Замена лазерных диодов на светодиоды и наоборот

Светоизлучающие диоды (светодиоды) - это, пожалуй, самые хронические электронные компоненты всех времен, которые находят больше применений в минуту и ​​наиболее быстро развиваются. Лазерные диоды также подходят для многочисленных применений и занимают прочное место в сообществе дизайнеров. И оба продукта были вокруг достаточно долго, чтобы сказать, что они здесь, чтобы остаться.

Лазерные диоды и светодиоды оба находят первоначальное применение в качестве источников света; однако они различаются по размеру, цене и мощности. Эти различия сужаются, и светодиоды начинают показывать себя в качестве жизнеспособной альтернативы почтенному лазерному диоду. Давайте кратко рассмотрим как индивидуально, так и затем, как они взаимозаменяемы.

Лазерные диоды

Датчики 2019 хитов Силиконовой долины 25-27 июня!

Присоединяйтесь к более чем 7 000 инженеров в июне этого года в Сан-Хосе на крупнейшем событии индустрии сенсоров! Более 65 технических сессий, более 100 ведущих докладчиков, 10 новых и обновленных треков и более 300 интерактивных экспонатов дают больше возможностей, чем когда-либо, присоединиться к этой быстро развивающейся отрасли и технологиям, которые ее развивают. Смотрите тысячи новейших технологий в действии, узнавайте о новейших приложениях и устанавливайте бесценные партнерские отношения на единственном мероприятии, посвященном датчикам, связям и системам.

У лазерных диодов и светодиодов есть по крайней мере одна общая черта: они оба генерируют свет (рис. 1). Проще говоря, лазерный диод - это усилитель света, способный излучать узкий сфокусированный луч света. Монохроматические по природе лазерные диоды имеют апертуру, которая фокусирует неколлимированный свет в овальный конус, имеющий ширину примерно 0,6 мм на кончике конуса и расширяющийся до примерно 120 мм на расстоянии 15 м. Типичные углы конуса колеблются от 12 ° до 30 °.

ИНЖИР. 1: Лазерные диоды и светодиоды имеют несколько общих черт, наиболее очевидным из которых является их общая способность выступать в качестве источника света. Это видно по их схематическим обозначениям.

В зависимости от компонента уровни мощности света варьируются от нескольких милливатт (мВт) до сотен ватт. Например, использование лазерного диода в качестве источника света для функций ввода с помощью сенсорного и указывающего устройства требует маломощной мощности, в то время как лазер для резки стекла или хирургических работ может потребовать пару сотен ватт.

По существу, полупроводники, лазерные диоды подразделяются на две категории: лазеры с инжекцией (ILD) и полупроводниковые лазеры с оптической накачкой (OPSL), обе из которых являются жизнеспособными в качестве источника света во многих применениях. Типичный ILD имеет длинный узкий канал с отражающими концами для направления и фокусировки света. Он работает как светодиод в том смысле, что излучение света зависит от тока, протекающего через PN-переход, однако оно отличается способностью удерживать и фокусировать свет и способностями к меньшей мощности. Вместо PN-перехода OPSL стимулируют полупроводниковую микросхему III-V для генерации оптического усиления и лазера, скорее всего, ILD, в качестве накачки света. Преимущества OPSL - лучший выбор длины волны и отсутствие помех от внутренних электродов.

Существует также несколько популярных типов лазерных диодов. К ним относятся двойные гетероструктурные лазерные диоды, которые упаковывают слой материала с низкой шириной запрещенной зоны между двумя слоями материала с высокой шириной запрещенной зоны. Типичные материалы включают арсенид галлия (GaAs) и арсенид алюминия-галлия (AlGaAs). Другие типы лазеров включают одно- и многоквантовую яму, гетероструктуру с раздельным ограничением и лазерные диоды с распределенной обратной связью.

Вероятно, наиболее распространенными и популярными типами являются лазерные диоды с вертикальным резонатором (VCSEL) и вертикальные лазерные диоды с внешним резонатором (VECSEL). VCSEL доставляют высококачественный луч света в направлении, перпендикулярном пластине. Выход составляет несколько милливатт. В мощных конструкциях VECSEL представляют собой полупроводниковые лазеры с внешней накачкой и оптической накачкой, генерирующие много ваттные выходы с более высоким качеством луча, чем VCSEL.

