Отличие светодиода от лазера

Сравнение применимости лазеров и светодиодов для оптогенетических экспериментов

Сущность оптогенетических подходов состоит в управлении возбудимостью нейрона с помощью света. Это достигается благодаря встраиванию в нейроны фотоуправляемых ионных каналов, полученных путем модификации фотоуправляемых ионных каналов, исходно обнаруженных у бактерий. Для возбуждения нейронов используют фотоуправляемые катионные каналы (на основе каналородопсина, бактериородопсина и пр.), а для торможения анионные каналы (на основе галородопсина).

В настоящий момент наиболее часто используемыми источниками света для оптогенетических установок являются лазеры и светодиоды. В данной статье будут рассмотрены преимущетсва и недостатки обоих типов источников.

Лазеры

Основным преимуществом лазеров является когерентность их светового потока, что дает возможность иметь высокую мощность. Это становится особенно актуальным при необходимости фокусировать свет от источника в тонкие оптические волокна (50 мкм и менее). Малые размеры световодов в свою очередь обусловлены необходимостью сделать их вживление малоинвазивным. Если же в эксперименте планируется работа на in vitro моделях, то световод не обязательно должен быть малым и требования к мощности источника ослабляются.

При этом лазеры имеют множество недостатков:

— нестабильность спектра лазеров

Особенно это актуально для диодных лазеров, у которых в ответ на поданный TTL сигнал возможно самопроизвольное колебание эмиссии очень близких длин волн, что создает спектральный шум.

Рис. 1. Сравнение производительности лазера и светодиодного источника при одинаковом режиме TTL-модуляции. (A) — 473 нм лазер и светодиод; (B) — 561 нм лазер; (C) — светодиод.

Диодные лазеры очень чувствительны к отражению лазерного луча, возникающему от элементов оптической системы, расположенной после источника света. Это приводит к осцилляциям возбуждения по основной длине волны и как следствие – колебаниям мощности светового потока.

(A) — Спекл-паттерн, образованный 561 нм лазером и (B) — гомогенная засветка светодиодом.

— сложность управления функцией включения-выключения источника

Для управления активностью фоточувствительных ионных каналов очень важно контролировать кинетические параметры включения и выключения светового потока. В случае лазеров это сделать достаточно сложно. Большинство контроллеров DPSS лазеров не имеют опции TTL управления. В случае контроллеров с функцией TTL управления управляющий сигнал, подаваемый на лазер имеет зарезанные фронты нарастания и спада. Таким образом, для реализации быстрого включения-выключения лазера прибегают к управляемым диафрагмам или колесам фильтров, что усложняет и удорожает установку.

— неоднородность функции мощности лазеров

Поскольку лазерные источники имеют очень узкий спектр и высококогерентны, то в точке засветки возникает интерференция, что приводит к неоднородности засветки препарата. Эта неоднородность может меняться при изменении температурного режима и очень сильно выражена в мультимодальных оптических волокнах, часто используемых для одновременной передачи сигналов с разными длинами волн.

Вышеупомянутые свойства лазеров делают их крайне неудобными для широкопольной флуоресцентной микроскопии, где требуется однородная засветка препарата светом одинаковой интенсивности.

Светодиодные источники Prizmatix

Большинства вышеперечисленных недостатков лишены светодиоды. До недавнего времени их основным недостатком была низкая мощность светового потока.

В решениях, которые мы предлагаем, мощность светового потока сверхмощных светодиодов Prizmatix на выходе светодиода составляет до 1 Вт/см2. Стандартный световод, используемый в такой системе, имеет цифровую апертуру 0,63 при 0,23 у большинства производителей. Это уменьшает функцию светорассеяния и увеличивает интенсивность засветки препарата. Спектральная ширина эмиссии светодиодов Prizmatix составляет от 10 до 30 нм, что позволяет работать со многими красителями и фотоуправляемыми белками одновременно. При этом источники тока для питания и управления светодиодом не используют ШИМ-модуляцию, что позволяет использовать такие системы для параллельных электрофизиологических экспериментов, чувствительных к электромагнитным помехам. TTL-управление данными светодиодами позволяет иметь скорости нарастания и спада интенсивности светового потока в диапазоне 10-30 мксек. Это позволяет не просто управлять активацией фоточувствительных каналов, но и влиять на кинетику их работы.

Лазерные диоды: принцип работы, виды и применение

Изобретение полупроводникового лазерного диода заслуженно считается одним из лучших достижений в области физики второй половины прошлого века. Независимые разработки советских и американских ученых в области оптического излучения твердотельных материалов, проведенные более полувека назад, сегодня показывают свою эффективность в бытовой, промышленной и военной сфере.
В отличие от светоизлучающих диодов, работа которых основана на спонтанном излучении фотонов, лазерные диоды имеют более сложный принцип действия и структуру кристалла.

