3. Fejezet. A dióda típusai, felhasználási területei

A diódák felhasználása igen sokrétű.

Szinte minden egyenfeszültséget váltakozó

áramú hálózatból előállító eszközben megta-

lálható az egyenirányító, melynek tipikus alap-

elem a teljesítmény dióda.

Hasonló funkciót töltenek be, de im-

már a nagyfrekvenciás jelkezelésben a nagy se-

bességű kapcsolódiódák is.

A nem kívánt feszültségingadozás (za-

var vagy búgófeszültség) kiküszöbölésére

használt feszültség stabilizátorok referenciafe-

szültségét általában a Zener dióda állítja be. Rádióhullámú rezgőkörök elektroni-

kus hangolásában például a kapacitásdióda se-gédkezik. Hasonlóan nagyfrekvenciás rezgéskel-tésre alkalmazható az alagútdióda. Az ideális diódaműködést precíziós és nagysebességű eszközökhöz jól mintázza a Schottky-dióda. A szupresszor dióda a túlfeszültség-védelem fontos, nagy teherbírású és gyors esz-köze. A fotodiódák a fény detektálásához és méréséhez nyújtanak elektronikai fogódzko-dót számos hullámhossz tartományon. A LED-ek koruk talán legdivatosabb fénykibocsátó eszközei; jelzőfények, jeladók, orvosi műszerek, a száloptikai alkalmazások,

szórakoztató elektronikai eszközök, világítás-technika és más számtalan alkalmazás alap-eleme. A lézerdióda – hasonlóan a LED-hez – mára az ipar kimagaslóan fontos és szerves részévé vált: harcászati technológiák, űrtech-nika, ipari anyagmegmunkálás, 3D-nyomtatás, a gyógyászat és szépségipar előszeretettel al-kalmazza.

3 Diódatípusok

Amiről szó lesz

Miután megtanulta ezt a fejezetet, ismernie kell:

3.1. Típusok - Egyenirányító dióda - Kapcsoló dióda - Kapacitásdióda - Zener dióda

- Szupresszor dióda - Alagút dióda - Schottky dióda Fotodióda - LED - Lézerdióda

21

3.1. Típusok

Egyenirányító- vagy teljesít-

ménydióda (rectifying- or

power diode).

Tápegységekben, váltakozó feszültség egyenfeszültséggé alakítása során használatos. Rövid ideig (impulzus üzemben) nagy áramo-kat képes elviselni. Általában szilíciumalapú, feléledési ideje hosszabb (10-100 ns).

36. Egyenirányító és teljesítménydiódák.

Nagyobb teljesítmények (>50 A) ese-tén általában fémtokot és menetes csatlakozó-aljzatot használnak. Ilyen esetben szinte vala-mennyi esetben célszerű már a célalkalmazás tervezési szakaszában a megfelelő nagyságú fém (általában alumínium) hűtőbordát az áramköri rajzban figyelembe venni.

A fém borítás a melegedést, a menetes (nagyobb) csatlakozási felület pedig a kontak-tus ellenállását csökkenti. Jelölése a diódák ál-talános jelölésével egyező.

Nagyfrekvenciás kapcsolódi-

óda (switching diode).

Nagy sebességű kapcsolási- és kis fel-éledési idő (10-100 ps) jellemzi.

Leginkább rádiófrekvenciás jelek egyenirányítására és kisteljesítményű jelfor-máló alkalmazásokban gyakori.

37. Kapcsolódiódák hagyományos és SMD kivitelben.

Alacsony áramot képes elviselni, de lé-tezik nagyfeszültségű kivitelben is. Jelölése a diódák általános jelölésével azonos.

Kapacitásdióda, varaktor

varikap, (capacity diode,

varactor, varicap). Záró irányban előfeszítve használják.,

ekkor a kiürített réteg széles, a szabad töltés-hordozók a kristály anód és katód megfelelő térfelére szeparálódnak.