Для применений в качестве источника света длина волны лазерного диода является одной из наиболее важных характеристик. В зависимости от материала лазера, длина волны обычно колеблется от 405 нм для лазера сине-фиолетового цвета нитрида индия-галлия (InGaN), обычно используемого в дисках Blu-ray Disc и HD DVD (рис. 2), до 3330 нм для мышьяка сурьмы галлия ( GaSbAs) лазеры, используемые для газоанализаторов (рис. 3). Типичные цифры для изменений длины волны относительно приложенного напряжения составляют приблизительно от 0,1 до 0,5 нм / ° C, в зависимости от типа компонента и его частоты.

ИНЖИР. 2: Лазер сине-фиолетового цвета с нитридом индия-галлия (InGaN) с длиной волны 405 нм находит жизнеспособное применение Blu-ray Disc, HD DVD и аудио CD приводы. Типичная сборка появляется справа.

ИНЖИР. 3: Похожий на другие типы лазерных диодов, этот лазерный диод с длиной волны 3200 нм подходит для газочувствительных применений.

светодиоды

Светоизлучающие диоды (светодиоды) намного проще, чем лазерные диоды, и имеют несколько общих характеристик, включая их полупроводниковое происхождение и способность выступать в качестве источника света. Светодиоды также, в некотором смысле, более универсальны. С одной стороны, светодиоды работают с более широким спектром основных приложений, и большинство людей лучше осведомлены о светодиодах, чем о лазерных диодах.

В то время как лазерные диоды фокусируют свет в виде тонкого конического луча, светодиоды рассеивают свет еще более широким рисунком вокруг своих куполов (рис. 4). Как далеко рассеивается свет, зависит от размера и мощности светодиода, т. Е. Чем больше и мощнее, тем больше расстояние и дисперсия. Однако это не означает, что они не могут точно сфокусировать свет. Доступны различные корпуса и компоненты, такие как световые трубки, которые направляют светодиодный свет с почти точной точностью (рис. 5). Различные модули, такие как световой коллиматор, также доступны на рынке (рис. 6).

ИНЖИР. 4: Анатомия стандартного светодиода, свет широко рассеивается от верхней части (купола) компонента.

ИНЖИР. 5: световод направляет светодиодный свет от платы, на которой он находится, на внешнюю плату.

ИНЖИР. 6: этот коллиматор фокусирует светодиодный свет в соответствии с требованиями приложения.

Полупроводниковый источник света, светодиоды доступны в трех типах: малой мощности (от 2 мА до 20 мА), средней мощности (от 100 мА до 1 Вт) и высокой мощности (от 1 Вт до 3 Вт и выше на горизонте). Длины волн не доходят до лазерных диодов; Светодиоды простираются от менее 400 нм (ультрафиолетовые) до 760 нм (инфракрасные). В диапазоне от 400 до 760 нм компоненты доступны в различных цветах: белый, фиолетовый, фиолетовый, синий, зеленый, желтый, оранжевый и красный. Что-то, что не делается с лазерными диодами, если требуются другие цвета и / или оттенки, можно смешивать цвета светодиодов для достижения уникального оттенка или цветового изменения. Например, поскольку смешивание синего и желтого цветов приводит к зеленому цвету, пользователи могут получать различные оттенки и оттенки зеленого, изменяя интенсивность или количество синих или желтых светодиодов (рис. 7).

ИНЖИР. 7: Вы можете смешивать светодиоды для достижения определенного цвета или оттенка. В этом случае синий и желтый светодиоды смешиваются, и их интенсивность варьируется для достижения различных оттенков зеленого.

Лазеры и светодиоды также имеют сходную косметику. Типичные светодиодные материалы включают селенид цинка (ZnSe), нитрид индия-галлия (InGaN), карбид кремния (SiC), кремний (Si), арсенид галлия (GaAs), арсенид алюминия-галлия (AlGaAs) и другие. Кроме того, по большей части оба компонента генерируют свет, пропуская ток через PN-переход.

Не совсем готовы в качестве лазерной альтернативы, но нуждаются в кратком упоминании органические светодиоды (OLED) и светодиоды с квантовыми точками. В настоящее время OLED не могут достичь необходимого более высокого уровня мощности и стоят дороже, чем стандартные светодиоды. Квантовые точки - это полупроводниковые нанокристаллы, которые можно настраивать в видимом диапазоне инфракрасного спектра. Поэтому светодиоды с квантовыми точками могут создавать практически любой цвет. Светодиоды с квантовыми точками, все еще находящиеся на чертеже, имеют большие перспективы для новых приложений.