Принцип работы

Чтобы понять, откуда появляются фотоны, рассмотрим процесс рекомбинации (исчезновения пары свободных носителей – электрона и дырки). При подаче прямого напряжения к p-n переходу диода возникает инжекция, т.е. резкое увеличение концентрации неравновесных носителей. В процессе инжекции, движущиеся навстречу друг другу, электроны и дырки рекомбинируют, выделяя энергию в виде частицы – фотона и квазичастицы – фонона. Так происходит спонтанное излучение, наблюдаемое в светодиодах.

В случае с лазерным диодом вместо спонтанного необходимо запустить механизм вынужденного излучения фотонов с одинаковыми параметрами. Для этого из кристалла формируют оптический резонатор, проходя через который, фотон с заданной частотой вынуждает рекомбинировать электронные носители, что способствует появлению новых фотонов той же поляризации и фазы. Их называют когерентными.

При этом лазерная генерация возможна только в случае наличия чрезмерно большого количества электронных носителей на верхнем энергетическом уровне, высвобожденных в результате инжекции. Для этого используют ток накачки такой силы, чтобы вызвать инверсию электронных населённостей. Под этим явлением подразумевают состояние, в котором верхний уровень намного больше заселён электронами, чем нижний. В результате стимулируется излучение когерентных фотонов.

Далее такие фотоны многократно отражаются от граней оптического резонатора, провоцируя запуск положительной обратной связи. Это явление носит лавинообразный характер, в результате которого рождается лазерный луч. Таким образом, создание любого оптического генератора, в том числе лазерного диода, требует выполнения двух условий:

• наличие когерентных фотонов;
• организация положительной оптической обратной связи (ПООС).

Чтобы сформированный луч не рассеивался вследствие дифракции, прибор компонуют собирающей линзой. Тип устанавливаемой линзы зависит от вида лазера.

Виды лазерных диодов

За годы развития устройство лазерного диода претерпело множество изменений. Его конструкция совершенствовалась, во многом благодаря появлению высокотехнологичного оборудования. Высочайшая точность легирования и полировки полупроводникового кристалла, а также создание гетероструктурной модели – факторы, которые обеспечили высокий коэффициент отражения на границе «кристалл-воздух» и формирование когерентного излучения.

Первый лазерный диод (диод с гомоструктурой) имел один p-n переход и мог работать исключительно в импульсном режиме из-за быстрого перегрева кристалла. Он имеет лишь историческое значение и не применяется на практике.

Более эффективным оказался лазерный диод с двойной гетероструктурой (диод ДГС). Его кристалл создан на основе двух гетероструктур. Каждая гетероструктура – это материал (арсенид галлия и арсенид алюминия-галлия) с малой шириной запрещённой зоны, который расположен между слоями с большей шириной запрещенной зоны. Преимущество лазерного диода ДГС состоит в существенном увеличении концентрации разнополярных носителей в тонком слое, что значительно ускоряет проявление положительной обратной связи. К тому же отражение фотонов от гетеропереходов ведёт к снижению их концентрации в области низкого усиления, а значит, повышает эффективность всего устройства.

Лазерный диод с квантовыми ямами устроен по принципу диода ДГС, но с более тонкой активной областью. Это означает, что элементарные частицы, попадая в такую потенциальную яму, начинают двигаться в одной плоскости. Эффект квантования в данном случае заменяет потенциальный барьер и служит генератором излучения.

Недостаточная эффективность удержания светового потока в диодах ДГС привела к созданию гетероструктурного лазера с раздельным удержанием. В этой модели кристалл дополнительно покрывается слоем материала с каждой из сторон. Несмотря на меньший коэффициент преломления этих слоёв, они уверенно удерживают частицы, выступая в роли световода. Технология SCH занимает лидирующую позицию в производстве диодных лазеров.

Лазерный диод с распределённой обратной связью (РОС) является частью оптического оборудования в сфере построения телекоммуникационных систем. Длина волны РОС лазера является константой, что достигается путем нанесения поперечной насечки на полупроводник в области p-n-перехода. Насечка выполняет функцию дифракционной решётки, тем самым возвращая в резонатор фотоны только с одной (заданной) длиной волны. Эти когерентные фотоны и участвуют в усилении.

Поверхностно-излучающий лазерный диод с вертикальным резонатором или вертикально-излучающий лазер ВИЛ (англ. – VCSEL) в отличие от ранее рассмотренных приборов испускает луч света перпендикулярно поверхности кристалла. В основе конструкции VCSEL лежит метод использования вертикальных оптических микрорезонаторов с зеркалами, а также достижения метода ДГС и квантовой ямы. Преимущество технологии VCSEL состоит в температурной и радиационной стабильности, в возможности группового производства кристаллов и их тестирования непосредственно на стадии изготовления.

Модификацией VCSEL является ВИЛ с внешним резонатором (англ. – VECSEL). Оба лазерных диода позиционируются как приборы высокого быстродействия с возможностью обеспечения передачи данных в будущем на скорости до 25 Гбит/с через волоконно-оптическую связь.