38. Kapacitásdióda SMD és hagyományos tokozással. Középütt a

két diódát is tartalmazó „duál” kiszerelés látható (3 lábbal).

A fejezet néhány fontosabb új fogalma

PIN struktúra. Az egyik legelterjedtebb diódastruktúra. A PN átmenet „közepén” a célnak megfelelő szélességű intrinszik réteget alakítanak ki. A szigetelő jelleg növeli a PN-átmenet tűrését az előfeszítés nagyságára nézve, nagyobb fe-szültséggel pedig a működés gyorsítható.

Feléledési idő (recovery time). A dióda teljesen zárt és teljesen nyitott állapota közötti átmenethez szükséges idő. A teljesítménnyel növekvő jellegű.

Elektronikus zaj. Többnyire termikus eredetű, a töltés-hordozók szabálytalan véletlenszerű mozgásából eredő feszültségingadozás. Spektruma jórészt fehérzaj, mely alacsonyabb frekvenciák felé 1/f-zajjá hajlik. Főleg szénréteg ellenállások esetén figyelhető meg, de a vélet-lenszerű vezetési jelenségek kapcsán diódával is előál-lítható.

SMD tokozás. Elektronikus eszközök egyfajta kiszere-lési formája. Jellemzője a néhány milliméteres mérettarto-mány.

cd. Candela – a fényesség egyfajta mértéke, nagyjából egy gyertya fényességével azonos (1 cd a 555 nm-es fényforrás 1/683 W/sr teljesítményű sugárzásának fényessége, ponto-sabban „fénysűrűsége”). Fontos, hogy ne keverjük a Lu-men-nel, mely az adott gömbi térszögbe kisugárzott fény-teljesítményt jellemzi [cd⋅sr].

Dióda driver. Általában SMD alkatrészekből összeállí-tott kisméretű áramkör, mely a dióda számára hő-kompen-záló megoldások alkalmazásával stabil munkapontot biz-tosít..

22

Ennek a kondenzátorhoz hasonló struktúrának feszültséggel – többnyire hiper-bolikus skálán - szabályozható a kapacitása 0.1-100pF. Általában 50-500 MHz-es rezgő-körök (TV, URH) hangolására alkalmazzák.

Zener-diódák (Zener diode)

Olyan különleges dió-dák, melyek a letörési tarto-mányban károsodás nélkül használhatók, ter-mészetesen a záróirányú áram megfelelő kor-látozása mellett.

39. Zener diódák tipikus munkatartománya

A letörési tartomány rendkívüli mere-deksége az áram nagyobb megváltozásához alig mérhető feszültségváltozást rendel, azaz itt a dióda képes akár ugrásszerűen megnöve-kedett áramot is úgy elvezetni, hogy a dióda feszültsége alig változik. Kiválóan alkalmas fe-szültségstabilizáló és –korlátozó, referencia fe-szültég szolgáltató kapcsolások létrehozására.

40. Zener diódák. Nagyobb teljesítmények esetén itt is jellemző

a fémtokozás és menetes csatlakozási lehetőség.

A letörési tartományt párhuzamosan megjelenő véletlenszerű folyamatok jellemzik (lavina effektus, erős szennyezések elektro-sztatikus emissziója), emiatt a Zener-dióda kismértékű elektronikus zajt is megjelenít, sőt, akár zajgenerátorként is használható.

Ha ez a tulajdonság nem kívánatos és nem is elhanyagolható, a jel utólagos szűrésé-ről gondoskodni kell (pl. kondenzátoros szű-rés („hidegítés”).

Szupresszor diódák (Supressor diode)

A szupresszor diódát a túlfeszültség-védelem finom fokozataiban alkalmazzák. Működésében a Zener-diódára emlékeztet, hirtelen impulzusszerű feszültség-ugrások számára rövidzárként viselkedik, eze-ket jól tűri (akár 1 kW-ot is elvisel 1ms impul-zusszélességig), de állandó terhelésnek nem te-hető ki.

