Systemy laserowe dr inż. Adrian Zakrzewski dr inż. Tomasz Baraniecki
Lasery półprzewodnikowe
Charakterystyka lasera półprzewodnikowego pierwszy laser półprzewodnikowy został opracowany w 1962 r. zastosowanie w elektronice, telekomunikacji, odtwarzaczach płyt, drukarkach laserowych lasery małej mocy rzędu mw zastosowanie w napawaniu, lutowaniu, spawaniu metali, obróbce powierzchni materiałów lasery dużej mocy opracowanie półprzewodnikowych laserów dużej mocy HPDL (ang. High Power Diode Laser) pod koniec XX wieku jedno z najnowocześniejszych źródeł energii podstawowym materiałem jest arsenek galu GaAs domieszkowany glinem, indem oraz fosforem (GaAlAs, AlInGaP, GaAsP)
Charakterystyka lasera półprzewodnikowego Materiał czynny: pierwiastki 3 i 4 grupy układu okresowego pierwiastków posiadające przejścia proste np.: GaAs, GaAlAs poziomy energetyczne są bardzo szerokie i mają postać pasm Mechanizm wzbudzający: wzbudzenie przez przepływ prądu stałego lub zmiennego przy małych prądach działa jak LED powyżej prądu progowego mamy do czynienia z akcją laserową Rezonator: długość rezonatora 0,1-3 mm wysokość rezonatora 0,2-3 μm szerokość rezonatora 5-3000 μm szerokość spektralna linii 0,1 5 nm (względnie duża, lasery Nd:YAG 0,04 nm)
Poziom Fermiego określa prawdopodobieństwo obsadzenia poziomu o danej energii przez elektron Ze względu na właściwości elektryczne półprzewodniki dzielą się na: samoistne i domieszkowane Źródło: Beyer Struktura energetyczna ciał stałych dla T = 0K izolator półprzewodnik metal
Półprzewodnik samoistny w temperaturze zera bezwzględnego (0K) pasmo walencyjne półprzewodnika jest całkowicie zapełnione, a pasmo przewodnictwa całkowicie puste brak swobodnych nośników ładunku w obu pasmach powoduje, że półprzewodnik nie przewodzi prądu elektrycznego ze wzrostem temperatury następuje wzrost energii elektronów i zwiększa się prawdopodobieństwo przejścia elektronów z pasma walencyjnego do pasma przewodnictwa w wyniku przejścia elektronów w paśmie walencyjnym powstają wolne miejsca nazywane dziurami Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak
Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak, Beyer Półprzewodnik samoistny W półprzewodniku samoistnym poziom Fermiego znajduje się w przybliżeniu w połowie przerwy energetycznej (dla T = 0K)
Półprzewodnik domieszkowany typu n przyrządy półprzewodnikowe wytwarzane są głownie z półprzewodników domieszkowanych domieszki atomów pięciowartościowych nazywamy donorami, a powstające poziomy - poziomami donorowymi w takim półprzewodniku dominuje przewodnictwo elektronowe elektrony są nośnikami większościowymi, a dziury - mniejszościowymi półprzewodniki takie nazywamy półprzewodnikami typu n Źródło: Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki, Politechnika Łódzka
Półprzewodnik domieszkowany typu p domieszki tego typu nazywamy akceptorami, a powstające poziomy poziomami akceptorowymi półprzewodniki takie nazywamy półprzewodnikami typu p nośnikami większościowymi będą w tym przypadku dziury, a mniejszościowymi elektrony Źródło: Wydział Elektrotechniki, Elektroniki Informatyki i Automatyki, Politechnika Łódzka
Półprzewodnik domieszkowany Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak
Źródło: Beyer Półprzewodniki w T > 0K półprzewodnik niedomieszkowany półprzewodnik typu n półprzewodnik typu p
