Macchina laser a diodi

Tipi di macchine laser a diodi

Laser a diodi emettitori di bordi
I laser a diodi emettitori di bordi emettono luce laser dal bordo del chip semiconduttore. Emettono luce parallelamente alla superficie del chip. I laser a diodi emettitori di bordi sono formati da un chip costituito da arseniuro di gallio (GaAs), fosfuro di indio (InP) o nitruro di gallio (GaN). Il chip è composto da due (o più) strati, inclusa la regione di svuotamento di carica (attiva) nella giunzione pn, dove si verifica l'effetto laser.

I diodi a emissione di bordi possono fornire livelli elevati di potenza ottica, che vanno da milliwatt a dieci watt o più. Presentano inoltre un'efficienza elettrica superiore a quella tipica, rispetto alla maggior parte degli altri tipi di laser e diodi laser. Questi laser sono utilizzati nella maggior parte dei campi: telecomunicazioni, archiviazione ottica di dati, scansione di codici a barre, stampa laser, rilevamento ottico, apparecchiature mediche e sistemi laser industriali.

Laser a diodi a emissione superficiale a cavità verticale (VCSED).
I dispositivi VCSED sono più comunemente chiamati laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL). Si tratta di una classe di diodi laser a semiconduttore che emettono luce laser perpendicolare alla superficie del chip, attraverso la superficie superiore del chip. I VCSEL sono formati da un chip a giunzione pn con una cavità verticale, costituito da due specchi riflettori di Bragg distribuiti. La regione attiva, dove la luce viene avviata dalla cancellazione della carica, è centrata tra questi specchi. Questo tipo di laser generalmente popola la regione attiva con pozzi quantistici o strutture simili che inducono guadagno. La luce viene emessa perpendicolarmente alla superficie del chip come un fascio circolare o ellittico dal profilo ben definito e simmetrico. Questo profilo del fascio risponde bene alla collimazione, con una divergenza relativamente bassa.

Questi dispositivi presentano numerosi vantaggi rispetto ai laser a diodi emettitori di bordi. La loro corrente di soglia è bassa, consentendo un'elevata efficienza elettrica a bassi livelli di potenza. I dispositivi con profilo di fascio circolare ben si adattano all'accoppiamento alle fibre ottiche. Uno dei principali vantaggi dei VCSEL è che possono essere prodotti su scala wafer, con conseguenti costi di produzione inferiori e maggiore uniformità rispetto ai dispositivi costruiti individualmente.

I laser VCSED sono disponibili per emettere una gamma di lunghezze d'onda, dal medio al vicino infrarosso, e anche luce visibile. La lunghezza d'onda dell'uscita risulta dalla selezione del materiale, dalla progettazione della giunzione e dalla forma della cavità risonante. Sono ampiamente utilizzati in: reti in fibra ottica, interconnessioni ottiche e sistemi di trasmissione dati ad alta velocità. Vengono utilizzati anche nel rilevamento 3D per il riconoscimento facciale e il rilevamento della profondità nei dispositivi mobili e in applicazioni ottiche e di rilevamento più generali come mouse ottici, stampanti laser e scanner 3D.

Laser a feedback distribuito (DFB).
I laser DFB (feedback distribuito) hanno una struttura simile ad altri laser a semiconduttore. Tuttavia, l'inclusione di una struttura a reticolo periodico all'interno della regione attiva, o guida d'onda esterna, è unica per questa classe. Il reticolo di feedback distribuito consiste in una variazione periodica dell'indice di rifrazione della regione della guida d'onda, risultante in una modulazione periodica del profilo di guadagno. Questo agisce come un meccanismo di feedback, forzando il feedback/amplificazione ottica a una lunghezza d'onda selezionata sopprimendo al contempo le altre modalità. Ciò significa che questi dispositivi producono luce a una lunghezza d'onda specifica con elevata purezza spettrale e larghezza di linea ridotta. Questo è ideale per comunicazioni in fibra ottica ad alta velocità, rilevamento e varie applicazioni di spettroscopia e metrologia ad alta risoluzione.

