white space

Laser

1 Inleiding

Dit verslag gaat over de laser. Ingegaan zal worden op de werking van de laser in het algmeen en de verschillende soorten lasers, waaronder de laserdiode (welke voor de cd-speler gebruikt wordt) en de monitordiode (draagt zorg voor een constante sterkte van het laserlicht. Om de cd-plaat scherp te stellen, wordt gebruik gemaakt van een laserunit. Er worden twee soorten laserunits onderscheiden: enkel- en driestraallaserunits. Van beiden wordt de opbouw, focusregeling en spoorvolging besproken. Bovendien wordt ingegaan op de verschillen tussen beide laserunits.

2 De laser

Laser is de afkorting van Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation ofwel lichtversterking door gestimuleerde uitzending van straling. Een laser is dus een apparaat waarmee een geconcentreerde, smalle bundel licht met een smalle bandbreedte kan worden uitgezonden. Er zijn verschillende soorten lasers waarvan er hieronder een aantal opgesomd staan:

  • Robijnlaser
  • Yaglaser
  • Neodymiumlaser
  • He-Ne laser
  • Edelgaslaser
  • Stikstoflaser
  • Koolstofgaslaser
  • Metaaldamplaser
  • Kleurstoflaser
  • Halfgeleiderlaser

De laserdiode, zoals de halfgeleiderlaser ook wel wordt genoemd wordt, wordt vanwege zijn continue lichtbundel in cd-spelers gebruikt. Dit is ook de laser die in dit verslag verder behandeld zal worden.


Figuur 1: Laser diode

3 De werking van de laser

Het principe van de laser berust op het gegeven dat waneer een elektron gedwongen wordt om een schil verder naar buiten te gaan, wat dan ook een aangeslagen elektron wordt genoemd, zal proberen uit deze onstabiele toestand te komen en terug te keren naar zijn oorspronkelijke schil. Hierbij wordt elektromagnetische straling in de vorm van een foton uitgezonden. In normale omstandigheden zal het elektron op willekeurige momenten terug keren naar zijn oorspronkelijke schil en zal er dus geen gelijkheid in frequentie en fase bestaan tussen de elektromagnetische golven die worden uitgestraald.

Anders wordt het, als het aangeslagen elektron in een elektromagnetische golftrein terecht komt. Die golftrein is van een ander elektron dat terugkeert naar zijn normale schil afkomstig. Nu keert het aangeslagen elektron direct terug naar zijn normale toestand. Dit betekent dus dat de elektronen elkaar helpen met het terug keren in hun schil. Op deze manier zijn de frequentie en fase van de uitgestraalde elektromagnetische-energie van de verschillende elektronen gelijk aan elkaar. Gevolg hiervan is dat beide golven elkaar versterken. Door deze golftrein zal een groot aantal aangeslagen elektronen allemaal elektromagnetische straling gaan uitzenden die in fase dezelfde frequentie hebben. Dit noemt men ook wel het lasereffect.


Figuur 2: Behuizing van een laserdiode

Bij de laserdiode zijn er enkele verschillen ten opzichte van het basisprincipe van de laser. Bij het aanstoten van de elektronen van de laserdiode wordt er gebruik gemaakt van de eigenschappen van halfgeleidende materialen. Om aan de voorwaarden van het lasereffect te voldoen moeten er in de grenslaag tussen de twee speciale halfgeleiders grote hoeveelheden ladingdragers geïnjecteerd worden. Bij een laserdiode ontstaat het licht in de PN-overgang. Om de laserwerking te krijgen hebben de zijkanten van de halfgeleider spiegelende oppervlakten gekregen. Deze spiegel is aan één zijde halfdoorlaatbaar. De spiegeltjes zorgen ervoor dat het licht dat de elektronen die naar hun normale schil terugvallen, terug gekaatst wordt naar de PN-overgang. Hierdoor ontstaat er gestimuleerde uitstoot en vallen er in een keer een heleboel elektronen terug. Het laserlicht dat nu ontstaat wordt via de halfdoorlatende spiegel naar buiten gevoerd. De laserdiode zendt een lichtstraal uit met een golflengte van 780-800 nm.