Разновидности корпусов

Популяризация лазерных диодов вынуждала производителей самостоятельно разрабатывать новые типы корпусов. С учетом их специфического назначения компании выпускали всё новые и новые виды защиты и охлаждения кристалла, что привело к отсутствию унификации. В настоящее время не существует международных стандартов, регламентирующих корпуса лазерных диодов.
Пытаясь навести порядок, крупные производители заключают между собой договор об унификации корпусов. Однако перед практическим применением неизвестного лазерного диода всегда следует уточнять назначение выводов и длину волны излучения, невзирая на знакомый тип корпуса. Среди промышленно выпускаемых полупроводниковых лазеров наиболее часто встречаются два вида с указанными ниже корпусами.
1 Приборы с открытым оптическим каналом:

• TO-can (transistor-out-line metal-can package). Корпус выполнен из металла и применяется в изготовлении транзисторов;
• C-mount;
• D-mount.

2 Приборы с волоконным выходом:

• DIL (Dual-In-Line);
• DBUT (Dual-Butterfly);
• SBUT (Single-Butterfly).

Применение

Каждый тип лазерного диода находит практическое применение, ввиду своих уникальных особенностей. Стоимость маломощных образцов снизилась в разы, о чём свидетельствует их применение в детских игрушках и указках. Ими оснащают лазерные рулетки-дальномеры, что позволяет одному человеку проводить замер расстояний и сопутствующие вычисления. На красных лазерах основана работа считывателей штрих-кодов, компьютерных манипуляторов и DVD-проигрывателей. Некоторые виды используют в проведении научных исследований и для накачки других лазеров. Наиболее востребованы лазерные диоды для передачи данных в оптоволоконных сетях. Новые модели VCSEL обеспечивают скорость в 10 Гбит/с, что открывает дополнительные возможности для комплекса телекоммуникационных услуг, в том числе:

• способствуют росту скорости интернета;
• улучшению телефонной и видеосвязи;
• повышают качество телевизионного приёма.

Результатом совершенствования лазерного диода стал увеличенный срок службы, который теперь сопоставим с наработкой на отказ светоизлучающих диодов. Уменьшение тока накачки повысило надёжность приборов, а их вклад в развитие технического прогресса не меньше, чем у других электронных компонентов.

Volkswagen Caddy II гоночный танк › Бортжурнал › Фары будущего: какие круче, лазерные или диодные?

За матричную светодиодную оптику Mercedes-Benz CLS нужно доплачивать 112 тысяч рублей. Неужели они так классно светят, чтобы выкладывать такие деньги?
В 2011 году «Авто Mail.Ru» по приглашению Philips посетил немецкий Ахен, где инженеры компании рассказали об эволюции автомобильного света (подробности — в нашем материале «Фары будущего: «ксенон», «галоген» или светодиоды?»). А теперь — новое приглашение. Что сейчас покажут немцы? Ночь, пригород Барселоны, журналисты закладывают… кусочки карбида внутрь металлического бочонка. Зачем?! Всё просто: бочонок — часть автомобиля позабытой сегодня марки Reyrol 1909 года выпуска, и таким образом мы зажигаем фары. Зажигаем — в прямом смысле этого слова.

На этой фотографии отлично видна эволюция автомобильного освещения. Автомобили (нижнее фото слева направо) по типу оптики: ацетиленовые горелки, простые электрические лампы, галогеновые лампы (две машины подряд), галогеновые лампы Philips X-tremeVision, матричные светодиодные фары

Сначала нужно открыть краник ацетиленового генератора (того самого бочонка), чтобы вода начала капать на карбид кальция. В результате взаимодействия карбида и воды образуется ацетилен, который по трубочкам доходит непосредственно до керамической горелки, упрятанной внутри фары. Стоим, ждём — процесс этот небыстрый. Пора? Открываем стекло фары, чиркаем спичкой — сначала появляется едва видимый огонёк, который вскоре гаснет. Опять ждём и снова подносим спичку. Разгораясь, маленький язычок пламени быстро становится довольно ярким источником света. Поехали!
Насколько путь, освещаемый ацетиленовой горелкой, светел? Говорят, что удачные образцы, оснащённые параболическими отражателями, могли пробивать тьму метров на триста. Но то ли оптика Reyrol не слишком совершенна, то ли современники приукрашивали действительность, но двигаться на машине начала прошлого столетия по ночным дорогам просто небезопасно. Не видно ни-че-го! А набежит сильный ветер и огонёк внутри фары попросту задувает — вставай, разжигай заново. И каждые четыре часа заправляй генератор карбидом и прочищай горелку от нагара…

Если ацетиленовые горелки на Reyrol 1909 года (слева сверху) почти не освещают дорогу, то электрические лампы Packard образца 1934 года (справа сверху) способствуют безопасному вождению куда больше. У SEAT 800 1964 года (слева внизу) — уже эффективная асимметричная оптика на основе «галогенок», а фары Daimler DS420 1968 года вообще светят очень недурно, по качеству света напоминая современные

