Operação de diodo laser e suas aplicações

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A luz branca natural é composta por todas as cores VIBGYOR do espectro de luz visível, que é uma ampla faixa de muitas frequências diferentes. Os LEDs comuns fornecem uma saída de luz geralmente consistindo de uma cor, mas mesmo essa luz contém ondas eletromagnéticas, que cobrem uma banda bastante ampla de frequências. O sistema de lentes que focaliza a luz tem uma distância focal fixa, mas a distância focal necessária para focar vários comprimentos de onda (cores) de luz é diferente. Portanto, cada cor se concentrará em pontos diferentes, causando 'aberração cromática'. O luz de diodo laser contém apenas uma única frequência. Portanto, ele pode ser focado até mesmo por um sistema de lente simples em um ponto extremamente pequeno. Não há aberração cromática, uma vez que existe apenas um comprimento de onda, também toda a energia da fonte de luz é concentrada em um ponto muito pequeno de luz. LASER é um acrônimo para Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation.

Aberração cromática

Aberração cromática



Construção de diodo laser

A figura acima mostra uma construção simplificada de um diodo laser, que é semelhante a um diodo emissor de luz (LED) . Ele usa arsenieto de gálio dopado com elementos como selênio, alumínio ou silício para produzir o tipo P e o tipo N materiais semicondutores . Enquanto um diodo laser tem uma camada ativa adicional de arseneto de gálio não dopado (intrínseco) tem a espessura de apenas alguns nanômetros, imprensada entre as camadas P e N, criando efetivamente um Diodo PIN (tipo P-tipo intrínseco N) . É nesta camada que a luz laser é produzida.


Construção de diodo laser

Construção de diodo laser



Como funciona o diodo laser?

Cada átomo, de acordo com a teoria quântica, consegue energias apenas dentro de um determinado nível de energia discreto. Normalmente, os átomos estão no estado de menor energia ou estado fundamental. Quando uma fonte de energia dada aos átomos no estado fundamental pode ser excitada para ir para um dos níveis superiores. Este processo é denominado absorção. Depois de permanecer nesse nível por um período muito curto, o átomo retorna ao seu estado fundamental inicial, emitindo um fóton no processo. Esse processo é chamado de emissão espontânea. Esses dois processos, absorção e emissão espontânea, ocorrem em uma fonte de luz convencional.

Princípio da ação do laser

Princípio da ação do laser

No caso do átomo, ainda em estado excitado, ser atingido por um fóton externo que possui precisamente a energia necessária para a emissão espontânea, o fóton externo é aumentado por aquele cedido pelo átomo excitado. Além disso, ambos os fótons são liberados do mesmo estado excitado na mesma fase, Este processo, denominado emissão estimulada, é fundamental para a ação do laser (mostrado na figura acima). Nesse processo, a chave é o fóton ter exatamente o mesmo comprimento de onda da luz a ser emitida.

Amplificação e Inversão Populacional

Quando as condições favoráveis ​​são criadas para a emissão estimulada, cada vez mais átomos são forçados a emitir fótons, iniciando assim uma reação em cadeia e liberando uma enorme quantidade de energia. Isso resulta em um rápido acúmulo de energia de emissão de um comprimento de onda específico (luz monocromática), viajando coerentemente em uma direção fixa específica. Este processo é denominado amplificação por emissão estimulada.

O número de átomos em qualquer nível em um determinado momento é chamado de população desse nível. Normalmente, quando o material não é excitado externamente, a população do nível inferior ou estado fundamental é maior do que a do nível superior. Quando a população do nível superior ultrapassa a do nível inferior, o que é uma reversão da ocupação normal, o processo é denominado inversão populacional. Essa situação é essencial para uma ação do laser. Para qualquer emissão estimulada.