I laser DFB possono anche essere progettati per la sintonizzazione della lunghezza d'onda entro un intervallo limitato. Ciò risulta dalla regolazione della temperatura, dalla regolazione della corrente o da un meccanismo di feedback esterno che consente la regolazione dell'indice di rifrazione.

Laser a cascata quantistica (QCL)
Il laser a cascata quantistica (QCL) utilizza le transizioni a cascata quantistica tra i livelli di energia all'interno di più giunzioni di semiconduttori come sorgente laser. I QCL sono costruiti da più pozzi quantistici, con barriere formate da strati semiconduttori con vari gap di banda. Quando viene applicata una corrente di polarizzazione diretta, gli elettroni e le lacune viaggiano attraverso più livelli di energia quantizzata, generando in modo efficiente fotoni ad ogni transizione. Forniscono emissione nelle regioni del medio infrarosso e dei terahertz dello spettro elettromagnetico e possono emettere un'ampia gamma di lunghezze d'onda all'interno di queste regioni. La maggior parte delle tecnologie laser nel medio infrarosso necessitano di raffreddamento criogenico, mentre i QCL funzionano a temperatura ambiente, rendendoli ideali per le applicazioni che richiedono questo intervallo di frequenza. Gli elevati livelli di potenza ottica li rendono adatti per applicazioni ad alta energia, offrendo la modalità a onda continua (CW) con un'uscita molto stabile.

La regolazione relativamente semplice della lunghezza d'onda di emissione si ottiene regolando gli spessori degli strati e la tensione di polarizzazione, rendendoli ideali per applicazioni di analisi spettroscopiche che richiedono più lunghezze d'onda. Sono utilizzati anche per il monitoraggio ambientale, i sistemi diagnostici medici, il telerilevamento e la comunicazione nello spazio libero.

Laser a diodi a cavità esterna (ECDL)
Gli ECDL sono un formato di dispositivo che utilizza una cavità esterna, solitamente un riflettore o un reticolo esterno, per amplificare l'uscita del laser e controllarne le caratteristiche. Gli ECDL consentono una maggiore sintonizzazione, una larghezza di linea ridotta e un controllo preciso della lunghezza d'onda rispetto ad altri formati di laser a diodi. Hanno una struttura simile ad altri laser a diodi, con una giunzione pn polarizzata direttamente e una regione attiva in cui vengono emessi i fotoni. La cavità esterna viene aggiunta al laser per fornire un feedback ottico che consente la regolazione precisa della frequenza di emissione. Questa cavità ospita un riflettore, un reticolo o un'altra struttura ottica che riflette una parte del raggio nella cavità.

Gli ECDL possono facilitare larghezze di linea più strette, rispetto ad altri tipi di laser a diodi. La cavità esterna sopprime le modalità longitudinali indesiderate e il rumore ottico, offrendo una migliore coerenza e un fascio con larghezza di linea più stretta. Questa classe di dispositivi è ideale per applicazioni che richiedono un'elevata purezza spettrale per una quantizzazione ottica molto precisa.

Gli ECDL offrono una sintonizzazione della lunghezza d'onda significativamente migliorata, rispetto alla maggior parte dei laser a diodi. La lunghezza d'onda del laser può essere sintonizzata con precisione regolando delicatamente la posizione o l'angolo di incidenza del riflettore o del reticolo esterno. Ciò consente un ampio spettro di applicazioni impegnative in spettroscopia, fisica atomica e molecolare e metrologia. Un vantaggio di una buona progettazione nella cavità risonante esterna è che la regolazione della frequenza di emissione può essere priva di mode-hop, ovvero è possibile effettuare regolazioni graduali tra le lunghezze d'onda desiderate, senza cambiamenti di gradino asintotici e distruttivi.

Laser a diodi conici
I laser a diodi conici (o amplificatori conici; laser conici) sono una classe di laser con una cavità di amplificazione rastremata. Questi laser raggiungono un'elevata potenza, una buona qualità del raggio e un'elevata efficienza elettrica. Questa regione rastremata è più ampia all'estremità di ingresso e si restringe gradualmente verso l'estremità di uscita. Questa rastremazione serve ad aumentare la larghezza del fascio e a ridurre la densità ottica nella regione di amplificazione del laser.

