HUI ZHOU, HERWIG STANGE, and MICHAEL KNEIER，德國(guó)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(dāng)前激光技術(shù)中的隱形冠軍，從簡(jiǎn)單的激光指示器到復(fù)雜的量子通信衛(wèi)星，激光二極管無(wú)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(jià)格還越來(lái)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(shí)，有些人可能會(huì)想要一個(gè)全新的系統(tǒng)，而其他人僅僅是想把他們的產(chǎn)品中舊的氣體激光器換掉。問(wèn)題在于選擇的多樣性，因?yàn)橛性S多不同的激光二極管可供選擇使用，并且即使是對(duì)于工程師和銷售專家來(lái)說(shuō)，做出正確的選擇也可能需要數(shù)天時(shí)間。

本教程將幫助回答最重要的問(wèn)題：適用于該應(yīng)用的激光二極管是什么？哪些參數(shù)是最重要的，哪些是可以忽略的？

本教程將提出一組問(wèn)題，這些問(wèn)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(gè)邏輯過(guò)程可以幫助任何人，從博士生到經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師，從而找到一個(gè)好的解決方案。本教程的邏輯來(lái)源于作者多年來(lái)與尋求合適激光二極管的各種客戶進(jìn)行的商討。

第1步：將應(yīng)用程序要求轉(zhuǎn)換為激光參數(shù)

廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域 — 無(wú)論是生命科學(xué)的分析設(shè)備、偵察任務(wù)的重型激光器、材料加工系統(tǒng)的種子二極管、還是用于計(jì)量任務(wù)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(yīng)用程序確定的一組參數(shù)開(kāi)始。 我們將在這里借助一個(gè)例子來(lái)做到這一點(diǎn) — 讓我們假設(shè)我們想要建立一個(gè)適合表面輪廓或速度測(cè)量的合適的激光干涉儀。

對(duì)于這種器件，我們需要一個(gè)相干長(zhǎng)度為1到10 m的激光二極管，并且干涉模式應(yīng)該通過(guò)溫度變化（<0.1 nm / K）保持穩(wěn)定。我們需要一個(gè)準(zhǔn)直的高斯光束，功率應(yīng)> 80 mW。我們使用的探測(cè)器基于硅（Si），僅適用于<1100 nm的波長(zhǎng)。在這種情況下，中心波長(zhǎng)本身和極化不太重要。我們當(dāng)時(shí)還不知道封裝或固定。

表1.應(yīng)用要求和激光二極管參數(shù)（示例數(shù)據(jù)以紅色顯示）。

表1顯示了我們到目前為止的數(shù)據(jù)，左側(cè)列出了純粹的應(yīng)用要求，右側(cè)列出了激光參數(shù)。根據(jù)相干長(zhǎng)度，我們可以使用Δν= c /πL= 9.6-95.5 MHz來(lái)計(jì)算線寬。

對(duì)于那些剛進(jìn)入該領(lǐng)域的人，我們應(yīng)該更詳細(xì)地解釋這些參數(shù)。大多數(shù)細(xì)節(jié)可以在Rüdiger Paschottta的RP Photonics Encyclopedia中找到（www.rp-photonics.com/encyclopedia），這里有關(guān)于光子學(xué)的各種背景知識(shí)的優(yōu)秀資源。

相干長(zhǎng)度是相干性顯著衰減的距離。實(shí)際上，它甚至與時(shí)間相干長(zhǎng)度有關(guān)，但就我們的目的而言，上述定義是足夠的。有關(guān)更多詳細(xì)信息和計(jì)算器，請(qǐng)參閱www.rp-photonics.com/coherence_length。我們?cè)诒窘坛毯竺媸褂昧艘韵鹿剑?/span>Δν= c /πL，其中Δν是帶寬（或線寬），c是光速，L是相干長(zhǎng)度。