4 Monitordiode

Een laser diode zendt geen gebundelde straal uit, maar een straal met een hoek van 50°. Een laserdiode heeft geen twee maar drie aansluitingen, dit komt omdat er naast de eigenlijke laserdiode er ook nog een fotodiode in de behuizing zit.
De fotodiode noemt met ook wel een monitordiode. Een monitordiode is nodig om te zorgen dat het laserlicht een constante sterkte heeft. Het laser-proces is afhankelijk van de stroom Id, die erg afhankelijk is van de temperatuur. Als er een lagere stroom dan Id door de diode gaat dan gaat de diode als een gewone led werken en zie je alleen een licht rood schijnsel. De laserstroom in ongeveer gelijk aan 50-80 mA en de stuurschakeling die zorgt dat de diode een constante stroom krijgt moet zorgen dat de diodestroom groter is dan de laserstroom Id. Maar deze mag ook weer niet te groot worden.
Het vermogen in de diode stijgt namelijk heel snel bij een stroom die hoger is dan Id. Bij een hele kleine stroomstijging wordt het vermogen vertienvoudigd en dan kan de diode kapot gaan. Daarom is het nodig dat de stroom die door de laser diode word gestuurd uit een tegen gekoppelde stroombron word gehaald. Dit tegen gekoppelde systeem wordt gestuurd door de monitordiode. Deze diode vangt een deel van de uitgezonden straling op.
De grootte van het uitgangssignaal van deze diode is een maat voor de uitgezonden energie van de laserdiode.
Op het moment dat de diode overgaat van led naar laser bedrijf, stijgt het uitgangssignaal van de diode. Op deze manier kan de laserstroom zo geregeld worden dat de diode bij alle temperaturen net boven de kritische lasergrens wordt ingesteld en zo een constante intensiteit heeft.

5 Het uitlezen

Het puttenspoor wordt volgens het principe van “interferentie” uitgelezen. De putten zijn zo gemaakt dat ze net zo diep zijn als een kwart golflengte van het laserlicht.
Het gedeelte van de bundel dat dan op A valt is zo in tegenfase met het gedeelte dat op B valt (zie Figuur 3).

                                              A - B

Figuur 3: Uitlezen

Hierdoor zal uitdoving van het licht plaatsvinden. Als het gereflecteerde licht wordt opgevangen door een lichtgevoelige diode kan het puttenspoor gedetecteerd worden. Ook is het zo dat als er licht in een putje valt, er afbuiging van het licht onder verschillende hoeken (ordes) optreedt. Dit wordt in de natuurkunde diffractie genoemd.
Bij de nulde orde is de hoek van inval gelijk aan de hoek van uitval. Tussen de nulde en de eerste orde vindt er ook weer uitdoving van het licht plaats. Hiervan wordt gebruik gemaakt bij het volgen van het puttenspoor. De volgende ordes worden steeds minder intens, de orders die de detectiediode niet bereiken worden verstrooid en omgezet in warmte.

6 Enkelstraal laserunit

6.1 Algemeen

Bij de laserunit onderscheiden we de enkel straal laserunit en de drie straal laserunit. Het principe van het uitlezen is bij beide types hetzelfde De focus en spoorvolg regeling werken wel op verschillende manieren.
De 3-straals laserunit maakt gebruik van bijv. gelijke polarisatie, de enkel straal laserunit maakt hier geen gebruik van.

6.2 Opbouw  


Figuur 4: Enkel straal laserunit

De laserbundel komt in het prisma binnen. In het prisma zit een halfdoorlatende spiegel, die de helft van het laserlicht doorlaat. De andere helft van het laserlicht wordt afgebogen met een hoek van 45° ten opzichte van de spiegel. Hier wordt verder niets meer mee gedaan. Het niet afgebogen deel gaat door de collimatorlens. Deze lens maakt van de divergerende lichtbundel een evenwijdige lichtbundel. Hierdoor is de afstand tot de focus lens niet kritisch meer.
De focus lens focust de laserbundel tot een 1 micrometer kleine spot op de reflecterende laag van de cd-plaat.
Vanaf de cd-plaat gaat het laserlicht dezelfde weg terug, bij de halfdoorlatende spiegel wordt weer de helft van het licht afgebogen naar het wigvormige prisma. Het wigvormige prisma splitst de laserbundel in twee halve kegelvormige bundels die beide hun focuspunt op de laserdetector hebben.

