Lézerdiódák, fotonok – lézerműködés az elektronikában

A lézertechnológiát széles körben használják ipari és orvosi alkalmazásokban, valamint számos, az otthonokban megtalálható berendezésben. Száloptikai hálózatok, lézernyomtatók, lézerhőmérők, CD-ROM/DVD-meghajtók, vonalkódolvasók – ezek mindegyike kihasználja a lézer előnyeit. A köznapokban valószínűleg nem gondolunk arra, hogyan működnek a lézerek, vagy honnan származik a bennük lévő lézer, pedig ez egy olyan téma, amin érdemes elgondolkodni.

A lézersugár története 1960-ban kezdődik, bár az ilyen típusú jelenség elméleti modelljét már jóval korábban, 1917-ben kidolgozták. Akkoriban a híres tudós, Albert Einstein azt állította, hogy az anyag legkisebb részecskéi, nevezetesen a gerjesztett atomok képesek fényt kibocsátani. Abban az időben azonban a tudósok még nem rendelkeztek olyan technológiával, amellyel Einstein elméletének működését igazolni tudták volna. Az áttörés sok évvel később, 1954-ben következett be, amikor három amerikai tudósnak (Charles Towneson, James Gordon és Herbert Zeiger) sikerült az atomot mikrohullámok kibocsátására kényszeríteni. Ez vezetett az első maser (Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation – mikrohullámok erősítése kényszerített sugárzáskibocsátás útján) megalkotásához – olyan eszköz, amely erős, szabályozható mikrohullámú sugarat bocsát ki. Ez az eredmény ösztönözte a tudományos közösséget, így további kísérletekhez vezetett. A lézert (a név a Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation rövidítése – fényerősítés kényszerített sugárzási emisszió útján) 6 évvel később fejlesztették ki. Elsőként Theodore Maiman amerikai tudósnak sikerült látható fény kibocsátására kényszerítenie az atomot. A lézerek korszaka egy nagy teljesítményű villanólámpa felizzásával kezdődött, amelyben krómmal adalékolt korundkristályt (rubint) helyeztek el.

Hogyan működik a lézer?

A legegyszerűbb, de egyben pontatlan válasz a kérdésre az, hogy a lézer világít. Ha a lézer valóban világít, akkor miért van az, hogy amikor az iskolákból és konferenciatermekből ismert lézerpointert bekapcsoljuk, akkor csak egyetlen pontot látunk a kivetítőn, de a lézer nem világítja be a helyiséget? A különbség egy közönséges villanykörte és egy lézer között elsősorban a fény fókuszálásában van. Az elsőben a fotonok szétszóródnak, minden irányba mozognak, ezért van az, hogy egy villanykörte képes megvilágítani egy sötét szobát. A lézerben ennek éppen az ellenkezője történik, a fény egyetlen ponton összpontosul, és olyan sugárnyalábot alkot, amelyben a fotonok szinte párhuzamosan mozognak egymással. Ennek a tulajdonságnak köszönhetően a lézer bekapcsolásakor csak egy kis pontot látunk, amelyet a ráeső fókuszált fény világít meg.
A lézer működését úgy tudjuk szemléltetni, hogy elképzelünk egy kis, belülről tükrökkel borított dobozt, amelybe néhány fotont zárunk be. Ezek a részecskék a tükrökről visszaverődve folyamatosan körbejárják a doboz belsejét. Minden egyes ütközés során egy energiaadag szabadul fel, amely a foton pontos másolata. Minden egyes ütközéssel a fényrészecskék száma nőni fog, amíg meg nem halad egy kritikus pontot. Ekkor a fotonok átszúrják a doboz falát, és egy nagyon érdekes tulajdonságokkal rendelkező fénysugarat hoznak létre.
A mai lézerek elsősorban az előzőekben kifejtett reflexiós jelenséggel leírt lézerdiódákon alapulnak. A lézerdiódák némileg emlékeztetnek a klasszikus LED-ekre, azzal a különbséggel, hogy két N-típusú és P-típusú félvezető területe között egyfajta rezonáns doboz található a fotonok felszabadulására. Ez több rétegből áll, amelyek teljesen vagy részben visszaverhetik a fényrészecskéket, hogy azok végül egyetlen sugárban koncentrálódjanak.

