如何為您的應用選擇正確的激光二極管？_激光院係_激光資料

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格

激光二極管是當前激光技術中的隱形冠軍(jun) ，從(cong) 簡單的激光指示器到複雜的量子通信衛星，激光二極管無處不在。它具有極高的效率，但占地麵積卻很小，而且最重要的是，其每瓦特的價(jia) 格還越來越便宜。並且，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(hui) 想要一個(ge) 全新的係統，而其他人僅(jin) 僅(jin) 是想把他們(men) 的產(chan) 品中舊的氣體(ti) 激光器換掉。問題在於(yu) 選擇的多樣性，因為(wei) 有許多不同的激光二極管可供選擇使用，並且即使是對於(yu) 工程師和銷售專(zhuan) 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：適用於(yu) 該應用的激光二極管是什麽(me) ？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於(yu) 快速找到合適激光二極管的表格。這個(ge) 邏輯過程可以幫助任何人，從(cong) 博士生到經驗豐(feng) 富的工程師，從(cong) 而找到一個(ge) 好的解決(jue) 方案。本教程的邏輯來源於(yu) 作者多年來與(yu) 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(wei) 激光參數

廣泛的應用領域 — 無論是生命科學的分析設備、偵(zhen) 察任務的重型激光器、材料加工係統的種子二極管、還是用於(yu) 計量任務的超穩定激光二極管，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(wei) 您找到合適的激光二極管，您可能需要從(cong) 應用程序確定的一組參數開始。我們(men) 將在這裏借助一個(ge) 例子來做到這一點 — 讓我們(men) 假設我們(men) 想要建立一個(ge) 適合表麵輪廓或速度測量的合適的激光幹涉儀(yi) 。

對於(yu) 這種器件，我們(men) 需要一個(ge) 相幹長度為(wei) 1到10 m的激光二極管，並且幹涉模式應該通過溫度變化（<0.1 nm / K）保持穩定。我們(men) 需要一個(ge) 準直的高斯光束，功率應> 80 mW。我們(men) 使用的探測器基於(yu) 矽（Si），僅(jin) 適用於(yu) <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(men) 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(men) 到目前為(wei) 止的數據，左側(ce) 列出了純粹的應用要求，右側(ce) 列出了激光參數。根據相幹長度，我們(men) 可以使用Δν= c /πL= 9.6-95.5 MHz來計算線寬。

對於(yu) 那些剛進入該領域的人，我們(men) 應該更詳細地解釋這些參數。大多數細節可以在Rüdiger Paschottta的RP Photonics Encyclopedia中找到（www.rp-photonics.com/encyclopedia），這裏有關(guan) 於(yu) 光子學的各種背景知識的優(you) 秀資源。

相幹長度是相幹性顯著衰減的距離。實際上，它甚至與(yu) 時間相幹長度有關(guan) ，但就我們(men) 的目的而言，上述定義(yi) 是足夠的。有關(guan) 更多詳細信息和計算器，請參閱www.rp-photonics.com/coherence_length。我們(men) 在本教程後麵使用了以下公式：Δν= c /πL，其中Δν是帶寬（或線寬），c是光速，L是相幹長度。

光譜分辨率表示帶寬（納米）與(yu) 波長之間的關(guan) 係：R =λ/Δλ。在光譜儀(yi) 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(cong) 納米（nm）值計算兆赫茲(zi) （MHz）的帶寬，可以使用Δν=Δλ* c /λ2公式或互聯網計算器，例如www.photonicsolutions.co.uk/wavelengths上的計算器，這個(ge) 計算器甚至能提供轉換為(wei) 波數（cm-1）和其他四個(ge) 帶寬單位。

帶通。一些用於(yu) 檢測激光信號的傳(chuan) 感器使用幹涉濾光器來阻擋幹擾的環境光。因此，激光源的波長必須保持在濾光器的小透射範圍內(nei) 。對於(yu) 供應商而言，這是重要信息，但在我們(men) 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(yi) 。一個(ge) 是M2因素，它表示光束與(yu) 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(ge) 是光束參數乘積（BPP），我們(men) 必須將聚焦時的光束腰與(yu) 遠場發散相乘。有關(guan) 詳細信息，請訪問www.rp-photonics.com/beam_quality。

強度表示光束區域中的激光功率，最好是焦點中。因此，其單位為(wei) W / cm²。這裏的問題是您所采用的光束區域 — 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(jue) 於(yu) 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(wei) 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(men) 將嚐試更具體(ti) 的激光類型。在這裏，我們(men) 麵臨(lin) 很多選擇。正確的方法是權衡選項並選擇總權重最大的選項（參見表2）。灰色陰影區域顯示了通常可用於(yu) 單發射器激光二極管的不同選項。