La sezione di amplificazione rastremata consente un'area modalità maggiore, consentendo una maggiore estrazione di potenza ottica. Aiuta anche a migliorare la collimazione della qualità del raggio nell'output. La rastremazione aumenta anche l'efficienza di utilizzo dell'energia della pompa applicata. Un altro vantaggio della rastremazione è quello di aumentare lo spettro del guadagno, consentendo una gamma più ampia di lunghezze d'onda in uscita. Questa sintonizzabilità è una caratteristica particolarmente preziosa della classe. Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati nella lavorazione dei materiali, nell'incisione laser e nel pompaggio laser (per laser a gas e a stato solido ad alta potenza). La loro elevata potenza e la buona qualità del raggio li rendono adatti ad applicazioni impegnative in cui precisione, velocità e potenza sono essenziali.

Laser a diodi superluminescenti (SLD).
I laser SLD (diodo superluminescente), noti anche come sorgenti di emissione spontanea amplificata (ASE), sono un tipo di laser che unisce le proprietà dei diodi laser e dei LED. Producono luce ad ampio spettro e ad alta intensità, rendendoli adatti per particolari applicazioni nell'imaging, nel rilevamento a fibra ottica e nelle telecomunicazioni. I laser SLD generano luce incoerente attraverso l'emissione spontanea amplificata. Questi dispositivi producono un'ampia larghezza di banda della luce, che va da decine a centinaia di nanometri, rendendo gli SLD adatti ad applicazioni che richiedono un'ampia gamma spettrale o immagini ad alta risoluzione. SLD fornisce un output molto luminoso, che è una misura della potenza ottica per unità di angolo solido e larghezza di banda di lunghezza d'onda unitaria. L'elevata luminosità risulta dall'emissione spontanea amplificata e dall'amplificazione ottica. La loro uscita ha una lunghezza di coerenza breve rispetto ai laser convenzionali. Questa è la distanza sulla quale le onde elettromagnetiche mantengono la loro relazione di fase. Ciò li rende adatti per applicazioni che richiedono interferenze a bassa coerenza o imaging con risoluzione in profondità. Gli SLD sono utilizzati nella tomografia a coerenza ottica (OCT), nel rilevamento delle fibre ottiche, nella spettroscopia, nell'imaging biomedico, nella metrologia ottica e nei test ottici. Sono particolarmente preziosi nei sistemi OCT per l'imaging ad alta risoluzione di tessuti e materiali biologici.

Laser a doppia eterostruttura
I laser a doppia eterostruttura (DH) sono un ramo della famiglia dei diodi laser che integra un'eterostruttura che migliora le prestazioni della tecnologia. I laser DH hanno una corrente di soglia inferiore, una maggiore efficienza e una maggiore potenza di uscita, rispetto alla comune costruzione ad omogiunzione.

I laser DH sono assemblati da due giunzioni pn formate in tre strati. La zona di svuotamento (lo strato centrale, di tipo n) è accoppiata tra due strati di tipo p con una banda proibita più ampia. Questa configurazione crea un confinamento efficiente dei portatori e una modalità ottica priva di perdite, aumentando l'efficienza elettrica e le prestazioni complessive. Il maggiore confinamento dei portatori aiuta ad aumentare la densità dei portatori e la ricombinazione, portando a un guadagno più elevato e a una migliore efficienza operativa sotto molti aspetti. Un vantaggio secondario è che l’eterostruttura induce confinamento ottico, aumentando l’interazione luce-materia. La corrente di soglia inferiore risulta da una minore dispersione del portatore di carica, consentendo al laser di raggiungere la soglia per l'inizio dell'azione laser a livelli di corrente inferiori.

Questi dispositivi sono ampiamente utilizzati nelle telecomunicazioni, nei dispositivi ottici di dati, nella stampa laser e nei sistemi di misurazione abilitati al laser. Sono particolarmente utili nelle comunicazioni in fibra ottica a lunga distanza in cui sono vantaggiosi alta efficienza, correnti di soglia basse e rendimento elevato.