С электрическим светом, конечно, проще. В 1912 году, когда появились вольфрамовые нити накаливания вместо угольных (последние боялись тряски), ацетиленовые лампы разом уступили место лампам накаливания. На роскошном седане марки Packard 1934 года стоят именно такие, причём — с двумя нитями накаливания: для дальнего и ближнего света отдельно. (К тому времени уже был придуман рассеиватель — покрытое линзами стекло фары, отклоняющее свет лампы). Но водитель снова «подслеповат»! Паккардовский «дальний» гораздо слабее, чем «ближний» любой современной машины.
И только пересаживаясь на Daimler DS420 родом из конца шестидесятых, начинаешь чувствовать себя уверенно. Слава «галогенкам»! Кстати, такие фары рано отправлять на свалку истории — в будущем галогеновые лампы продолжат ставиться на массовые автомобили, поскольку могут светить на уровне «ксенона». В качестве примера инженеры Philips показали лампы X-tremeVision, которые светят на 130% ярче и излучают на 20% более белый свет (3700 К), почти догоняя «ксенон» (4300 К), а также модель Philips WhiteVision, излучающая на 60% больше света, притом света «ксенонового» (4300 К).

По прогнозам экспертов, к концу 2030-х примерно половина выпускаемых машин сохранит «галогенки», как простой и дешёвый источник света! Неудивительно, что инженеры продолжают совершенствовать галогеновые лампы, улучшая характеристики нити, увеличивая давление разрядного газа и повышая качество покрытия и кварцевого стекла

Но самый совершенный автомобильный свет сегодня — это матричные светодиодные фары. И это настоящий шедевр инженерного искусства! За который нужно выложить 112 тысяч рублей — столько стоит опция Multibeam для Mercedes-Benz CLS. За что просят такие деньги? В каждой фаре имеются секции: дневных ходовых огней, статичного ближнего света, активного ближнего света средней дальности, дальнего света, а также бокового освещения. Управляет всем этим хозяйством компьютер, который получает данные от камеры, датчиков освещения и GPS-навигации.
Такие фары потребляют втрое меньше энергии, нежели ксеноновые, а их цветовая температура выше: 5000 К вместо 4300 К, поэтому свет белее, напоминая естественный дневной (6500 К), отчего глаза гораздо меньше устают. Как такового жёсткого разделения на ближний, дальний и «противотуманный» режимы больше нет, поскольку электроника сама регулирует форму светового пучка. Вот как это работает. С дневными ходовыми огнями всё понятно — их задача обозначать машину днём. Секция статичного ближнего света освещает дорогу прямо перед машиной, выполняя роль «противотуманок»…

Так устроена светодиодная фара Mercedes-Benz CLS:
1. Дневные ходовые огни и сигнал поворота. Также данная секция выполняет функцию «приветственного света», который освещает хозяину дорогу от машины и обратно.
2. Активный ближний свет. Эта секция, состоящая из четырёх светодиодов, может поворачиваться на угол до 12º, а также выполнять роль «среднего света» (между «ближним» и «дальним»).
3. Активный дальний свет. Каждый из 24 светодиодов может включаться, выключаться, а также менять яркость, притом каждый светодиод имеет 255 стадий яркости.
4. Статичный ближний свет. Три секции из восьми светодиодов (2+2+4) освещают дорогу прямо перед автомобилем и обочины, выполняя роль противотуманных фар.
5. Боковой свет. Два светодиода включаются только перед поворотами и боковыми развязками, притом могут включаться секции либо одной, либо обеих фар

А ближний свет? Он особенно хорош при прохождении поворотов, которые система распознаёт при помощи стереокамеры, сканирующей дорожную разметку, и данных от навигации. Перед виражом подключаются секции бокового освещения, а сам пучок света отклоняется (соответствующая группа диодов поворачивается на угол до 12º), притом незадолго до того момента, как водитель начнёт поворачивать руль. Чтобы заранее подсветить выход из виража, в прямолинейное положение фары возвращаются также заранее. На круговых развязках «умная оптика» вообще старается осветить весь круг.
Но интереснее всего работает «дальний». Его можно вовсе не выключать за городом! Пучок, формируемый лучами двух дюжин светодиодов каждой фары, постоянно меняет свою форму, чтобы максимально освещать дорогу, но не слепить других водителей: когда впереди появится встречный или попутный автомобиль, система мгновенно приглушит те светодиодные элементы, которые могли бы помешать остальным. Сообразительности системы хватает, чтобы одновременно отслеживать до восьми машин. «Дальнобойность» также впечатляет — светит светодиодный «дальний» аж на 485 метров.