Túlfeszültség esetén rövidzárat jelenít meg leválasztva a párhuzamosan kötött vé-dendő hálózatot. A betáplálás oldala felől nézve ugyanekkor az olvadóbiztosító old le egy bizonyos idő után.

41. Szupresszor diódák

A szupresszor dióda a hagyományos Zener-diódával szemben rövid ideig nagyobb áramterhelhetőséggel bír és jelentősen gyor-sabb is, kevesebb, mint 1 ps a válaszideje.

A gyors reakcióidő különösen a veze-tékeken érkező sorozatos vagy olyan egyedi tűimpulzusok esetén jelent előnyt, amelyek Zener-diódával nem nyomhatóak el. Az esz-köz saját kapacitása nem elhanyagolható, így alkalmazása esetén magasabb frekvenciákra csillapítás várható.

23

Alagútdióda (tunnel diode).

Erősen szennyezett, túl-adalékolt p-n rétegeket tartal-maz, mely az átmenet körüli kiürített réteget elvékonyítja, erős és meredek potenciállépcsőt építve fel.

A nagy potenciálkülönbség külső fe-szültség nélkül is létrehozza a Zener-effektust, mely a kiürítési réteget tovább csökkentené. Ám ezzel párhuzamosan a térerő képes az N-oldal elektronjaiból egyeseket a P-oldalra „tépni” azaz az oldalak között lyuk-elektron párt cserélni. Bár ez a folyamat nem jöhetne létre, az alagút effektus révén (energetikailag kevésbé valószínű folyamatok véges valószí-nűséggel mégis bekövetkeznek) ez tart egyen-súlyt a Zener-effektus áramával.

A dióda különleges működése a nyitó-irányú karakterisztikáján is megmutatkozik; alakja rendhagyó, olyan szakasszal is rendelke-zik, amihez negatív dinamikus ellenállás ren-delhető(!).

Ez a tartomány erősítésre, gyors kap-csolások (ps), több 10 GHz-es rezgések meg-valósítására használható.

Schottky dióda (Schottky diode).

Speciális belső felépítésű, fém-félvezető átmenetet tartalmazó, Ge alapú esz-köz. Tulajdonságaiban az ideális diódát legin-kább megvalósító típus. Szivárgó árama és fel-éledési ideje elhanyagolható (egyes típusok

több GHz-ig használhatók), így a késleltetés-ből származó torzítás sem jelentős.

43. Schottky diódák és szerkezetük.

Nyitófeszültsége 0.3-0.4V, digitális áramkörökben integrált formában nagyon el-terjedt, de szokásos tokozással és SMD kisze-relésben is kapható.

Fotodióda (photodiode).

Záróirányú előfeszítés mellett alkalmazzák. Leggyak-rabban PIN (p-i-n) vagy APD (Avalanche Photo Diode – Lavina fotodiódák) szerke-zettel rendelkeznek.

A PIN diódákban az i-réteget a fel-színhez közel, azzal párhuzamosan valósítják meg, olyan anyagszerkezeti tulajdonságokkal, mely fény hatására, a beeső fotonok számával jól arányosítható módon párkeltésre képes.

A beékelt réteggel a kiürítési zónát ter-jesztik ki, amely így nagy előfeszítés mellett gyors töltéshordozók jellemzik, rövid kapcso-lási időt biztosítva. Fényhatás nélkül a záró irá-nyú feszültség a diódát zárja. Ha az átmenetbe fotonok érkeznek, a generált töltéshordozók a megfelelő polaritások felé vándorolnak, fotoáramot hozva létre (a dióda vezetni kezd). A dióda vezetőképességét végeredményben az

42. Alagútdióda és karakterisztikája.

44. PIN fotodiódák. A sötét epoxi ház általában az infravörös (IR)

fotodiódákat jellemzi. A jobbra látható (három lábú) fotodióda in-

tegrált vevőáramkört is tartalmaz.