Приложения для легких источников

Основные области применения светодиодов включают генерацию света для индикаторов (вкл / выкл, различных функций и т. Д.), Общего освещения (освещение дома, в офисе, на заводе и т. Д.) И вывесок (светофоры, рекламные щиты, информационные киоски и т. Д.). ). Эти компоненты также обеспечивают подсветку в телевизорах с плоским экраном и, как полагают некоторые, фактически будут формировать все пиксели, необходимые для дисплея высокой четкости.

Светодиоды обеспечивают свет в различных цветах от инфракрасного до ультрафиолетового для измерительных и измерительных приборов, оптоволокна, компонентов для модификации звука, указательных и сенсорных устройств, измерительных цепей и многого другого. Они также могут быть использованы в качестве фотодиодов, способных излучать и обнаруживать фото. В последнее время светодиоды становятся экономически выгодной альтернативой лазерным диодам в определенных применениях.

Помимо световых шоу, указателей и других новаторских приложений, лазерные диоды находят серьезное применение в качестве источника света для волоконно-оптической связи, набора контрольно-измерительных приборов и считывателей штрих-кодов. Они также проливают свет на сканеры изображений и высокоскоростные принтеры с высоким разрешением.

Инфракрасные и красные лазерные диоды излучают свет через отверстия в компакт-аудио дисках, компакт-дисках и бесчисленных DVD-дисках с их различными форматами, которые представляют цифровую аудио / видео информацию. Хотя и не для углубленного рассмотрения здесь, но стоит добавить к резюме, мощные лазерные диоды могут резать металлы, деликатно обрезать драгоценные металлы и драгоценные камни в изысканные украшения, и выполнять стоматологические и хирургические работы с предельной легкостью, точностью и безопасность.

LED против лазерного диода

Прежде чем идти дальше, светодиодам нужно пройти несколько миллионов миль, прежде чем они смогут соответствовать мощности мощных лазерных диодов. Поэтому вы не будете резать бриллианты или выполнять аппендэктомию со светодиодом в ближайшее время. С учетом сказанного, есть много приложений с низким и средним энергопотреблением, для которых светодиоды являются кандидатами в качестве заменителей лазера.

Волоконно-оптические системы

Основной продукт волоконно-оптических систем связи, лазерные диоды преобразуют электрические сигналы в свет и вводят его в оптоволоконный кабель. Поскольку лазеры могут точно фокусировать свет, они идеально подходят для этого применения, однако светодиоды прошли долгий путь со времени их работы в качестве индикаторов включения / выключения.

Предлагая те же длины волн, которые необходимы для передачи по волокну, светодиоды имеют значительные преимущества перед лазером. К ним относятся меньший вес, меньшая занимаемая площадь, простота установки, небольшие светоизлучающие участки, совместимые с волокном, высокая яркость, низкая температура, длительный срок службы и, самое главное, более низкая стоимость. В таблице 1 приведено базовое сравнение характеристик светодиодов и лазерных диодов (таблица 1).

Одним из примеров светодиодов для оптоволоконных приложений является IF-E97 от Industrial Fiber Optics (http://i-fiberoptics.com). Компонент задает типичную пиковую длину волны 660 нм, максимальную выходную мощность, связанную с пластиковым волокном с сердечником диаметром 1 мм, равным 425 мВт, и максимальное прямое напряжение 2,1 В (рис. 9).

ИНЖИР. 9: Подходит для волоконно-оптических приложений вместо лазерного диода, светодиод IF-E97 обеспечивает пиковую длину волны 660 нм, максимальную сопряженную выходную мощность 425 мВт.

В отличие от IF-E97, лазерные компоненты (http://www.lasercomponents.com/us/) с красными излучающими лазерными диодами красного цвета Wonder от 635 нм до 690 нм с минимальной выходной мощностью от 10 мВт (рис. 10). Несмотря на то, что он способен работать с большей мощностью, чем IF-E97, в широком диапазоне применений можно легко использовать менее дорогой светодиод. Одна из причин заключается в том, что если вам нужно больше света от светодиода, используйте более высокий, хотя и импульсный, прямой ток.

ИНЖИР. 10: Узлы лазерных диодов часто имеют размеры, аналогичные светодиодным, что делает замену или замену довольно простой.