Laser a diodi a pozzo quantico
I laser a diodi a pozzo quantico sono una famiglia di dispositivi che contengono strutture quantistiche buone che migliorano le proprietà ottiche/elettriche. Raggiungono una corrente di soglia inferiore, un'efficienza energetica più elevata e un migliore controllo della lunghezza d'onda, rispetto ai dispositivi più basilari. Questi dispositivi sono costruiti da una struttura a strati di sottili wafer semiconduttori con banda proibita più stretta, racchiusi in strati con banda proibita più alta. Lo strato del pozzo quantico crea una regione di confinamento sia per i portatori che per i fotoni generati, migliorando l'amplificazione ottica. Il portatore confinato raggiunge una densità più elevata nella regione del pozzo quantico, il che facilita un migliore utilizzo dei portatori per l’emissione stimolata, con conseguente miglioramento dell’efficienza di conversione della potenza. Consentono un controllo preciso sulla lunghezza d'onda generata, regolando la larghezza e la composizione del pozzo. Ciò consente di sintonizzare con precisione la lunghezza d'onda dell'emissione in base a specifiche impegnative.

I laser a diodi a pozzo quantico sono rinomati per l'uscita a larghezza di linea ridotta. La soppressione della competizione tra modalità longitudinali e la riduzione del rumore ottico determinano una migliore coerenza e un comportamento spettrale più ristretto. Questo formato di dispositivo è particolarmente vantaggioso nei settori delle telecomunicazioni, dell'archiviazione ottica dei dati, della stampa laser e della diagnostica medica. Fonti di radiazioni compatte ed efficienti per le comunicazioni in fibra ottica sono fondamentali nelle fibre ottiche a larghezza di banda elevata e a lunga distanza.

Laser a modalità longitudinale singola (SLM).
I laser a modalità longitudinale singola (SLM) emettono luce per produrre un'uscita a frequenza o lunghezza d'onda singola con elevata coerenza e larghezza di linea ridotta. I laser SLM applicano varie tecniche come elementi di selezione della modalità, metodi di stabilizzazione della frequenza e ottimizzazione della progettazione della cavità per ottenere questo output monomodale. La soppressione dei modi longitudinali interferenti genera un output altamente coerente con uno spettro di frequenze ristretto.

I laser SLM sono utilizzati in vari campi come le telecomunicazioni, il rilevamento in fibra ottica, la metrologia, la spettroscopia e l'interferometria e come strumenti di ricerca, grazie alla loro elevata coerenza, al controllo preciso della lunghezza d'onda e alla larghezza di linea ridotta.

Laser a cascata interbanda
I laser a cascata interbanda (ICL) operano sulla transizione interbanda tra diverse bande elettroniche all'interno della regione attiva. Forniscono un funzionamento efficiente e ad alte prestazioni nello spettro della lunghezza d'onda del medio infrarosso. Gli ICL beneficiano delle transizioni interbanda tra le bande energetiche all'interno di ciascun wafer, sfruttando le transizioni a cascata tra più stadi/pozzi quantistici per ottenere guadagno ottico ed emissione laser migliorati. I laser a diodi convenzionali si basano su transizioni intrabanda più limitate. Sono comunemente progettati per generare radiazioni nelle lunghezze d'onda del medio infrarosso, tra 3 e 12 micrometri. Più stadi di pozzi quantistici sono collegati elettricamente in una configurazione a cascata. Ciascuno stadio partecipa al processo di guadagno, determinando un'amplificazione ottica maggiore rispetto ai dispositivi a giunzione singola.

Gli ICL forniscono una corrente di soglia particolarmente bassa per l'inizio dell'effetto laser. Una maggiore efficienza nel trasporto e nell'utilizzo del vettore si traduce in un minore consumo energetico. Gli ICL vengono applicati al rilevamento di gas, all'analisi chimica, al monitoraggio ambientale, al controllo dei processi industriali e alle comunicazioni ottiche nello spazio libero. La radiazione nel medio infrarosso è utile per rilevare e misurare specifici inquinanti.