24

i-réteg fényelektromos tulajdonságai határoz-zák meg. Esetenként az átmenetet úgy is kiala-kíthatják, hogy az fényelemként használható.

Az APD diódákat a letörési tarto-mányban, a lavina effektust kihasználva alkal-mazzák. A kiürített réteg kiterjesztését itt nem újabb réteggel, hanem még nagyobb záróirányú feszültséggel érik el.

45. Az APD fotodióda felépítése. A kiürítési réteg kiterjesztését a

speciális geometria és a magas záróirányú előfeszítés teszi lehe-

tővé.

A folyamat megfutását az aránytalan mértékben felszaporodott töltések limitálják, lecsökkentve a számukra lehetséges szabad út-hosszt. Mivel akár egyetlen elektron is végálla-potba billenthet bizonyos típusokat (Egy fo-ton lavina dióda vagy SPAD – Single Photon Avalanche Diode), így igen gyenge jelek detek-tálására alkalmas.

46. Az APD diódák néhány gyakoribb alakja.

Az APD-t leginkább a fény jelenlété-nek detektálására, mind sem teljesítményének mérésére használják. Működése nemlineáris, mert önerősítése jóval nagyobb áramot ered-ményez, mint amennyi a beeső fotonok szá-mából következne (jelek detektálásakor ennél a típusnál utóerősítőre általában nincs is szük-ség). Viselkedése a lavina effektus révén erő-sen hőmérsékletfüggő és bizonyos sztochasz-tikus elektromos zajjal is terhelt.

A járulékos termikus hatásokat az azo-nos tokba szerelt (és így azonos hőmérsékletű) kontrol diódával szabályozzák, de a tok is ren-delkezhet külön hőszabályzó rendszerrel. Fel-éledési ideje gyors, 20-50 ps. Felhasználási te-rülete hasonló a fotoelektron-sokszorozóké-hoz (photomultiplier), bár rövid fényimpulzu-sok (<10 ns) esetén az utóbbiak hatékonyab-bak.

A PIN és az APD tehát nagyjából azo-nos sebességű eszközök, alapvető különbséget az érzékenység és a stabil munkapont létezé-sének kapcsán tehetünk. Az APD nagyon gyenge jeleket képes detektálni, de analóg jel-átvitelre - szemben a PIN szerkezettel - nem alkalmas.

Fénykibocsátó diódák, LED-ek (Light Emitting Diode).

A fotodiódák inverz működését való-sítják meg. A rekombinációs folyamatok során felszabaduló energia egy része elektromágne-ses sugárzás formájában jön létre. Manapság már szinte a teljes spektrumot, a mikrométeres (infravörös) tartománytól egészen a „fekete fény”-ig, azaz nagyjából 300 nm–ig kb. 10-20 nm közökkel lefedő LED-ek kaphatók.

47. Hagyományos LED-ek

Bizonyos színeket ritka, vagy bonyo-lult reakciókapcsolatok idéznek elő, emiatt ezek ára esetenként kiugróan magas lehet (pl. bizonyos UV LED-ek). A szennyezésre jel-lemző annak elektronszerkezete, így azt ger-jesztve az anyag adott sávszélességgel jórészt

25

egy hullámhossz körül sugároz. Ezért volt ér-dekes az első fehér színű LED-ek megjele-nése, melyek a látható tartomány minden hul-lámhosszán sugároznak. Valójában ezek olyan ultraibolya LED-ek, melyek a fénycsövek el-vét követve a gerjesztett foszfor spektrumát használják a látható tartomány lefedésére.

48. A foszfor alapú fehér LED spektruma.

A spektrumban kiugró a rövidhullámú alapműködésnek megfelelő csúcs, mellyel foszforeszkálás lankás vonulata olvad össze.

Tökéletes fehér fény esetén a spekt-rum burkolója vízszintes egyenes lenne, ezt

néhány alkalmazás tervezésekor nem árt figye-lembe venni! A nyitófeszültség eltérő színek esetében kissé eltérő, az alacsonyabb hullám-hosszok felé emelkedik.