Кроме того, в большинстве случаев корпуса для лазерных диодов и светодиодных сборок аналогичны. Модификации печатных плат, хотя они и не являются полностью заменяемыми и заменяемыми, часто довольно просты.

Светодиодная или лазерная печать

Такие компании, как Oki Data и Panasonic, уже несколько лет продвигают светодиодную печать. Дизайнеры OKI Data считают, что цифровые светодиодные источники света намного превосходят лазерные системы. Они утверждают, что источник с несколькими светодиодами состоит из тысяч отдельных твердотельных источников света, которые светятся через фокусирующие линзы на поверхность барабана. Поскольку матрица простирается прямо через барабан, процесс устраняет все ошибки параллакса и ошибки синхронизации.

Обе компании согласны с теорией, что меньший размер точки приводит к более высокому разрешению. Они представляют собой хороший пример, поскольку лазерные головки могут создавать точки размером около 60 мкм, в то время как цифровая светодиодная технология позволяет получать точки размером до 34 мкм.

В лазерных и светодиодных принтерах используется та же технология электрофотографии, что и в фотокопировальных устройствах. Выдержанный и проверенный, светодиодный или лазерный, электрофотографический процесс требует нескольких этапов. Для запуска фотопроводящая пластина заряжается статическим электричеством. Во-вторых, механизм подвергает пластину оптическому изображению с помощью света. Когда части пластины селективно разряжаются, на ее поверхности образуется изображение.

Этап разработки включает в себя распределение тонкого порошка (тонера) по выборочно разряженной пластине. Тонер прилипает к заряженным областям и образует напечатанное изображение. Затем электростатическое поле переносит изображение на светочувствительной поверхности на лист бумаги, и, наконец, изображение постоянно сливается с бумагой, используя нагрев и давление.

Лазерные и светодиодные принтеры различаются по конструкции и процессам сканирования (рис. 11). Подобно сканированию электронным лучом, используемому в ЭЛТ, лазерные принтеры используют лазерный луч и сборку сканера для формирования изображений по одному биту за один раз на фотопроводнике. Контроллер модулирует лазерный луч и направляет его через линзу на многоугольное зеркало. Луч отражается от зеркала и проходит через систему сканирующих линз, которая обрабатывает и корректирует луч, а затем сканирует его на фотопроводник.

ИНЖИР. 11: вид бок о бок лазерного (слева) и светодиодного (справа) принтеров показывает, что светодиодный принтер использует меньше деталей, чем его лазерный аналог.

В качестве альтернативы светодиодные принтеры используют массив маленьких светодиодов для генерации изображения, что устраняет необходимость в сканере. Это также приводит к гораздо меньшему количеству движущихся частей.

Один недостаток - немного медленная печать со светодиодами. В настоящее время лазерные и светодиодные технологии стоят на одном уровне, но цены на светодиоды падают, поэтому можно ожидать снижения цен на принтеры. Еще раз, светодиод оказывается жизнеспособной заменой лазера.

Светодиоды и лазеры сотрудничают

Точно так же, это не всегда тот случай, когда технология лучше, светодиодные и лазерные технологии могут работать вместе как источник света, обеспечивая лучшее из обоих миров. Одним из примеров является система источников света NanoLED от Horiba Scientific ( http://www.horiba.com ).

Система состоит из контроллера NanoLED-C2 и ряда сменных лазерных диодных и светодиодных головок (рис. 12). Доступны два контроллера NanoLED: настольный модуль NanoLED-C2 для автономной работы и модуль контроллера FluoroHub с дополнительной программной платой с программным управлением FluoroHub-NL.

ИНЖИР. 12: NanoLED компании Horiba Scientific предлагает лазерные диодные и светодиодные источники в одной системе.

Светодиодные источники генерируют наносекундные (нс) импульсы, в то время как лазерные диодные источники генерируют пикосекундные импульсы. Также доступны версии с высокой интенсивностью лазерных диодов, которые генерируют импульсы длительностью около 1 нс.

Используя технологии лазерных диодов и светодиодов, NanoLED генерирует короткие оптические импульсы до 70 пикосекунд (пс) в диапазоне частот повторения до 1 МГц и длин волн. В зависимости от модели длины волн варьируются от 375 нм ± 10 нм при <200 пс (модель N-375L) до 1310 нм ± 20 нм при <500 пс (модель N1310L). Дополнительные функции включают в себя регулируемую фокусирующую линзу, неполяризованные выходы и ширину импульса ниже 370 нм для некоторых светодиодов, доступных по запросу.