В повороте светодиодные матричные фары будто «заглядывают» внутрь виража. При этом освещаются также обочина и часть встречной полосы, но попутная машина — «в тени».
На круговых развязках (внизу слева) работает рефлекторы бокового света обеих фар, чтобы расширить освещаемую зону и видеть не только въезд на развязку, но и выезжаающие слева и «из-за круга» машины.
Вся дорога ярко освещена (внизу справа), но та область, где движется встречная машина, остаётся тёмной, так как система включает, выключает или меняет яркость отдельных светодиодов

Кстати, у Audi оптика вдобавок оснащена инфракрасной системой ночного видения, а потому фары умеют подсвечивать пешеходов: если система ночного видения за 250 метров перед машиной заметит человека, фары, не ослепив, поморгают «живому препятствию» и «нарисуют» освещённую дорожку, куда следует отступить. В остальном, «аудюшная» система Audi Matrix LED похожа на мерседесовский Multibeam, хотя матричные фары «Мерседеса» меняют световой пучок плавнее, чем светодиоды Audi, так как для каждого отдельного диода предусмотрено 255 уровней яркости против 64.
Увы, но лазерную оптику Philips не показал: инженеры пока только работают над этим направлением. Но почему? Ведь именно за лазерами — будущее! Или нет? «Автомобильной лазерной оптики не существует», — огорошил публику Матиас Хагедорн, лектор по современным системам освещения. Как так, если лазерные фары получили Audi R8 LMX и BMW i8? Но Хагедорн невозмутимо продолжил: «В существующих конструкциях лучи нескольких лазеров только попадают на фосфорную пластину, люминофор, которая испускает пучок белого света. Поэтому правильно называть такую технологию лазерно-люминофорной!»

Трудно поверить, но светодиодные фары флагманского S-класса устроены проще, чем оптика модели CLS: фары большого Mercedes-Benz тоже наводят тень на встречную (или попутную) машину, но по другому принципу — при помощи специальной заслонки, которая перемещается, сопровождая приближающийся автомобиль

Таким образом, лазер является только источником энергии, но не источником света. И если сейчас существует «ближний» и «дальний», то лазерно-люминофорная оптика — это «сверхдальний»: такой свет включается на скорости выше 60 км/ч и светит на 500-600 метров. Впечатляет? Честно говоря, за 15 тысяч евро (по нашей информации, именно столько стоят «лазеры») хотелось бы большего, так как те же полкилометра освещают и матричные светодиодные фары, а новое поколение LED-оптики будет более «дальнобойным» и более функциональным — в секции дальнего света будет не 24, а 84 диода.
Поэтому выводы таковы. Будущее — за светодиодными фарами. Однако если инженеры научат «лазеры» светить дальше, то именно такие фары станут прерогативой сверхбыстрых суперкаров. Увы, но совершенная матричная LED-оптика из-за дороговизны на некоторое время останется приметой лишь автомобилей премиум-класса. Зато массовые машины получат пускай статичные, но светодиоды, так как Philips (их оптикой оснащён каждый третий автомобиль на планете), уже создала доступные световые решения. Прощай, «ксенон» и «галоген»?

Audi R8 LMX выпущена тиражом 99 экземпляров. Именно за версию LMX нужно доплатить 35 тысяч евро: за эти деньги владелец получит более мощный двигатель (570 л.с. против 550 л.с.), углепластиковые детали кузова и, разумеется, уникальную лазерную оптику.
Четыре лазерных диода мощностью 1,6 Вт подсвечивают люминофор, свет от которого, пройдя через систему отражателей, падает на дорогу. Лазерный свет обладает дальностью до 600 м, тогда как светодиодный дальний (обычный, не матричный) высвечивает дорогу на 300 м, а ближний — на 150 м

Напоследок ответим на популярный вопрос: стоит ли переплачивать за матричные светодиоды? Ночной тест-драйв показал, что активные фары — штука отличная. Особенно для наших дорог, где нужно напряжённо всматриваться вдаль, выискивая колдобины, ночных пешеходов и сломавшиеся грузовики без фонарей и знаков аварийной остановки. Хотя обычные, неактивные, диоды тоже светят прекрасно…

Светодиоды и полупроводниковые лазеры

Описание презентации по отдельным слайдам:

Описание слайда:

Светодиоды и полупроводниковые лазеры
Выполнили студенты гр. 21305
Алексеев А.Ю. и Павлов И.А.

Описание слайда:

Описание слайда:

Светодиоды
Светодиодом, или излучающим диодом, называют полупроводниковый
диод на базе p-n перехода либо гетероперехода, излучающий кванты света при протекании через него прямого тока.

По характеристике излучения излучающие диоды можно разделить на
две группы: с излучением в видимой части спектра — светодиоды и в
инфракрасной части диапазона — диоды ИК-излучения.

Промышленные светодиоды существуют красного, оранжевого, зеленого, желтого, голубого, фиолетового цветов свечения, а также с переменным цветом свечения.