49. A LED nyitófeszültségének alakulása különböző hullámhosz-

szakon ( a bal oldali barna az infravörös, a jobb oldali szürke

görbe a fehér fényű dióda karakterisztikáját azonosítja).

A hagyományos LED-ek, két lábbal rendelkeznek, ezek közül a hosszabb láb az anód, tehát a normál működéshez ennek kell pozitívabbnak lennie.

A LED belsejében ez a két elektróda két, üllőhöz hasonló fém alkatrészen keresztül csatlakozik a félvezető lapkához. Ezek közül a kisebbik tartozik a hosszabbik lábhoz.

50. A közönséges LED felépítése.

26

A félvezető lapkát egy tükröző kúp-szelet és egy megfelelően formált epoxi bur-kolat veszi körül. Ez utóbbi jellege lehet opá-los és teljesen víztiszta is. Törésmutatója és geometriája a belső visszaverődések révén az elvárt sugárzási térszögre van optimalizálva, így az eredmény jelentősen módosulhat más közegben (pl. víz alatt, másik műanyagba öntve, stb). A kétszínű LED valójában két félve-zető lapkát tartalmaz, ezek közül vagy az egyik, vagy a másik aktív, attól függően, hogy a közös földponthoz képest melyik oldal lába pozitívabb (3 lábbal rendelkezik).

Az RGB (Red-Green-Blue) LED-ek az előzőhöz hasonló elven a három alapszínt egyszerre képesek megjeleníteni, így a szem számára tetszőleges színérzet kikeverhető. Négy- és hatlábú kivitelben létezik, aszerint hogy az egyes színeket előállított lapkák fe-szültségeit a közös földponthoz értjük, vagy egymástól függetlenül kezeljük.

A szórakoztatóiparban és irodatechni-kában terjedtek el a nagyteljesítményű világító LED-ek, melyek fényerőssége akár a 10000 cd-t is elérheti (ennyi gyertya fénye egyetlen pontban). Általában üzemeltetési feszültségük és áramfelvételük nagyobb, hűtésükről pedig minden esetben gondoskodni kell! (Pl. egy 1W-os LED kerámia burkolata hűtés nélkül alig 10-20 s alatt elérheti a100 °C-ot! )

51. Balra kétszínű-, fent és jobbra RGB-LED, középen nagyteljesít-

ményű (3W-os RGB) LED látható.

Lézerdiódák (Laser diode). (LASER - Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation)

A lézerműködéshez olyan gerjesztett állapotok folyamatos megléte („populáció in-verzió”) szükséges, amelyekből az időszako-san tárolt energia kicsatolható egy, a gerjesz-tésnek megfelelő foton segítségével.

Ha egy - eleve egy gerjesztés relaxáci-ója során keletkezett - foton által képviselt elektromágneses tér frekvenciája képes har-monizáltan kimozdítani egy újabb szerkezetet gerjesztett metastabil állapotából, a fotonnal megegyező rezgésszámú foton keletkezik. Ha ez a folyamat két párhuzamos, egymás felé részben tükröző felület között valósul meg, a kialakuló elektromágneses állóhullámok kohe-rens fénynyalábot, a lézert eredményezik (mely optika nélkül még általában széttartó).

A lézerműködés gázok esetén legtöbb-ször atomi szintű gerjesztés segítségével való-sul meg, ahol a nagy kihívást a elektronhéjak kivételesen gyors relaxációja jelenti (nagyse-bességű és nagy energiasűrűségű gerjesztések szükségesek: nagyfeszültségű, gyorsító áram-körökkel magasan kompresszált impulzusok, vagy infravörös tartomány esetén a folyamatos üzemű kisülési csövekhez magas feszültségű és áramú tápegységek).

A szilárdtest (félvezető) lézerek esetén a populáció inverziót a tiltott sáv fölötti veze-tési sávba szóródott szabad elektronok való-sítják meg, ahonnan a rekombináción keresz-tül történik meg relaxáció.

