Diodi laser (III)

Danneggiamento dei diodi laser e tempo di vita.

(35) I laser a semiconduttore sono soggetti a danneggiamento per diversi tipi di cause, tra cui:

• Danneggiamento ottico catatsrofico se il diodo è alimentato con una corrente eccessiva
• Invecchiamento graduale, che si manifesta mediante una diminuazione della potenza ottica in uscita ed un aumento della corrente in ingresso per mantenere la stessa potenza in uscita
• Funzionamento a temperatura eccessiva
• Scariche elettrostatiche
• Impulsi di corrente transitorio in fase di funzionamento

(36) Il degrado più serio implica un danneggiamento ottico catastrofico (DOC), che avviene quando la potenza del laser alla superficie del diodo diventa troppo alta (maggiore di 10^6 W/cm2). L'assorbimnto della lue laser alla superficie porta al riscaldamento del diodo, che fa aumentare ulteriormente l'assorbimento. Il risultato è un ciclo positivo che fa aumentare sempre più la temperatura e porta alla fusione della superficie del diodo e alla distruzione del laser. Pertanto la corrente fornita al diodo laser deve essere minore di una certa soglia, altrimenti viene innescato il processo di DOC. Il danneggiamento superficiale può interrompere completamente le funzionalità del laser, oppure più permettere un funzionamento del laser a potenze fortemente ridotte

(37) Anche in assenza di DOC, l'uscita di un laser a semiconduttore diminuisce gradualmente dopo un tempo di funzionament prolungato, probabilmente a causa dell'accumularesi di danneggiamenti attorno ai difetti presenti nel materiale originario. L'invecchiamento prograssivo si manifesta mediante una diminuazione della potenza ottica in uscita ed un aumento della corrente in ingresso per mantenere la stessa potenza in uscita ed eventualmente mediante un cambiamento nel profilo del raggio emesso o nella lunghezza d'onda o nel contenuto spettrale della luce emessa. Può anche manifestarsi come sviluppo di linee di ombra, aree del dispositivo all'interno della regione attiva che non emettono più luce. L'invecchiamento graduale può essere causato da funzionamento a temperatura eccessiva o corrente eccessiva, ma sembra associato principalmente con i difetti presenti all'interno del semiconduttore. Questi effetti possono variare sensibilmente tra un lotto di produzione ed un altro.

(38) Se la corrente è tenuta ragionevolamente bassa è la temperatura di funzionamento è mantenuta bassa, la vita utile del laser a semiconduttore più risultare piuttosto lunga, anni o anche decenni.

(39) La vita utile di funzionamento di un diodo laser è ridotta significativamente alle temperature elevate. La vita utile è ridotta di un fattore che varia con la temperatura assoluta T (K) come:

exp(Ea/kT)

Dove Ea è una energia di attivazione, tipicamente compresa tra 0,5 e 0,7 eV, k è la costante di Boltzmann. Un aumento di temperatura di 40 gradi diminuisce la vita utile di un fattore 30.

(39) Le scariche di elettricità statica sono potenzialmente dannose per i diodi laser. La presenza di elettricità statica nell'area di lavoro può facilmente bruciare il diodo. I diodi lasre sono più sensibili di altri dispositivi elettronici a questo tipo di danneggiamento

(40) Un altro pericolo per i diodi laser a semiconduttore è l'eccessiva tensione, che può scaturire da picchi transitori nell'alimentazione. Molti alimentatori producono picchi di tensione quando sono accessi o spenti. Questi picchi possono essere abbastanta pronunciati da danneggiare il laser a semiconduttore

(41) In pratica una grossa percentuale dei laser a semicinduttore si guastano a causa della "elettrocuzione" in una qualche forma, o per transienti elettrici nella alimentazione o per scariche di elettricità statica. La probabilità che questo avvenga dipende dalla abilità e dalla esperienza dell'utente e dalla particolare applicazione. Se il laser a semiconduttore è utilizzato in condizioni controllate di temperatura e corrente, può durare molto a lungo.