Laser ad eterostruttura a confinamento separato
I laser con eterostruttura a confinamento separato (SCH) utilizzano un design dell'eterostruttura per migliorare le proprietà ottiche ed elettriche. Ciò garantisce perdite ottiche ridotte, migliore confinamento del portatore e prestazioni complessive migliorate rispetto ai comuni laser a omogiunzione. I laser SCH incorporano diversi wafer con diversi gap di banda per formare un'eterostruttura più complessa. Lo strato di svuotamento è racchiuso da strati di bandgap più ampi. Questa complessità consente un migliore confinamento sia delle portanti che delle modalità ottiche.

Un migliore confinamento e una ridotta perdita ottica risultano dal fatto che gli strati di rivestimento intrappolano sia l'attività ottica che quella dei portatori di carica all'interno della regione attiva. La ridotta dispersione del portatore contribuisce in particolare a migliorare la corrente di soglia e l'efficienza elettrica. A sua volta, ciò migliora le prestazioni, rispetto ai laser a omogiunzione, migliorando la stabilità della temperatura, una maggiore larghezza di banda di modulazione e la deriva della lunghezza d’onda dipendente dalla temperatura. I laser SCH sono particolarmente utili in applicazioni che richiedono efficienza e stabilità della temperatura. Sono adatti per applicazioni generali come telecomunicazioni, archiviazione ottica di dati, stampa laser, rilevamento ottico e ricerca basata sul laser, ma sono particolarmente adatti agli ambienti più difficili e ai sistemi di comunicazione in fibra ottica.

Laser con riflettore di Bragg distribuito (DBR).
I dispositivi con riflettore di Bragg distribuito (DBR) sono dispositivi che incorporano un riflettore di Bragg distribuito integrato nella cavità di amplificazione. Questo aspetto consente un controllo preciso della frequenza emessa e un filtraggio stretto per una buona purezza e selezione spettrale. Il reticolo di Bragg è costituito da strati alternati di materiali ad alto e basso indice di rifrazione che funzionano come uno specchio selettivo in lunghezza d'onda. Questa struttura riflette la luce di tutte le lunghezze d'onda non selezionate consentendo al contempo alla radiazione desiderata di propagarsi attraverso la cavità di amplificazione. Questa struttura fornisce una selettività precisa della lunghezza d'onda e, regolando il periodo del reticolo o le coppie di indici di rifrazione, la lunghezza d'onda emessa può essere sintonizzata su un intervallo. Ciò facilita la personalizzazione e la compatibilità con una gamma di applicazioni, inclusi i sistemi WDM (wavelength-division multiplexing) e la tomografia a coerenza ottica (OCT).

I laser DBR forniscono un output con larghezza di linea ridotta come risultato del feedback distribuito del reticolo di Bragg. Il reticolo sopprime i modi longitudinali indesiderati e si traduce in un'emissione monomodale di larghezza spettrale ridotta. Questi dispositivi forniscono rapporti di soppressione della modalità laterale (HSMSR) vantaggiosi ed elevati, che rappresentano la differenza di potenza tra la modalità laser desiderata e le modalità vicine, fornendo una misura di selettività, purezza spettrale e larghezza di linea ridotta.

I laser DBR sono utilizzati nelle telecomunicazioni, nel rilevamento delle fibre ottiche, nella spettroscopia, nella metrologia e nella tomografia a coerenza ottica. Sono utilizzati come sorgenti luminose precise e stabili in vari sistemi che richiedono lunghezze d'onda specifiche, larghezze di linea strette ed elevata purezza spettrale.

Laser a emissione superficiale a cavità verticale esterna
I laser a emissione superficiale a cavità verticale (VECSEL) sono un tipo specializzato di dispositivo laser che combina le caratteristiche vantaggiose dei laser a emissione superficiale a cavità verticale (VCSEL) e dei laser a diodi a cavità esterna (ECDL). Ciò si traduce in caratteristiche uniche come elevata potenza di uscita, sintonizzabilità della lunghezza d'onda ed eccellente qualità del raggio.