6.3 Focus  

Nu de opbouw van de enkelstraal laserunit besproken is, nu iets over het scherp stellen van de laserbundel op de cd-plaat.
Als de cd de cd-speler binnen gaat wordt deze in het midden vastgeklemd. De laserbundel wordt nu door de focuslens scherp gesteld. Dit is een permanente magneet die binnen in de focusspoel zit. Het geheel wordt door bladveren op z’n plaats gehouden. Nu gaat de cd draaien. Slingerende bewegingen tot 2 micrometer hebben geen invloed op de scherpte instelling van de cd, maar omdat de cd wel slingeringen van 500 micrometer kan maken, door bijvoorbeeld toleranties in de mechanica of een vervormde cd-plaat, is een focusregeling nodig.
Wanneer de laserbundel in focus is, zijn de diodestromen van de laserdetectoren vrijwel gelijk. Het focuspunt van de twee halve kegelvormige bundels is precies midden op hun gedeelte van de laserdetector.


Figuur 5: Kegel vormige bundel wordt gefocused op de CD plaat.

Als de cd-plaat iets verder weg komt te liggen zal het focuspunt van de hoofdbundel voor de cd-plaat komen. De twee focuspunten van de twee halve kegelvormige bundels uit het wigvormige prisma zullen nu ook voor de detector komen te liggen. Nu zullen de diodes 2 en 3 meer signalen afgeven dan de diodes 1 en 4. Ligt het focuspunt achter de cd-plaat dan is dit net andersom.
De afwijking van het focuspunt is recht evenredig met de verschil signalen tussen de diodes van de laserdetector.
De focusspoel wordt gestuurd met het focus error signaal. Het focus error signaal krijg je door de signalen van de diodes 1 en 2 en van 3 en 4 van elkaar af te trekken. Vervolgens tel je beide uitkomsten bij elkaar op. Deze methode wordt ook wel de focault methode genoemd, hiermee wordt bepaald of het focus objectief naar voren of naar achteren verplaatst moet worden.


Figuur 6: Fotodetector enkel straal unit

6.4 Spoorvolging

Als laatste onderdeel van de enkel staal laserunit ga ik in op de spoorvolging.
De laserunit is op een arm gemonteerd die op één punt scharniert. Dit scharnier bestaat uit een lineaire motor. Het scharnier wordt gestuurd met een uit de laserdetector afkomstig RE-signaal (Radial Error). Dit gaat volgens de Push Pull methode. Hierbij wordt gebruik gemaakt van interferentie. Als de laserstraal niet precies in het midden van het spoor zit, dan zullen de stralen die naar de cd toe gaan en die terug keren, elkaar tegen werken (tussen de nulde en eerste orde).
Het wigvormige prisma splitst de weerkaatste bundel, een gevolg hiervan is dat detectordiodes 3 en 4 belicht worden en de detectordiodes 1 en 2 niet. De signalen 3 en 4 worden bij elkaar opgeteld, hier wordt de som van de diodes 1 en 2 af getrokken. Nu heb je het RE-signaal.
Als er bijvoorbeeld door een stofje op de cd ook uitdoving van het licht plaats vindt, ontstaat er een afwijkend RE-signaal. Dit probleem wordt opgelost door een laagfrequent signaal, het Wobble signaal. Dit is een signaal met een frequentie van 650 Hz. De laserarm wordt met dit signaal binnen de afstand van het spoor heen en weer bewogen. Zo wordt voorkomen dat het afwijkende RE-signaal optreed.
Nu is er nog een probleem namelijk de afwijking van de laserstraal ten opzichte van het spoor, dit wordt veroorzaakt door de draaiing van de arm. Aan de rand van de cd is de hoek 45° ten opzichte van het midden. Om dit probleem te corrigeren zijn een paar extra versterker regelingen aan gebracht.  
Om de bandbreedte van de radiaal- en focusregeling constant te houden, is ook nog elektronica nodig. Omdat dit niet met de laser te maken heeft ga ik hier niet verder op in.

