HUI ZHOU, HERWIG STANGE, and MICHAEL KNEIER，德國eagleyard公司
本教程采用四步法，幫助您確定所需的激光二極管的規(guī)格
激光二極管是當前激光技術中的隱形冠軍，從簡單的激光指示器到復雜的量子通信衛(wèi)星，激光二極管無處不在。它具有極高的效率，但占地面積卻很小，而且最重要的是，其每瓦特的價格還越來越便宜。并且，它有著各種不同的類型。
許多人考慮使用激光二極管時，有些人可能會想要一個全新的系統(tǒng)，而其他人僅僅是想把他們的產品中舊的氣體激光器換掉。問題在于選擇的多樣性，因為有許多不同的激光二極管可供選擇使用，并且即使是對于工程師和銷售專家來說，做出正確的選擇也可能需要數天時間。
本教程將幫助回答最重要的問題：適用于該應用的激光二極管是什么？哪些參數是最重要的，哪些是可以忽略的？
本教程將提出一組問題，這些問題將讀者引向可用于快速找到合適激光二極管的表格。這個邏輯過程可以幫助任何人，從博士生到經驗豐富的工程師，從而找到一個好的解決方案。本教程的邏輯來源于作者多年來與尋求合適激光二極管的各種客戶進行的商討。
第1步：將應用程序要求轉換為激光參數
廣泛的應用領域 — 無論是生命科學的分析設備、偵察任務的重型激光器、材料加工系統(tǒng)的種子二極管、還是用于計量任務的超穩(wěn)定激光二極管，最重要的做出正確的選擇，選擇出最合適、最正確的激光二極管。
要在您的情況中為您找到合適的激光二極管，您可能需要從應用程序確定的一組參數開始。 我們將在這里借助一個例子來做到這一點 — 讓我們假設我們想要建立一個適合表面輪廓或速度測量的合適的激光干涉儀。
對于這種器件，我們需要一個相干長度為1到10 m的激光二極管，并且干涉模式應該通過溫度變化（<0.1 nm / K）保持穩(wěn)定。我們需要一個準直的高斯光束，功率應> 80 mW。我們使用的探測器基于硅（Si），僅適用于<1100 nm的波長。在這種情況下，中心波長本身和極化不太重要。我們當時還不知道封裝或固定。
表1.應用要求和激光二極管參數（示例數據以紅色顯示）。
表1顯示了我們到目前為止的數據，左側列出了純粹的應用要求，右側列出了激光參數。根據相干長度，我們可以使用Δν= c /πL= 9.6-95.5 MHz來計算線寬。
對于那些剛進入該領域的人，我們應該更詳細地解釋這些參數。大多數細節(jié)可以在Rüdiger Paschottta的RP Photonics Encyclopedia中找到（www.rp-photonics.com/encyclopedia），這里有關于光子學的各種背景知識的優(yōu)秀資源。
相干長度是相干性顯著衰減的距離。實際上，它甚至與時間相干長度有關，但就我們的目的而言，上述定義是足夠的。有關更多詳細信息和計算器，請參閱www.rp-photonics.com/coherence_length。我們在本教程后面使用了以下公式：Δν= c /πL，其中Δν是帶寬（或線寬），c是光速，L是相干長度。
光譜分辨率表示帶寬（納米）與波長之間的關系：R =λ/Δλ。在光譜儀的情況下，或者更一般地，在頻譜的情況下，它是激光器分辨電磁波譜中的特征的能力的量度。
如果要從納米（nm）值計算兆赫茲（MHz）的帶寬，可以使用Δν=Δλ* c /λ2公式或互聯(lián)網計算器，例如www.photonicsolutions.co.uk/wavelengths上的計算器，這個計算器甚至能提供轉換為波數（cm-1）和其他四個帶寬單位。
帶通。一些用于檢測激光信號的傳感器使用干涉濾光器來阻擋干擾的環(huán)境光。因此，激光源的波長必須保持在濾光器的小透射范圍內。對于供應商而言，這是重要信息，但在我們的示例中，可以忽略有限的中心波長容差。
光束質量可以通過多種方式定義。一個是M2因素，它表示光束與理想高斯形狀的接近程度。 因此，1.0表示完美的高斯光束。另一個是光束參數乘積（BPP），我們必須將聚焦時的光束腰與遠場發(fā)散相乘。有關詳細信息，請訪問www.rp-photonics.com/beam_quality。
強度表示光束區(qū)域中的激光功率，最好是焦點中。因此，其單位為W / cm2。這里的問題是您所采用的光束區(qū)域 — 詳細討論可以在www.rp-photonics.com/optical_intensity找到。
光束輪廓是激光束中強度分布的名稱。根據該分布，它可能是平頂（矩形分布）或高斯分布。 單模光束通常（接近）高斯光束，而多模光束通常不是高斯光束。它可以具有各種形狀，這取決于混合模式的數量和強度分布。
激光源的亮度可以測量其輸出功率和光束質量。基本上，它是激光功率除以BPP得出的。因此，其單位為W / cm2 * sr，請參閱www.rp-photonics.com/brightness了解更多詳情。