A valóságban a félvezetők sávszerke-zete a korábbi modellhez képest kissé össze-tettebb. Az elektronenergiák megengedett ér-téke függ az elektronok momentumától. A ve-zetési sávból a vegyértéksávba fénykibocsátás-sal csak olyan elektronátmenet lehetséges, ahol az elektron impulzusa lényegében nem változik, mivel a foton impulzusa (hν/c= h/λ) nagyságrendekkel kisebb. Emiatt csak olyan félvezetők alkalmasak lézerműködés megvaló-sítására, ahol a vezetési sáv alja és a vegyérték sáv teteje azonos elektronimpulzushoz tarto-zik. Ezek a direkt sávú félvezetők.

27

52. A Si indirekt, valamint a GaAs és InP direkt sávszerkezete. A

függőleges irányban a lehetséges pályák energiaszintjei, vízszin-

tes irányban az elektron impulzusa van hullámszámként (2π/λ)

ábrázolva. Bár a Si esetén a tiltott sáv szélessége kisebb, mint a

másik két esetben, mégsem lehet az indirekt sávszerkezet miatt

félvezető lézert készíteni belőle.

Néhány gyakoribb direkt sávú félve-zető sugárzási jellemzői:

Félvezető anyag hullámhossz GaAs 868 nm InP 918 nm

Ga0.7Al0.3As 650-900 nm

In1-xGaxAsyP1-y 900 nm-1.7 µm

PbxSn1-xTe 630 nm-30 µm

GaN 366 nm

Az első félvezetőlézert nyitó irányban előfeszített p – n átmenetű GaAs-ből 1,4 – 1,5 V-os előfeszítéssel, impulzus üzemben mű-ködtették. A korai kialakítású eszközöknél szobahőmérsékleten ehhez nagy küszöbáram, illetve áramsűrűség (105A/cm2) volt szüksé-ges. A jobb üzemi tulajdonságokhoz csökken-teni kellett a fényveszteséget az eszközben, il-letve meg kellett akadályozni a töltéshordozók diffúziós elvándorlását az aktív rétegből.

Újabb előrelépést a kissé bonyolultabb szerkezetű, heteroátmenetes lézer jelentette.

Mivel a GaAlAs optikai tulajdonságai különböznek a GaAs-étől, az elrendezés szempontjából a törésmutató különbözőségé-nek döntő jelentősége van: GaAs törésmuta-tója 6 %-kal nagyobb, így tehát a GaAlAs na-gyobb tiltott sávja az elektronokat, kisebb tö-résmutatója pedig a fényt koncentrálja az aktív rétegbe.

A hullámhosszal összemérhető emit-táló felület miatt a félvezetőlézerekből kilépő nyaláb erősen divergens, s ennek szöge az át-menettel párhuzamos és merőleges irányban általában különbözik. A kilépőnyaláb általában asztigmatikus, elliptikus Gauss-nyaláb.

54. Egy félvezető lézerdióda általános felépítése és a kibocsátott

nyaláb divergenciája

A félvezetőlézerek sugárzásának tipi-kus sávszélessége néhányszor 10 nm, a műkö-dési áramtól függően pedig 5 – 10 módus mű-ködik párhuzamosan. Bonyolultabb szerke-zettel lehetséges keskenyebb sávszélességű, akár egy módusban működő félvezetőlézer ki-alakítása is.

A hullámhossz a p– n átmenet hőmér-sékletével diszkrét ugrásokon keresztül nő, ami a stabil üzem alatt kerülendő, csakúgy, mint a zajokkal, tüskeszerű ingadozásokkal terhelt tápellátás.

53. Egy vékony n-típusú GaAs réteget közreölelő p-p típusú

GaAlAs anyagra (p-n-p, három kivezetés) mindkét irányból nyitó-

feszültséget kötve az elektronok a teljes anyagszerkezet területé-

ről a kisebb tiltott sávszélességű anyagba szóródnak, ahol a nagy

töltéshordozó sűrűség már kisebb üzemi áramok mellett is fenn-

tartja a lézerműködéshez szükséges inverziót.