LÉZER AZ ELEKTRONIKÁBAN

Tulajdonságainak köszönhetően a lézert nagyon szívesen használják az elektronikában. Egy egész sor eszköz és elem alapozza működését a fényhullám többszörös visszaverődésének jelenségére, amelyek közül néhányat röviden ismertetünk:

Lézerdiódák

Ha lézerre gondolunk, általában egy közönséges lézerdióda jut eszünkbe. Felépítéséről már korábban szó esett, de érdemes tudni, hogy minden ilyen típusú elemet egy teljesítményparaméter határoz meg, amely jelzi, hogy az adott lézer milyen fényerősségű lesz. Találhatunk 5 mW-tól akár 115 000 mW-ig terjedő teljesítményű diódákat, de nem szabad elfelejteni, hogy a kis teljesítményű lézerek is veszélyesek lehetnek az egészségre. Semmiképpen sem szabad a szembe világítani vele, mert ez a látás maradandó károsodásához vezethet.
A lézerdiódák általában vörös fényt bocsátanak ki, de infravörös kialakításúak is találhatók. Általában TO9, TO18 és TO56 típusú házakban készülnek, amelyeket furatszerelési technológia használatához terveztek.

1. ábra Lézerdióda: ADL-63102TL-3 (https://www.tme.eu/hu/katalog/lezerdiodak_112302/)

Lézermodulok

A közönséges lézerdiódákhoz kapcsolódnak olyan kész modulok, amelyek ilyen típusú fénysugarat bocsátanak ki. Ezekben található a dióda, valamint a modul vezérlésére szolgáló kiegészítő elektronika. A lézermodulok általában azonos méretű hengeres formában készülnek. Ezenkívül fontos figyelembe venni az olyan paramétereket, mint a teljesítmény, a tápfeszültség, a szín és még a kibocsátott sugár típusa is. Az optikai fejek használatának köszönhetően a lézermodul képes klasszikus egyenes fénysugarat, de ellipsziseket, kereszteket és fényvonalakat is kibocsátani. Az ilyen típusú elemeket gyakran használják az ipari automatizálásban, különösen fénysorompók létrehozására.

2. ábra Lézermodul: FP-D-650-1-C-F (https://www.tme.eu/hu/katalog/lezermodulok_112303/)

Optikai szálak

A lézertechnológiához köthetjük az optikai szálakat is. Ez nem meglepő, hiszen mindkét megoldás hasonló elvek alapján működik. Az optikai szálak, amelyek valójában üvegszálból készült, félig átlátszó szerkezetek, lehetővé teszik a fény mint információhordozó továbbítását. A fény forrása – amelyben az információ tárolásra kerül – lehet a korábban említett lézerdióda, vagy bizonyos esetekben a klasszikus LED is. Az optikai szálak kiválasztásakor érdemes tudni, hogy nem egy teljesen univerzális szerkezetről van szó, mivel ezt egy adott típusú átvitelhez igazítják.

3. ábra Üvegszálas pigtail: FIBRAIN-PIG-001 (https://www.tme.eu/hu/katalog/patchcord-ok-es-optikai-igtaile-k_113341/)

Lézeres érzékelők

Egy másik típusú eszköz, amelynek működése lézersugáron alapul, mindenféle lézeres távolságérzékelő. Ezeket a kis szerkezeteket általában az ipari ágazatban használják, ahol a gépegységek vezérlőelemeként működnek. Az ilyen érzékelő működési elve meglehetősen egyszerű. Fénysugarat bocsát ki, amely, ha egy felderített tárgyról visszaverődik, egy fotóelektromos elemhez jut, amely megfelelő jelet küld például egy PLC-nek. Általában a fényadó és a vevő egyetlen házban van elhelyezve, de léteznek olyan szerkezetek is, ahol ezek két különálló elemből állnak. Ezzel a megoldással lehetővé válik például egy LCD-modul felderítése, amely a gyártósoron való mozgás közben elvágja az adó által kibocsátott lézersugarat.
A lézerérzékelőket számos paraméter jellemzi, többek között hatótávolság, kimeneti konfiguráció, működési módok, ház típusa, frekvencia, védettségi osztály vagy ház anyaga. A megfelelő érzékelő kiválasztásakor érdemes figyelembe venni minden felsorolt szempontot.

4. ábra Távolságérzékelő: HG-C1200-P (https://www.tme.eu/hu/katalog/czujniki-i-przetworniki_100249/?mapped_params=2193:1498893;)

Fotodiódák

A fénysugarat érzékelni képes elemek például a fotodiódák. Ezeket a kis félvezető elemeket olyan házakban helyezik el, amelyek egyik fala átlátszó, így a lézerfény közvetlenül az elem szilíciummagjára esik. Más diódákhoz hasonlóan a fotodióda is egy P-N átmeneten alapul, amely elnyeli a ráeső fényt. Ennek eredményeként elektronok lépnek a vezetési sávba, növelve az elemen átfolyó áramot.
A fotodiódák THT furatszerelési technológiával és SMD felületre való szereléshez szánt házban is készülnek. Érdemes megkülönböztetni több olyan paramétert, amelyek fontosak az ilyen típusú diódák esetében: érzékenység (hullámhossz a pontban), látószög, be- és kikapcsolási sebesség és teljesítmény.