Описание слайда:

Спектральная характеристика излучения светодиода при межзонных переходах представляет собой монохроматическую линию, полушириной kT и центрированную при значении hv = Eg
Спектральная чувствительность человеческого глаза находится в диапазоне цветов от фиолетового до красного и имеет максимум для зеленого цвета. По длинам волн этот диапазон находится от 0.39 до 0.77 мкм, что соответствует энергии квантов от 2.8 до 1.8 эВ
Следовательно в качестве излучательной среды в светодиодах видимого диапазона следует использовать прямозонные полупроводники с шириной запрещенной зоны 1.8 – 2.8 эВ. Одним из распространенных соединений, удовлетворяющим перечисленным характеристикам, является твердый раствор GaAs(1-x)Px

Описание слайда:

Диаграмма хроматичности, показывающая соотношение между тремя основныыми компонентами цвета (красный, зеленый, синий), необходимыми для получения заданного цвета
Цифрами указаны длины волн монохроматического излучения, соответствующие тому или иному цвету
Цифрами в кружках отмечено расположение типовых светодиодов
Все многообразие цветов – внутри этого контура

Описание слайда:

Зависимость запрещенной зоны от волнового вектора для нескольких значений х, из которой следует, что зона проводимости имеет два минимума. Те минимумы, которые расположены в точке Г, являются прямыми, тогда как другие, расположенные на оси х, непрямые.

Описание слайда:

Принцип действия светодиода
Принцип действия светодиода основан на излучательной рекомбинации инжектированных носителей в прямосмещенном p-n переходе, где Lp — диффузионная длина (

Описание слайда:

Конструкция светодиода
Среди светодиодных структур основной является структура с плоской геометрией. Обычно прямозонные светодиоды (красное излучение) формируются на подложках GaAs (а), тогда как непрямозонные (оранжевое, жёлтое и зелёное излучения) — на подложках GaP (б). При использовании подложки GaAs на неё наращивается переходный слой GaAs(1-x)Px переменного состава с х, изменяющимся в пределах 0-0.4, а затем слой GaAs(1-x)Px с постоянным составом.

Описание слайда:

Фотоны, генерируемые в области перехода, испускаются во всех
направлениях, однако наблюдателя достигает лишь та их часть,
которая проходит через поверхность. Уменьшение количества
излучаемых светодиодом фотонов обусловлено поглощением в
материале светодиода, потерями за счёт отражения и потерями за счёт
полного внутреннего отражения. Потери, связанные с поглощением,
весьма существенны в светодиодах на подложках GaAs (а), т.к. в этом
случае подложка поглощает примерно 85% фотонов, излучаемых
переходом. В светодиодах на подложках GaP (б) поглощение составляет

25%, и эффективность излучения может быть существенно увеличена.

Описание слайда:

На рисунке показаны поперечные разрезы других светодиодов, которые имеют параболическую, полусферическую и усечённо сферическую геометрию.

Описание слайда:

Полная эффективность преобразования электрического сигнала в оптический даётся следующим выражением:

Описание слайда:

Инфракрасные светодиоды
Областями применения диодов ИК-излучения являются оптоэлектронные устройства коммутации, оптические линии связи, системы дистанционного управления.
Наиболее распространённый в настоящее время инфракрасный источник — это светодиод на основе GaAs. Он обладает наибольшей эффективностью электролюминесценции в основном благодаря тому, что среди всех прямозонных полупроводников GaAs является технологически наиболее освоенным. Для изготовления инфракрасных светодиодов используются многие другие полупроводники, имеющие запрещённую зону шириной менее 1,5 эВ. К ним относятся твёрдые растворы, в состав которых входят три или четыре элемента III и V групп периодической системы. Среди них твердый раствор переменного состава GaInAsP.

Описание слайда:

Описание слайда:

Полупроводниковые лазеры
Полупроводниковые лазеры – оптоэлектронные устройства,
генерирующие когерентное излучение при пропускании через них
электрического тока. Также как и у других лазеров (рубиновый лазер
или лазер на смеси He — Ne), излучение п/п лазера высоко
монохроматично (имеет узкую полосу спектра) и создает строго
направленный луч света.

Описание слайда:

1. В обычных лазерах квантовые переходы происходят между дискретными энергетическими уровнями, тогда как в полупроводниковых лазерах переходы обусловлены зонной структурой материала.
2. Полупроводниковые лазеры имеют очень малые размеры (

0,1 мм в длину), и так как активная область в них очень узкая (

1 мкм и меньше), расхождение лазерного луча значительно больше, чем у обычного лазера.
3. В лазере с р-n переходом лазерное излучение возникает непосредственно под действием тока, протекающего через прямосмещенный диод. В результате система очень эффективна, поскольку позволяет легко осуществлять модуляцию излучения за счет модуляции тока. Так как полупроводниковые лазеры характеризуются очень малыми временами стимулированного излучения, модуляция может проводиться на высоких частотах.
4. Принципиальным отличием лазерного диода (LD) является наличие встроенного оптического резонатора, что позволяет получить режим индуцированного излучения, которое характеризуется высокой степенью когерентности.