28

A működés stabilizálására többféle elektromos, termikus és optikai módszer is lé-tezik.

A tápfeszültséget minden esetben több szinten kondenzátorokkal szűrik és fe-szültség stabilizátor segítségével rögzítik (ezért nem lehet a diódát a tápfeszültség kapcsolga-tásával modulálni, erre külön áramköri megol-dás szükséges).

A hőmérséklet és az öregedés hatására a lézerdióda fény - áram-karakterisztikájának meredeksége csökken; de a kimenő teljesít-mény ennek ellenére a munkaponti körülmé-nyek megváltoztatásával egy ideig még kons-tans szinten tartható.

A karakterisztika általában kapcsoló jellegű, azaz olyan meredek, hogy általában a dióda saját termikus zajai is ellehetetlenítik a stabil munkapont beállítását.

Minderre egy feszültségstabilizált (esetleg hőkompenzált) áramgenerátoros haj-tást megvalósító szabályzó áramkör nyújt megoldást, melynek szabályozó jelét általában a lézerdiódával egybeépített fotodióda kime-nőjele szolgáltatja.

A többnyire kisméretű, SMD kiszere-lésű szabályzó áramkört (laser diode driver) néha hozzáépítik a diódához, de külön is meg-vásárolható, ilyenkor érdemes a gyártó/forgal-mazó javaslatát kikérni az adott típushoz és teljesítményhez.

A dióda önmagában még széttartó lé-

zerfényt bocsát ki, ezért megfelelő optikával (lencsével) is el kell látni. A zárt tokkal, opti-kával és driver-rel ellátott lézerdiódát dióda-modulnak nevezzük.

A lézerdiódák kezelésük során foko-zott óvatosságot, földelt munkateret és eszkö-zöket igényelnek. Félvezető lézerek felhasználási területei

1. Optikai adatátvitel. Az internet forgalom közelítőleg minden félév-évente duplázódik. Az egyre nagyobb átviteli kapacitást sűrű hul-lámhossz-osztásos multiplexeléssel lehet meg-valósítani (az optikai szálban egymáshoz kö-zeli hullámhosszakon van adatátvitel. Ehhez speciális kialakítású, drága lézerekre van szük-ség, az ár néhány 100 dollártól a több ezer dol-lárig terjed.

A jelátvitelhez 1310 és 1550 nm- es (infravörös) lézereket alkalmaznak, ugyanis ezeken a hullámhosszakon minimális az üveg-szál vesztesége (a szál anyagának és gyártáskor a szálban maradó vízmolekuláknak ezeken a frekvenciákon minimális az együttes elnye-lése). A több száz km-es adatátvitelhez fény-erősítő beiktatása szükséges (erbiummal adalékolt üvegszál), ennek gerjesztéséhez 980 és 1480nm-es lézerek szükségesek. A szálak sebessége általában 2,5 Gbit/s közvetlen, il-letve néhányszor 10 Gbit/s külső rezonátoros modulálással.

55. Lézerdióda meghajtó áramkör (driver)

56. Lézerdióda modul

57. Lézerdióda száloptikával

29

2. Optikai adattárolás. Bár jelentő-sége a terjedő SD-kártyák és chip-ek mellett gyengül (CD, DVD, BD), de a biztonságkriti-kus (pl. a több száz év élettartamú M-Disc) vagy a holografikus adattárolás szempontjából biztosan sokáig nélkülözhetetlen marad.

3. Anyagmegmunkálás. Az iparban használatos lézerek 1- 10 kW-tartományban jellemzőek, legtöbbször a 750-980 nm-es tar-tományban.