I VECSEL hanno la cavità laser orientata verticalmente, quindi la luce viene emessa perpendicolarmente alla superficie del chip. Questo design verticale consente un'efficiente dissipazione del calore e un controllo preciso sul raggio emesso. La loro configurazione della cavità esterna è costituita da superfici riflettenti aggiuntive poste all'esterno della struttura del chip. Ciò consente il controllo della lunghezza d'onda, la modellazione del fascio e il ridimensionamento della potenza. I VECSEL sono in grado di fornire una potenza di uscita maggiore rispetto ai VCSEL perché la configurazione della cavità esterna migliora la dissipazione del calore. La precisa sintonizzazione della lunghezza d'onda su un ampio intervallo spettrale si ottiene alterando la posizione degli specchi della cavità esterna o regolando la temperatura operativa del dispositivo. Attraverso l'uso di cavità esterne progettate con precisione, i VECSEL ottengono un output di alta qualità con un basso angolo di divergenza e un profilo del fascio uniforme.

I VECSEL sono utilizzati nella ricerca scientifica, nella lavorazione dei materiali, nella diagnostica medica, nel rilevamento ottico e nelle telecomunicazioni. Servono applicazioni di precisione come la spettroscopia laser, il raffreddamento laser e l'intrappolamento/manipolazione di atomi, l'ablazione laser e le comunicazioni ottiche ad alta velocità di trasmissione dati.

Laser in modalità multi-longitudinale (MLM).
I laser in modalità multi-longitudinale (MLM) offrono la possibilità insolita di emettere su diverse bande di frequenza ravvicinate ma strette, attraverso uno spettro relativamente ampio. Le modalità longitudinali nei laser MLM sono strettamente spaziate. La spaziatura dipende dalla progettazione funzionale della cavità risonante, come la sua lunghezza e l'indice di rifrazione del mezzo laser. Il loro ampio spettro di emissione è dovuto alla presenza di queste molteplici modalità. L'ampiezza spettrale e la distribuzione dei modi derivano dalla progettazione della cavità e della giunzione e anche dalle condizioni operative.

I laser MLM sono utilizzati in spettroscopia, metrologia, interferometria e telecomunicazioni. Sono particolarmente applicabili alla tomografia a coerenza ottica (OCT), in cui è possibile l'imaging ad alta risoluzione, risultante dall'interferenza di molteplici modalità longitudinali.

Applicazione della macchina laser a diodi

Come mantenere la macchina laser a diodi

Come funziona il laser a diodi

I laser a diodi funzionano stimolando l'emissione di fotoni in una giunzione del semiconduttore. Il materiale semiconduttore ha bande proibite di energia specifiche che innescano la generazione e l'amplificazione della luce coerente. Un diodo è costituito da una giunzione pn. La regione di tipo n crea un eccesso di portatori con carica negativa (elettroni) mentre la regione di tipo p crea un eccesso di portatori con carica positiva (lacune). La giunzione forma una regione di svuotamento tra i due materiali. Quando una tensione di polarizzazione diretta (+ve al materiale p e -ve al materiale n) viene applicata attraverso la giunzione, la corrente scorre. Ciò fa sì che i portatori di carica si spostino attraverso la giunzione. Gli elettroni della regione n e le lacune della regione p vengono iniettati nella regione di svuotamento. Questi si incontrano e si neutralizzano, liberando un fotone per ogni carica annullata.

Il laser a diodi è progettato con superfici riflettenti alle estremità, formando una "cavità ottica". I fotoni si riflettono internamente e il feedback ottico migliora le emissioni stimolate e produce una luce coerente a banda stretta. L'emissione stimolante si verifica anche quando un fotone interagisce con un elettrone eccitato, facendolo emettere un altro fotone. Questi fotoni aggiuntivi sono identici al fotone innescante, portando all'amplificazione. Man mano che l'emissione stimolata continua e i fotoni vengono riflessi all'interno della cavità, l'intensità dell'energia laser aumenta.