Одним из многих высокопроизводительных применений для этой системы является использование лазеров и светодиодов в прототипе, чтобы определить, какая из двух технологий лучше всего подходит для проектирования. Другие приложения многочисленны. Они включают в себя возбуждение со счетчиком времени по одиночным фотонам (TCSPC), флуоресцентную спектроскопию, тестирование отклика детектора, секвенирование ДНК, а также для замены лазеров с синхронизацией мод и импульсных ламп в недорогих или портативных приложениях.

Помощь по адаптации доступна

Говоря об адаптации лазерных систем для работы со светодиодами, и наоборот, есть компоненты, позволяющие избавиться от боли и пота. Thorlabs ( http://www.thorlabs.com ) - это одна компания, предлагающая несколько монтажных компонентов для обоих типов источников света.

Для светодиодов в оптоволоконных приложениях крепление LEDMF поддерживает пакеты T1-3 / 4 или TO-18 с использованием входящего в комплект переходного кольца (рис. 13). Крепления светодиодов S05LEDM и S1LEDM имеют резьбу SM05 (0,535 "-40) и SM1 (1,035" -40) соответственно и удерживают упаковки TO-18, TO-39, TO-46 или T1-3 / 4 с помощью прилагаемого адаптера кольца. Внешняя резьба позволяет использовать их в широком спектре SM05 или SM1-совместимой оптомеханики, включая крепления Kinematic, трубки объектива, трансляционные крепления XY, 16-мм пластины сепаратора (SM05-совместимые) и 30-мм пластины сепаратора (SM1). -Совместим).

ИНЖИР. 13: Для оптоволокна и других конструкций крепление Thorlabs LEDMF поддерживает пакеты светодиодов T1-3 / 4 или TO-18.

Поддерживая лазерные диоды, S05LM9 и S1LM9 устанавливают 5,6-мм или 9-мм лазерные диоды непосредственно в системы трубок объектива SM05 или SM1 соответственно (рис. 14). Оба компонента поставляются с одним алюминиевым адаптером и двумя черными стопорными кольцами. Для легкой сборки установок на основе трубок объектива лазерный диод выравнивается по оптической оси трубки объектива.

ИНЖИР. 14: Как показано на рисунке, S05LM9 и S1LM9 монтируют 5,6-мм или 9-мм лазерные диоды непосредственно в системы трубок объектива SM05 или SM1.

Сохранение самого последнего

Наконец, вероятно, наиболее привлекательным преимуществом использования светодиодов вместо лазерных диодов является фактор безопасности. На данный момент светодиоды не должны отвечать требованиям безопасности глаз, общим для лазерных диодов. Это снижает некоторые затраты на тестирование и устраняет необходимость маркировки сборки в соответствии с указанными стандартами безопасности. По мере того как светодиоды становятся все более мощными, а методы фокусировки развиваются еще точнее, вскоре им может потребоваться определенная работа, чтобы определить, насколько они безопасны, но до тех пор ничего не происходит.

Существует гораздо больше применений, в которых традиционно используются лазерные диоды в качестве источника света, где светодиоды оказываются более эффективными, более надежными, долговечными и более дешевыми. На данный момент кажется, что основная часть возможностей роста лежит на рынках здравоохранения и медицины. Несмотря на то, что это выходит за рамки данной публикации, один пример заслуживает краткого упоминания: оптогенетика.

Относительно новая область исследований, начиная с 1999 года, оптогенетика пытается использовать источник света для избирательного и точного контроля активности нейронов в определенных клетках человеческого мозга. По данным организации Open Optogenetics, «для применения в оптогенетике светодиоды превосходят лазеры практически во всех отношениях. Они дешевле, меньше, надежнее и проще в управлении. Они вписываются в имплантаты, обеспечивая беспрепятственную доставку света. Но их основным недостатком является сложность подключения их световода к оптоволоконному кабелю с высокой эффективностью. Хотя отдельные светодиоды могут излучать до 5 Вт света, свет распространяется во всех направлениях, а не в когерентном луче ». Надеемся, что некоторые из представленных здесь инструментов могут помочь устранить эти недостатки. ~ MD

Похожие