Generacja i rekombinacja generacja nośników następuje pod wpływem dopływu energii (cieplnej, światła) do półprzewodnika zawsze jest to generacja par nośników, a więc półprzewodnik pozostaje makroskopowo neutralny szybkość generacji nośników jest funkcją temperatury i właściwości materiałowych Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak
Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak Generacja i rekombinacja generacja rekombinacja
Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak Złącze p-n Złącze p-n jest to złącze dwóch półprzewodników domieszkowanych o różnych typach przewodnictwa półprzewodnik typu p półprzewodnik typu n
Niespolaryzowane złącze p-n Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak
Spolaryzowane złącze p-n Zmiana wysokości oraz szerokości bariery potencjału na wskutek przyłożonego napięcia: przyłożenie dodatniego potencjału do półprzewodnika typu p obniża wysokość oraz szerokość bariery potencjału polaryzacja w kierunku przewodzenia przyłożenie ujemnego potencjału do półprzewodnika typu p zwiększa wysokość oraz szerokość bariery potencjału polaryzacja w kierunku zaporowym
Spolaryzowane złącze p-n w kierunku zaporowym nośniki większościowe odbijają się od bariery potencjału nośniki mniejszościowe w pobliżu warstwy zaporowej są unoszone w polu elektrycznym na drugą stronę Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak
Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak Spolaryzowane złącze p-n w kierunku przewodzenia przepływ nośników większościowych do obszarów o przeciwnym typie przewodnictwa
Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak Spolaryzowane złącze p-n w kierunku przewodzenia możliwa jest również rekombinacja w obszarze warstwy zaporowej
Źródło: A. Jakubowski, L. Łukasiak, Beyer Złącze p-n inwersja obsadzeń Dolne poziomy w paśmie przewodnictwa są zajęte przez elektrony, podczas gdy górne poziomy w paśmie podstawowym są zajęte przez dziury, w związku z tym powstaje inwersja obsadzeń i możliwa jest akcja laserowa
Spektrum lasera półprzewodnikowego spektrum emisyjne lasera diodowego zależy od wartości prądu dioda laserowa emituje promieniowanie koherentne tylko po przekroczeniu prądu progowego, poniżej działa jak dioda LED (ang. Light Emitet Diode) Źródło: Beyer
Długość fali Przez odpowiedni dobór proporcji poszczególnych pierwiastków w półprzewodnikach (np. Al x Ga 1-x As) możliwe jest uzyskanie różnych długości emitowanych fal w złączu p-n Źródło: Stringfellow
Emiter diodowy przekrój 0,5 x 3 µm 2 rezonator optyczny utworzony w wyniku pokrycia powierzchni czołowych emitera diodowego powłokami o specjalnych właściwościach optycznych, które tworzą zwierciadła rezonatora Źródło: Laser-Professionals.com
Wiązka z emitera diodowego Wiązka laserowa opuszczająca emiter diodowy jest silnie rozbieżna (dyfrakcja na szczelinie). Rozkład intensywności w wiązce jest nieregularny i różny w przekroju równoległym oraz prostopadłym do złącza Fast axis - 90º Slow axis - 20º wiązka asymetryczna duży prąd (10-50 A) wysoka moc (wiele W) prosta konstrukcja możliwość budowy linijki struktur Źródło: Sanyo, Gratton
Pręt oraz stos prętów diodowych pręt diodowy przekrój pręta diodowego ok. 0,6 x 0,1 mm i długość ok. 10 mm moc do 120 W stos prętów diodowych przekrój stosu prętów diodowych ok. 15 x 115 x 90 mm moc 500 1500 W wymagane intensywne chłodzenie wodne mocowanie w korpusie miedzianym Źródło: LaserLine
Źródło: M. Kamp, Wuerzburg Pręt oraz stos prętów diodowych stos zawierający 3 pręty diodowe stos zawierający 10 prętów diodowych