5. ábra Fotodióda: BPW20RF (https://www.tme.eu/hu/katalog/fotoelemek_100140/)

Lézerpirométerek

A lézerek elektronikai felhasználásának ismertetésekor az elektronikai modulok és elemek mellett érdemes kiemelni a lézertechnológián alapuló kész eszközöket is. Ezek közé például a lézerpiro­méterek tartoznak, amelyek érintés nélküli hőmérsékletmérők. Működésük a vizsgált tárgy által kibocsátott infravörös sugárzás hullámhosszának mérésével történik, amelynek értékét aztán hőmérsékletre alakítják át. Ezenkívül az ilyen készülékeket gyakran egy kiegészítő vörös lézerrel is felszerelik, amelynek sugara mutatja a mérési pontot.

6. ábra Pirométer: FLK-62MAX (https://www.tme.eu/hu/katalog/pirometerek_112632/)

Lézeres távolságmérők

Egy másik példa a lézertechnológiát alkalmazó mérőeszközökre a lézeres távolságmérő. Ez a fajta eszköz lehetővé teszi egy objektum tőlünk való távolságának egyszerű mérését, ezért népszerű megoldás az építőiparban, a földmérésben, de a karbantartási részlegekben is. A készülék egy fénysugarat bocsát ki, amely visszaverődve visszatér, és egy fotodiódába érkezik. A távolságmérő ezután a távolságot az elküldött és a fogadott fény közötti fáziseltolódás alapján határozza meg. Működésében némileg hasonlít a lézeres távolságérzékelőkhöz.

7. ábra Távolságmérő: LM50A (https://www.tme.eu/hu/katalog/tavmerok_112643/)

Lézeres tachométerek

A tachométer egy olyan eszköz, amely lehetővé teszi a fordulatszám (RPM – Revolutions Per Minute) egyszerű és pontos mérését. A mérés érintésmentesen történik, és szintén lézertechnológián alapul. A működés hasonló a korábban említett eszközöknél már leírtakhoz – a fénysugár egy forgó elemre esik, és részben visszatér, amikor visszaverődik egy fényvisszaverő elemről. A készülék számolja a visszaverődések számát, és ezek alapján határozza meg a fordulatszámot.

8. ábra Tachométer: RPM33 (https://www.tme.eu/hu/katalog/tachometerek_112644/)

Vonalkódolvasók

A vonalkódolvasó egy olyan eszköz, amellyel mind az üzletekben, mind a raktárakban vagy a gyártóüzemekben találkozhatunk. Ennek működése szintén lézeren alapul. Minden ilyen típusú szkenner működése két elemen alapul: egy lézerdiódán vagy egy nagy fényerejű LED-en és egy fotodetektoron. A dióda egy fénysugarat bocsát ki, amely egy szórólencsére esik. Ha egy vonalkód a szórt fény útjába kerül, a fény visszaverődik, de csak a kód fehér részeiről, a sötét vonalak elnyelik az összes fényt. Elmondható, hogy a vonalkódoknál valójában a vonalak közötti mezők kerülnek felderítésre. A vonalkód által visszavert és a felaprózott fénysugár egy fotodetektorhoz jut, amely a kísérő elektronikával együtt a visszavert fényt elektromos impulzusokká alakítja át, amelyeket aztán például a pénztárgépet működtető számítógéphez továbbítanak.

9. ábra Vonalkódolvasó: QOLTEC-50860 (https://www.tme.eu/hu/katalog/raktari-berendezesek_100455/?params=1560:1889277_keszulek-tipusa:vonalkod-olvaso)

A felsorolt eszközök és elemek természetesen nem az összes, a TME katalógusában szereplő, lézertechnológiával kapcsolatos termék. Azonban a kínálatnak már ez a töredéke is mutatja, hogy mennyire sokoldalú a felhasználása, és milyen sok szempontból hasznosnak bizonyul.

TME Hungary Kft.
1146 Budapest, Hungária körút 162.
Tel.: +36 1 220 67 56
E-mail: Ez az e-mail-cím a szpemrobotok elleni védelem alatt áll. Megtekintéséhez engedélyeznie kell a JavaScript használatát.
https://www.tme.eu/hu/news/library-articles/page/53333/lezerdiodak-fotonok-lezermukodes-az-elektronikaban/