É necessário que o nível de energia superior ou estado estável encontrado tenha um longo tempo de vida, ou seja, os átomos devem pausar no estado estável encontrado por mais tempo do que no nível inferior. Assim, para a ação do laser, o mecanismo de bombeamento (excitação com fonte externa) deve ser de tal modo, para manter uma população maior de átomos no nível de energia superior em relação àquela no nível inferior.

É necessário que o nível de energia superior ou estado estável encontrado tenha um longo tempo de vida, ou seja, os átomos devem pausar no estado estável encontrado por mais tempo do que no nível inferior. Assim, para a ação do laser, o mecanismo de bombeamento (excitação com fonte externa) deve ser de tal modo, para manter uma população maior de átomos no nível de energia superior em relação àquela no nível inferior.

Controlando o diodo laser

O diodo laser é operado com uma corrente muito mais alta, normalmente cerca de 10 vezes maior do que um LED normal. A figura abaixo compara um gráfico da saída de luz de um LED normal e de um diodo laser. Em um LED, a saída de luz aumenta continuamente à medida que a corrente do diodo aumenta. Em um diodo laser, entretanto, a luz laser não é produzida até que o nível de corrente alcance o nível de limiar quando a emissão estimulada começa a ocorrer. O limite de corrente é normalmente superior a 80% da corrente máxima que o dispositivo passará antes de ser destruído! Por este motivo, a corrente através do diodo laser deve ser cuidadosamente regulada.

Comparação entre um LED

Comparação entre um LED

Outro problema é que a emissão de fótons é muito dependente da temperatura, o diodo já está operando próximo ao seu limite e por isso esquenta, alterando assim a quantidade de luz emitida (fótons) e a corrente do diodo. No momento em que o diodo laser está funcionando com eficiência, ele está operando à beira do desastre! Se a corrente reduzir e cair abaixo do limite de corrente, a emissão estimulada cessa um pouco demais de corrente e o diodo é destruído.

À medida que a camada ativa é preenchida com fótons oscilantes, parte (normalmente cerca de 60%) da luz escapa em um feixe estreito e plano da borda do chip de diodo. Conforme mostrado na figura abaixo, alguma luz residual também escapa na borda oposta e é usada para ativar um fotodiodo , que converte a luz de volta em corrente elétrica. Essa corrente é usada como um feedback para o circuito acionador de diodo automático, para medir a atividade no diodo laser e, assim, garantir, ao controlar a corrente através do diodo laser, que a corrente e a saída de luz permaneçam em um nível constante e seguro.

Controlando o diodo laser

Controlando o diodo laser

Aplicações do diodo laser

Os Módulos de Diodo Laser são ideais para aplicações como ciências biológicas, instrumentação industrial ou científica. Os Módulos de Diodo Laser estão disponíveis em uma ampla variedade de comprimentos de onda, potências de saída ou formatos de feixe.

Lasers de baixa potência são usados ​​em um número crescente de aplicações familiares, incluindo leitores e gravadores de CD e DVD, leitores de código de barras, sistemas de segurança, comunicações ópticas e instrumentos cirúrgicos

Aplicações industriais: Gravação, corte, riscagem, perfuração, soldagem, etc.
As aplicações médicas removem tecidos indesejados, diagnósticos de células cancerosas usando fluorescência, medicamentos odontológicos. Em geral, os resultados com lasers são melhores do que com bisturi.

Diodos laser usados ​​para telecomunicações: No campo das telecomunicações, diodos de laser de banda de 1,3 μm e 1,55 μm usados ​​como a principal fonte de luz para lasers de fibra de sílica apresentam uma menor perda de transmissão na banda. O diodo laser com banda diferente é usado para bombear fonte para amplificação óptica ou para link óptico de curta distância.

Portanto, isso é tudo sobre Construção de diodo laser e seus usos. Se você estiver interessado em construção de projetos baseados em LED por conta própria, então você pode nos abordar postando suas dúvidas ou ideias inovadoras na seção de comentários abaixo. Aqui está uma pergunta para você, Qual é a função de um diodo laser?