Profil wiązki Promieniowanie emitowane przez pojedynczy pręt diodowy ma rozkład prostokątny w jednym kierunku oraz gaussowski w drugim kierunku Źródło: A. Klimpel, Technologie laserowe w spawalnictwie
Źródło: LaserLine Jakość wiązki W celu zapewnienia najwyższej jakości wiązki pręty diodowe powinny być zlokalizowane na stosie w możliwie najmniejszej odległości od siebie
Chłodzenie pręta diodowego mikrokanały o średnicy 100 µm sterowanie długością fali poprzez zmianę temperatury 0,25 nm/ºc wymagana stabilność temperaturowa Źródło: LaserLine
Chłodzenie pręta diodowego Skutki wzrostu temperatury lasera diodowego: spadek sprawności lasera obniżenie czasu działania lasera zmiana emitowanej długości fali Mocowanie w korpusie miedzianym Materiał λ [W/m k] α [10 6 /K] Miedź Cu 400 16,8 Krzem Si 80 150 3 7 Arsenek galu GaAs 50 6,5 Molibden Mo 130 5,2 Diament 2 000 1 2,3 λ - przewodność cieplna α - współczynnik rozszerzalności termicznej
Ogniskowanie wiązki lasera diodowego dużej mocy W celu zogniskowania wiązki o dużej rozbieżności (90º) wymagane jest zastosowanie precyzyjnych układów optycznych Źródło: A. Klimpel, Technologie laserowe w spawalnictwie 1 pręt diodowy 2 mikrosoczewki cylindryczne na powierzchni czołowej pręta diodowego 3 blok pryzmatyczny załamujący 4 soczewki cylindryczne kształtujące wiązkę 5 soczewka kolimatora
Głowica laserowa Źródło: LaserLine
Dwa rodzaje sprzęgania W laserze półprzewodnikowym w celu uzyskania wysokiej mocy promieniowania wykorzystuje się dwa rodzaje sprzęgania wiązek: polaryzacyjne sprzęganie kilku wiązek o tych samych długościach fal, ale różnych stanach polaryzacji długości fal sprzęganie kilku wiązek o różnych długościach fal, ale tych samych stanach polaryzacji
Sprzęganie polaryzacyjne Źródło: LaserLine, Beyer
Źródło: LaserLine, Beyer Sprzęganie długości fal filtr dichroiczny Filtr dichroiczny
Warianty konstrukcyjne laserów diodowych HPDL stosy prętów diodowych oraz układ optyczny znajduje się wewnątrz głowicy laserowej (ang. Direct Diode Laser) głowica połączona jest przewodami ze źródłem prądu, układem chłodzącym oraz sterowania głowica umieszczona jest w miejscu obróbki na ramieniu robota stosy prętów diodowych oraz układ optyczny umieszczony jest wewnątrz układu sterowania (ang. Fiber Coupled Diode Laser) wiązka laserowa doprowadzana jest do głowicy procesowej za pomocą światłowodu średnica rdzenia światłowodu to 300-1000 µm, długość nawet do 1000 m Źródło: Rofin
Absorpcja zakres 808 1040 nm (laser półprzewodnikowy) wysoki współczynnik absorpcji na powierzchni metali (20 40%) długość fali 10600 nm (laser CO 2 ) niski współczynnik absorpcji (1 5%)
LaserLine LDF series Źródło: LaserLine
Źródło: LaserLine Charakterystyka lasera LaserLine LDF series LDF 4000 Fiber-Coupled Diode Laser Długość fali 900 1030 nm Maksymalna moc wyjściowa Średnica plamki dla f = 100 mm Jakość wiązki BPP 4000 W 0,6 mm 30 mm mrad Rekomendowany światłowód 600 µm, NA = 0,1
Podsumowanie lasera półprzewodnikowego wysoka sprawność (średnio na poziomie 35-40%, zaś maksymalnie nawet 60%) długi czas pracy (rzędu 10 4 kompaktowość niskie koszty instalacji godzin) duża stabilność promieniowania łatwość sterowania gęstość mocy na poziomie 10 5 W/cm 2 wraz ze wzrostem mocy lasera następuję obniżenie trwałości elementów składowych po czasie 10 4 godzin sprawność diod laserowych ulega zmniejszeniu niska jakość wiązki
Dziękuję za uwagę Technika światłowodowa