A kisebb lézerek (<10W) lehetnek diszkrét kivitelűek, a nagyobbak általában olyan diódasorok, melyek kimenő teljesítmé-nyét száloptika vagy diffrakciós rács segítségé-vel egyesítik. Az egyes részteljesítmények ugyanazon nyalábba gyűjtése általában problé-más, mert a koherens hullámok ki is olthatják egymást, ha nincsenek fázisban is szinkroni-zálva. Ezért gyakori, hogy eltérő hullámhosszú lézerek nyalábjait egyesítik vagy olyan több tagra kiterjedő visszacsatolt rezonátort alakíta-nak ki, amely valamennyi dióda lézerműködé-sét szinkronizálja. A lézerek ára közelítőleg 300 $/W.

A lézertechnológiában az elérhető szí-nek korlátozottak és a rövidhullámú tarto-mány felé (zöld, kék, UV) egyre ritkábbak. Az ilyen színű félvezető lézerek többsége egy nemlineáris frekvenciatöbbszöröző kristályt tartalmaz, melyet nagy energiasűrűségű infra-vörös nyalábbal „pumpálva” alacsonyabb hul-lámhosszú lézerműködés is megjelenik.

Az átalakítás hatásfoka 10% körüli, a fennmaradó teljesítmény a kimenő fény meg-szűrése során a tokban marad, emiatt annak megfelelő hűtésről gondoskodni kell (tömör alumínium ház hűtőbordákkal).

Esetenként a konverzió csak rövid, de nagy energialöketek mellett, impulzus üzem-ben képes megvalósulni, így lehetséges, hogy a kimenő fény nem folytonos hullámú (Continuous Wave, CW), hanem szaggatott (Pulsed Wave, PW). A szükséges elektronikát a diódamodulok általában tartalmazzák.

A szűretlen fény, de önmagában a lé-zerfény is különösen veszélyes, mert az emberi szem a fény erősségét a különböző színű su-garakra nem egyformán érzékeli (az infravörös és ultraibolya szinte nem is látható)!

58. M-Disc író olvasó

59. Frekvenciatöbbszöröző kristályok

60. A szem érzékenységi görbéje a különböző hullámhosszakra

30

Alkalmazásuk rendkívül szerteágazó és jelenleg is erősen, dinamikusan növekvő.

Lézeres sebesség és távolságmérés, forrasztás, hőkezelés, vágás, mikrohegesztés, műanyaghegesztés, markírozás.

2D és 3D nyomtatás, , orvosi alkalmazások, műtétek, szemészet (pl. ablációs szaruhártya korrekció), bőrgyógyászat (szőrzet, bőrhibák eltávolítása), stb.

61. A lézeres vágás és marás korábban elképzelhetetlen sebes-

ségű és pontosságú munkadarabok kialakítását teszik lehetővé.

62. A lézeres 3D nyomtatás olyan struktúrák és szerkezetek létre-

hozását is lehetővé teszi, mely korábban lehetetlennek tűnt.

Összehasonlító táblázat a lézer ki-menő teljesítményére

mW W kW 5 25 50 75 100 0.2 0.5 1 10 100 >1

Látható lézerfolt • • • • • • • • • • • Ködben látható nyaláb • • • • • • • • • • • Éjszaka jól látható nyaláb • • • • • • • • • • ~2.5 km-re világít • • • • • • • • • • Lámpafénynél látható nyaláb • • • • • • • • • Hőérzet a bőrön • • • • • • • • ~7.5 km-re világít • • • • • • • • Meggyújtja a gyufát • • • • • • • Fekete léggömböt kidurrant • • • • • • • Fekete műanyagot megolvaszt • • • • • • ~ 15 km-re világít • • • • • • Meggyújtja a cigarettát • • • • • Fehér papírt megégeti • • • • Vékony plexi, falemezek vágása • • • Plexi, fa, vékony fémlemezek • • Fémek vágása, ipari robotok •

*A táblázat a magas láthatóságú, 532 nm-es zöld színű lézerre vonatkozik, más színű lézerek láthatósága eltérő lehet!