表2.參數選擇和權重。

為(wei) 清楚起見，我們(men) 僅(jin) 關(guan) 注邊發射激光二極管。其他常見的激光類型，包括垂直腔麵發射激光器（VCSEL）、條形/疊層、陣列或量子級聯激光器（QCL），這些激光器由於(yu) 顯著偏離的特性，不在我們(men) 的討論範圍內(nei) 。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(jue) 方案範圍。注意，這些邊緣發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(wei) 了做出決(jue) 定，我們(men) 首先使用適合我們(men) 應用的參數標記所有字段（即，我們(men) 關(guan) 於(yu) 構建激光幹涉儀(yi) 的示例）。行中沒有用於(yu) 波長容限的標記，因為(wei) 我們(men) 沒有對其進行任何限製。因此，權重為(wei) 零。對於(yu) 線寬，我們(men) 計算了10到100 MHz之間的值，因此穩定脊波導柱中的<50 MHz聽起來合理。由於(yu) 這是一個(ge) 關(guan) 鍵參數，因此它的權重為(wei) 2。

我們(men) 繼續在其他行中進行標記，並根據我們(men) 的應用程序的需要為(wei) 最後一列中的重要性賦予權重。在最後一行，我們(men) 總結所有標簽乘以其權重。事實證明，“單頻激光/穩定脊波導激光型”柱的權重高為(wei) 9。因此，這就是我們(men) 所尋找的激光二極管的類型。

通過記錄每個(ge) 單元格中的權重，您可以使此圖表變得更加複雜。如果一個(ge) 參數的大小可能一旦比需要的要好一些（0.5的權重很好）或者隻是在規範內(nei) （2是關(guan) 鍵的），這可能是一個(ge) 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(jue) 方案，如果您希望在此參數的安全方麵，則可以在此調整。

第3步：選擇激光材料

波長對於(yu) 應用來說通常非常重要，但是你知道為(wei) 什麽(me) 某個(ge) 公司的激光隻覆蓋特定的波長範圍嗎？那是因為(wei) 他們(men) 使用的材料允許或禁止特定的波長範圍。

表3.激光二極管材料選擇。

表3概述了具體(ti) 材料及其波長範圍。在我們(men) 的例子中，探測器基於(yu) Si，它將我們(men) 的激光發射波長限製在<1100 nm。這意味著氮化镓（GaN）或砷化镓（GaAs）激光二極管可能對我們(men) 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(men) 將VIS標記為(wei) NIR材料。

第4步：製作您的最終圖表並進行搜索

現在，我們(men) 擁有正確選擇激光二極管所需的所有參數。表4顯示了在前麵的圖表中得出的一組參數，以及我們(men) 將在下麵討論的一些剩餘(yu) 參數：

操作模式（連續波[CW]，脈衝(chong) 或調製）。這會(hui) 對熱管理產(chan) 生巨大影響，因此也會(hui) 對包裝風格產(chan) 生巨大影響。對於(yu) 具有低占空比的脈衝(chong) 或脈衝(chong) 調製激光二極管，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(jue) 於(yu) 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。我是否有平麵（例如PCB或散熱片）或圓形（管）環境？第一種是蝴蝶或扁平包裝解決(jue) 方案，後者是TO罐頭。是否有任何整體(ti) 尺寸限製？我是否需要與(yu) 現有解決(jue) 方案的兼容性？對於(yu) 基於(yu) 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）。對於(yu) 14引腳蝶形封裝，必須區分電信和泵釘紮。

價(jia) 格。最重要的一點，激光二極管的定價(jia) 有一個(ge) 重要的規則。如果您的絕對中心波長沒有嚴(yan) 格固定，請尋找商品激光器。一些大型供應商（例如，Lumentum或Sony）為(wei) 消費者應用提供某些激光二極管，例如遊戲機或智能手機。在工業(ye) 領域，存在一些用於(yu) 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。

另一方麵，定製的激光二極管具有更高的連續生產(chan) 的安全性，因為(wei) 您可以成為(wei) 激光二極管供應商的戰略合作夥(huo) 伴，而供應商不會(hui) 在沒有通知的情況下停止生產(chan) 。如果您每年從(cong) 單個(ge) 設備轉移到多達數百或數萬(wan) 個(ge) 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(zhong) 市場供應商的需求。