7 3-Straal laserunit

De drie straal laserunit is ingewikkelder van opbouw dan de enkel straal laserunit. De laserbundel wordt door een rooster in drie bundels verdeeld (diffractie). De hoofdbundel hier van leest de informatie van de cd-plaat, de andere twee bundels zorgen voor de spoorvolging. De sterkte van de hoofdbundel is ongeveer drie keer zo sterk als die van de 2 hulpbundels. De drie bundels komen door een deelkubus (wollaston prisma), daarna gaan ze door een collimatorlens en een ¼ lambda plaatje. Dit plaatje verschuift de fase van het laserlicht een kwart golflengte. Vervolgens komen de stralen bij een spiegel die de stralen 90° afbuigen en doorsturen naar de objectieflens. De objectieflens stelt de bundels scherp op de cd-plaat. Nu gaan de stralen dezelfde weg terug. Het ¼ lambda plaatje verschuift de stralen weer een kwart golflengte, de faseverschuiving komt daarmee op 180 °. Door deze faseverschuiving wordt het licht in de deelkubus afgebogen naar een cilindrische lens. Achter de cilindrische lens zitten de fotodetectoren.  


Figuur 7: De 3 straal laser unit.

Zoals op de figuur hieronder te zien valt zijn de vier fotodioden in een vierkant geplaatst, zij detecteren de hoofdbundel met de cd-informatie en de focusinformatie. De twee extra diodes zijn voor de hulpstralen. Zij zorgen voor de radiaalregeling.  


Figuur 8: Fotodetector van de drie straal laser unit.

De laserunit is op een slede gemonteerd. Op deze manier kan de cd tangentaal afgetast worden. Dit mechanisme is niet snel genoeg om het spoor te volgen, daarom wordt voor snelle correcties de spiegel voor de focuslens gebruikt. Deze spiegel is beweegbaar en is aangesloten op een eigen Radial Servo Ciruit.

8 Verschillen 1 en 3 straal laserunit

Er zijn een aantal verschillen tussen de twee laserunits. Het eerste verschil is dat het stroomverbruik van de enkel straal laserunit groter is dan het stroomverbruik van de drie straal laserunit. De enkel straal laserunit wordt met behulp van een spoel, wat stroom kost, op zijn plek gehouden. De drie straal laserunit wordt met een mechanisch wormwiel op z’n plaats gehouden.
Het rendement van de laser in de enkel straal laserunit is ook veel lager dan die van de drie straal laserunit. De laser wordt namelijk twee keer voor de helft doorgelaten door de halfdoorlatende spiegels. Bij de drie straal laserunit komen bijna alle laserstralen bij de detectoren aan.  
Tegenwoordig wordt de combinatie van één en drie straal laserunit ook vaak toegepast. De drie straal laserunit wordt dan veranderd. De deel kubus wordt dan vervangen door een prisma met halfdoorlatende spiegel. Het ¼ lambda plaatje kan nu komen te vervallen.

9 Tot slot

De laser werkt op het principe van het aangeslagen elektron die bij het terugkeren naar z’n oude schil elektromagnetische straling uitzendt.
Bij een laser diode, die voor cd-spelers wordt gebruikt, wordt gebruik gemaakt van de eigenschappen van de diode. Het licht ontstaat in de PN-overgang.
Bij de behuizing van de laserdiode zit een tweede diode in. Deze Monitor diode zorgt er voor dat het laserlicht dat de Laser diode uitzendt van een constante sterkte is.
De laserunit zorgt er voor dat het laserlicht op de cd-plaat scherp gesteld wordt. Hierbij onderscheiden we de enkel- en de drie straal laserunit, maar tegenwoordig wordt er ook vaak een combinatie van beide toegepast.

10 Literatuuropgave

  • www.gironet.nl/home/quene26/cd/, Door P.Quené
  • Vego's geïllustreerde encyclopedie van de elektronica, Door Jos Verstraten en Marianne Packbiers