第2步：選擇激光類型
在第二步中，我們將嘗試更具體的激光類型。在這里，我們面臨很多選擇。正確的方法是權衡選項并選擇總權重最大的選項（參見表2）?；疑幱皡^(qū)域顯示了通?？捎糜趩伟l(fā)射器激光二極管的不同選項。
表2.參數選擇和權重。
為清楚起見，我們僅關注邊發(fā)射激光二極管。其他常見的激光類型，包括垂直腔面發(fā)射激光器（VCSEL）、條形/疊層、陣列或量子級聯(lián)激光器（QCL），這些激光器由于顯著偏離的特性，不在我們的討論范圍內。但是，可以使用類似的方法對這些激光器類型進行評估，以縮小合適的解決方案范圍。注意，這些邊緣發(fā)射激光二極管的輸出功率通常隨設計提供的光束質量而變化（見圖）。
在不同的激光二極管類型中，較高的光束質量通常伴隨較低的輸出功率。
為了做出決定，我們首先使用適合我們應用的參數標記所有字段（即，我們關于構建激光干涉儀的示例）。行中沒有用于波長容限的標記，因為我們沒有對其進行任何限制。因此，權重為零。對于線寬，我們計算了10到100 MHz之間的值，因此穩(wěn)定脊波導柱中的<50 MHz聽起來合理。由于這是一個關鍵參數，因此它的權重為2。
我們繼續(xù)在其他行中進行標記，并根據我們的應用程序的需要為最后一列中的重要性賦予權重。在最后一行，我們總結所有標簽乘以其權重。事實證明，“單頻激光/穩(wěn)定脊波導激光型”柱的權重高為9。因此，這就是我們所尋找的激光二極管的類型。
通過記錄每個單元格中的權重，您可以使此圖表變得更加復雜。如果一個參數的大小可能一旦比需要的要好一些（0.5的權重很好）或者只是在規(guī)范內（2是關鍵的），這可能是一個聰明的做法。如果您希望在參數空間的邊緣使用更便宜的解決方案，如果您希望在此參數的安全方面，則可以在此調整。
第3步：選擇激光材料
波長對于應用來說通常非常重要，但是你知道為什么某個公司的激光只覆蓋特定的波長范圍嗎？那是因為他們使用的材料允許或禁止特定的波長范圍。
表3.激光二極管材料選擇。
表3概述了具體材料及其波長范圍。在我們的例子中，探測器基于Si，它將我們的激光發(fā)射波長限制在<1100 nm。這意味著氮化鎵（GaN）或砷化鎵（GaAs）激光二極管可能對我們來說是很好的選擇。通常，紫外（UV）溶液比可見光（VIS）或近紅外（NIR）的激光二極管更昂貴，因此我們將VIS標記為NIR材料。
第4步：制作您的最終圖表并進行搜索
現在，我們擁有正確選擇激光二極管所需的所有參數。表4顯示了在前面的圖表中得出的一組參數，以及我們將在下面討論的一些剩余參數：
操作模式（連續(xù)波[CW]，脈沖或調制）。這會對熱管理產生巨大影響，因此也會對包裝風格產生巨大影響。對于具有低占空比的脈沖或脈沖調制激光二極管，廢熱可能較少，因此封裝尺寸可以更小。
光束準直（自由空間、帶集成光學器件或光纖尾纖）。這很大程度上取決于您的應用。通常，標準化的光學連接器接口，例如套圈連接器（FC）或標準連接器（SC）是有用的。
封裝。我是否有平面（例如PCB或散熱片）或圓形（管）環(huán)境？第一種是蝴蝶或扁平包裝解決方案，后者是TO罐頭。是否有任何整體尺寸限制？我是否需要與現有解決方案的兼容性？對于基于TO的封裝，必須確定引腳配置（m型，n型或p型）以及尺寸（5.6對9 mm）。 對于14引腳蝶形封裝，必須區(qū)分電信和泵釘扎。
價格。最重要的一點，激光二極管的定價有一個重要的規(guī)則。如果您的絕對中心波長沒有嚴格固定，請尋找商品激光器。一些大型供應商（例如，Lumentum或Sony）為消費者應用提供某些激光二極管，例如游戲機或智能手機。在工業(yè)領域，存在一些用于光纖激光泵浦或光譜學的流行波長，例如852或980nm。那些激光二極管比其他激光二極管便宜得多。
另一方面，定制的激光二極管具有更高的連續(xù)生產的安全性，因為您可以成為激光二極管供應商的戰(zhàn)略合作伙伴，而供應商不會在沒有通知的情況下停止生產。如果您每年從單個設備轉移到多達數百或數萬個激光二極管的批次，這一點非常重要----這一數量仍然遠遠超出了大眾市場供應商的需求。
表4.激光二極管參數。
使用表4中的數據，您可以聯(lián)系激光二極管供應商或自行開始網上搜索。如果您選擇直接搜索，您可以采用前四個關鍵字（RWS，單頻激光，630-1120 nm / GaAs，CW，> 80 mW），您可以快速找到合理數量的良好接觸。
如果你去激光二極管供應商，這些表可以節(jié)省你很多時間。供應商將可以立即了解您的需求，您可以繞過那些不適合您應用的潛在解決方案的討論。
本文編譯：小徐
轉載請注明出處。
相關文章
熱門資訊
精彩導讀
關注我們