Описание слайда:

Стимулированное излучение.
Работа лазера связана с тремя основными процессами, обусловленными переходом носителей: поглощения, спонтанной эмиссии и стимулированным излучением. Е1 – энергетический уровень основного состояния, Е2 — возбужденного состояния.
Любой переход между этими состояниями сопровождается испусканием или поглощением фотона с частотой ν12, определяемой из соотношения hν12=E2-E1. При обычных температурах большинство атомов находится в основном состоянии. Эта ситуация нарушается в результате воздействия на систему фотона с энергией, равной hν12. Атом в состоянии E1 поглощает фотон и переходит в возбужденное состояние Е2. Это и составляет процесс поглощения излучения. Возбужденное состояние является нестабильным и через короткий промежуток времени без какого-либо внешнего воздействия атом переходит в основное состояние, испуская фотон с энергией hν12 (спонтанная эмиссия). Время жизни, связанное со спонтанной эмиссией (т.е. среднее время возбужденного состояния), может изменяться в широком диапазоне, обычно в пределах 10-9 — 10-3 с, в зависимости от параметров полупроводника, таких, как структура зон (прямая или не прямая) и плотность рекомбинационных центров. Столкновение фотона, обладающего энергией hν12, с атомом, находящемся в возбужденном состоянии, стимулирует мгновенный переход атома в основное состояние с испусканием фотона с энергией hν12 и фазой, соответствующей фазе падающего излучения (стимулированное излучение).

Описание слайда:

Зонная диаграмма и конструкция п/п лазера
Отсутствие смещения

Описание слайда:

Инверсная населенность, необходимая для стимулированного когерентного излучения,
Формируется путем инжекции через прямосмещенный p-n переход. Резонатор,
необходимый для усиления когерентного излучения, формируется путем шлифовки
граней кристалла. При приложении напряжения оба уровня ферми расщепляются на
величину ∆E = eU. В области p-n перехода возникает инверсная заселенность. В силу
того что энергия оптических переходов с излучением меньше, чем энергия переходов
с поглощением (т.к. область рекомбинации легирована до вырождения), вероятность
первых переходов выше, чем вторых. Дальнейший процесс рекомбинации вызовет
лавинную генерацию.
Смещение в прямом направлении
Анимация

Описание слайда:

На рис. показана базовая структура лазера с p-n переходом. Две боковые грани структуры скалываются или полируются перпендикулярно плоскости перехода. Две другие грани делаются шероховатыми для того, чтобы исключить излучение в направлениях, не совпадающих с главным. Такая структура называется резонатором Фабри-Перо. Смещение лазерного диода в прямом направлении вызывает протекание тока. Вначале, при низких значениях тока, возникает спонтанное излучение, распространяющееся во всех направлениях. При увеличении смещения ток достигает порогового значения, при котором создаются условия для стимулированного излучения, и р-n переход испускает монохроматичный строго направленный луч света.
Анимация

Описание слайда:

Для изготовления лазеров используют полупроводники с прямыми
зонами, например GaAs или GaAlAs, в которых возможны переходы
электронов без участия фотонов. Создание инверсной заселённости
уровней происходит при интенсивной инжекции неосновных носителей,
что легче достигается в гетеропереходах (гомопереходы — p — n –
переходы, созданные в одном и том же веществе, гетеропереходы
получают между p — и n — областями материалов с различной шириной
запрещённой зоны, что даёт, например, многоступенчатую форму p — n –
перехода), изготовленных на основе материалов с высокой
концентрацией примесей. Усиление света происходит только вдоль
направлений, перпендикулярных поверхности зеркал, поэтому из области
p — n — перехода через полупрозрачную отражающую поверхность
выходит узкий луч когерентного излучения.

Описание слайда:

Через p — n — переход инжектируются электроны из n — области I в активную область
II (толщиной

1мкм), где происходит излучение фотонов с энергией hv=1.4эВ. Переход
типа p — p+, т.е. несимметрично легированная область, между p — областью II и областью III
создаёт барьер для электронов, попавших в активную II, и способствует накоплению
электронов в этой области. Лазерный эффект достигается при пороговых значениях тока
через переход (

300K), начиная с которых спектральная полоса излучения значительно
сужается. Для уменьшения рабочих токов и ослабления нагрева активный слой часто
сокращают до полоски шириной 5 — 20 мкм, идущей от одной отражающей поверхности до
другой. Этого достигают применением узкого металлического электрода (верхнего на рис.).
У подобных устройств снижается как пороговый ток (примерно до 100 мА при комнатной
температуре), так и инерционность вследствие уменьшения ёмкости переходов.

Описание слайда:

Мощность излучения лазеров, работающих в непрерывном режиме,
составляет около 0.1 Вт. В случае импульсного возбуждения мощность
может быть значительно повышена, т.к. нагрев прибора будет
ослаблен. КПД инжекционных лазеров достигает 50%, инерционность
составляет

10-9 c, напряжение питания не превышает 3В, а размеры
нескольких мм. Модуляция светового тока может осуществляться
изменением напряжения.

