate vibratiilor mecanice sau variatiilor de indice de refractie nu-si vor aduce aportul. Precizia de masurare prin aceasta metoda poate fi ridicata pana la o valoare de l0 / 8. S-a demonsrat ca se pot pune in evidenta deplasari de l0 / 100 daca se poate obtine un raport semnal / zgomot suficient de bun la detector. Metoda interferometrica nu se practica pentru distante foarte mari domeniile ei esentiale fiind: metrologia, geodezia si seismologia, precum si la prelucrarile mecanice de inalta precizie. Sensibilitatea metodei interferometrice poate fi cel putin cu un ordin de marime mai buna decat precizia de stabilitate a frecventei laserului (I10-10) daca se utilizeaza metoda interpolarii franjelor. III.2. “Radarul” cu LASER (LIDAR) Metoda se bazeaza pe determinarea exacta a duratei de propagare a unui puls
de lumina intre locul de emisie si tinta. A devenit de importanta practica dupa
crearea laserilor de mare putere in impuls. Laserii utilizati sunt cu rubin (l = 694,3 nm) sau cu sticla dopata cu neodim (l = 1060 nm). Sistemul afocal de iesire are rolul de a micsora divergenta fascicolului laser de la valoarea naturala a la o valoare a’ legate prin relatia: G2 = a2 / a’2 = S’ / S Unde G este grosismentul sistemului iar S si S’ sunt suprafetele fasciculului
inainte, respectiv dupa parcurgerea sistemului afocal. E = 4TP / pa’2x2 = 4TPG2 / pa2x2 Unde T este factorul de transmisie al atmosferei pe distanta x iar P este
puterea la maxim a pulsului laser. Divergenta fasciculului trebuie sa fie cat
mai mica dar in acelasi timp sa aiba o valoare suficienta pentru a tolera erorile
inerente de vizare. Norii densi precum si precipitatiile pot atenua razele LASER ale LIDAR-ului. Pe de alta parte insa, receptia RADAR-ului se poate constitui din elemente de precipitatie (de exemplu ploaia sau ninsoarea ce au o viteza de cadere, deci de miscare). Intr-un mediu (atmosfera in general) curat din punct de vedere optic, perceptiile RADAR-ului pot varia de la insecte si pasari la alte obiecte reflectatoare radio, precum si variatii de umiditate, temperatura si presiune. Divergenta razei LASER a LIDAR-ului este de 2-3 ori mai mica decat cea radio, sa zicem de la un RADAR cu lungime de unda de 5-10 cm. De exemplu diametrul unei raze LASER a unui LIDAR pentru un singur puls, la o distanta de 10 km este doar de 1 m !!! Aceasta caracteristica permite eliminarea ambiguitatilor in masurarea vitezelor fara suspectarea de anumite erori ce pot surveni la RADAR in conditii de refexie marginala sau grade ridicate de reflexie ale obiectelor reflectatoare. |
||||||
![]() |
||||||
![]() |
||||||
|
||||||
|
||||||
Copyright© 2005 - 2025 | Trimite document | Harta site | Adauga in favorite |
![]() |
|