Описание слайда:

Применение лазеров
Такие достоинства полупроводниковых лазеров, как возможность
перестройки длины волны узкой линии излучения, высокая
стабильность, низкая потребляемая мощность, простота
конструкции, открывают широкие перспективы их применения:

в промышленности и фундаментальных исследованиях, таких как молекулярные и атомные спектроскопы, газовые спектроскопы высокого разрешения и контроль загрязненности атмосферы
в качестве источников излучения для волоконно-оптических линий связи
в лазерных принтерах
в медицинских приборах (терапия, офтальмология, безболезненное удаление волос и т.д.)
в качестве считывающей головки в сd-дисководах
в лазерных указках и т.д.

Отличие лазерного принтера от светодиодного

При покупке аппарата для печати в офис или для дома перед нами часто встает вопрос, что лучше выбрать: лазерный или светодиодный принтер? Существенна ли разница в технологическом оснащении этих устройств, и какое влияние она оказывает на качество, скорость и стоимость печати, рассмотрим в этой статье.

Технологии

Современные модели принтеров, как правило, работают по одному из основных принципов печати: струйный, лазерный или светодиодный. Такие устройства привычны как дома, так и в офисе или на полиграфическом производстве. При этом в каждой линейке есть модели, которые могут создать яркое цветное изображение и быстро напечатать документы.

Струйные принтеры

Традиционные струйные принтеры создают отпечаток за счет микроскопических капелек чернил, которые попадают на бумагу и впитываются в ее верхний слой. Эти капельки выбрасываются из сопла картриджа с чернилами. Как раз с этой технологической особенностью и связан основной недостаток этого типа печатных устройств. Жидкие чернила высыхают при редкой эксплуатации, а сопла засоряются, что увеличивает стоимость обслуживания и укорачивает жизнь аппарата. Современные модели струйных принтеров, особенно предназначенные для профессиональной широкоформатной печати, применяют разные типы чернил, в том числе и твердые. Расходные материалы к ним недорогие, однако ресурсные детали не такие доступные.

У струйных принтеров два основных направления применения. Первое — распечатка снимков в быту, здесь подходят компактные цветные модели. Второе — полиграфические производства, где прекрасно себя зарекомендовали большие промышленные системы.

Лазерные и светодиодные принтеры

Иное дело лазерные или светодиодные принтеры, здесь ответить на вопрос «Что лучше?» сложно. Для печати в обоих случаях используется тонер — специальный порошок с красящим пигментом. Он наносится на бумагу при помощи статического электричества. Частички тонера прилипают к фотобарабану в местах, положительно заряженных светом. Разница в технологиях состоит лишь в том, какой источник света используется. В первом случае — это луч лазера, во втором — линейка светодиодов. Закрепление тонера на отпечатке в лазерном или светодиодном принтере происходит одинаково: он нагревается и плавится на поверхности бумаги.

Новая технология светодиодной печати HiQ LED, внедренная Xerox, вывела качество печати светодиодных принтеров на уровень лазерных моделей. Лучшие светодиодные принтеры производят отпечатки, по качеству ничуть не уступающие качеству лазерных аналогов, а в некоторых случаях — и превосходящие его. Кроме того, новая технология позволила справиться с несколькими недостатками, которыми грешили первые поколения аппаратов. Теперь изображение — даже его тончайшие линии и отдельные символы — получается четким и плавным, полутоновые фрагменты выходят более однородными.

За счет технологических особенностей печать на таких устройствах происходит быстрее, она экономичнее, а стоимость отпечатка и обслуживание аппарата ниже. Кроме того, выходят из строя такие модели реже.

Какой принтер лучше — лазерный или светодиодный?

Как отмечено выше, технологии печати светодиодных и лазерных моделей мало чем отличаются. То же можно сказать и об их преимуществах и недостатках. Пожалуй, тут выбирать модель лучше, ориентируясь не на технологию печати, а на предназначение аппарата.

Одно из главных достоинств лазерных и светодиодных принтеров — это высокое разрешение, или количество напечатанных точек на дюйм материала. Современные модели принтеров линеек Xerox® Phaser® и Xerox® VersaLink® работают с разными размерами, толщиной и фактурой материалов и печатают с разрешением до 1200–2400 dpi на цветных устройствах. При этом печать осуществляется на большой скорости. Например, монохромные модели формата A4 производят до 63 страниц в минуту, цветные А4 — до 53, а полноцветные принтеры A3 — до 45 страниц в минуту.

Рекомендованный ежемесячный объем печати можно выбрать в зависимости задач, которые стоят перед аппаратом. У монохромных настольных моделей, например, Xerox® Phaser® 3020, это примерно 1 000 отпечатков. У более солидных, предназначенных для небольшого офиса, например, Xerox® VersaLink® B610 — до 25 000 страниц.