光譜分辨率表示帶寬（納米）與波長(zhǎng)之間的關(guān)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(jì)算兆赫茲（MHz）的帶寬，可以使用Δν=Δλ* c /λ2公式或互聯(lián)網(wǎng)計(jì)算器，例如www.photonicsolutions.co.uk/wavelengths上的計(jì)算器，這個(gè)計(jì)算器甚至能提供轉(zhuǎn)換為波數(shù)（cm-1）和其他四個(gè)帶寬單位。

帶通。一些用于檢測(cè)激光信號(hào)的傳感器使用干涉濾光器來(lái)阻擋干擾的環(huán)境光。因此，激光源的波長(zhǎng)必須保持在濾光器的小透射范圍內(nèi)。對(duì)于供應(yīng)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(zhǎng)容差。

光束質(zhì)量可以通過(guò)多種方式定義。一個(gè)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(gè)是光束參數(shù)乘積（BPP），我們必須將聚焦時(shí)的光束腰與遠(yuǎn)場(chǎng)發(fā)散相乘。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問(wèn)www.rp-photonics.com/beam_quality。

強(qiáng)度表示光束區(qū)域中的激光功率，最好是焦點(diǎn)中。因此，其單位為W / cm²。這里的問(wèn)題是您所采用的光束區(qū)域 — 詳細(xì)討論可以在www.rp-photonics.com/optical_intensity找到。

光束輪廓是激光束中強(qiáng)度分布的名稱。根據(jù)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(shù)量和強(qiáng)度分布。

激光源的亮度可以測(cè)量其輸出功率和光束質(zhì)量?；旧?，它是激光功率除以BPP得出的。因此，其單位為W / cm² * sr，請(qǐng)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(quán)衡選項(xiàng)并選擇總權(quán)重最大的選項(xiàng)（參見(jiàn)表2）。灰色陰影區(qū)域顯示了通?？捎糜趩伟l(fā)射器激光二極管的不同選項(xiàng)。

表2.參數(shù)選擇和權(quán)重。

為清楚起見(jiàn)，我們僅關(guān)注邊發(fā)射激光二極管。其他常見(jiàn)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(jí)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(nèi)。但是，可以使用類似的方法對(duì)這些激光器類型進(jìn)行評(píng)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(shè)計(jì)提供的光束質(zhì)量而變化（見(jiàn)圖）。

在不同的激光二極管類型中，較高的光束質(zhì)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(yīng)用的參數(shù)標(biāo)記所有字段（即，我們關(guān)于構(gòu)建激光干涉儀的示例）。行中沒(méi)有用于波長(zhǎng)容限的標(biāo)記，因?yàn)槲覀儧](méi)有對(duì)其進(jìn)行任何限制。因此，權(quán)重為零。對(duì)于線寬，我們計(jì)算了10到100 MHz之間的值，因此穩(wěn)定脊波導(dǎo)柱中的<50 MHz聽(tīng)起來(lái)合理。由于這是一個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，因此它的權(quán)重為2。

我們繼續(xù)在其他行中進(jìn)行標(biāo)記，并根據(jù)我們的應(yīng)用程序的需要為最后一列中的重要性賦予權(quán)重。在最后一行，我們總結(jié)所有標(biāo)簽乘以其權(quán)重。事實(shí)證明，“單頻激光/穩(wěn)定脊波導(dǎo)激光型”柱的權(quán)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(guò)記錄每個(gè)單元格中的權(quán)重，您可以使此圖表變得更加復(fù)雜。如果一個(gè)參數(shù)的大小可能一旦比需要的要好一些（0.5的權(quán)重很好）或者只是在規(guī)范內(nèi)（2是關(guān)鍵的），這可能是一個(gè)聰明的做法。如果您希望在參數(shù)空間的邊緣使用更便宜的解決方案，如果您希望在此參數(shù)的安全方面，則可以在此調(diào)整。

第3步：選擇激光材料

波長(zhǎng)對(duì)于應(yīng)用來(lái)說(shuō)通常非常重要，但是你知道為什么某個(gè)公司的激光只覆蓋特定的波長(zhǎng)范圍嗎？那是因?yàn)?/span>他們使用的材料允許或禁止特定的波長(zhǎng)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(zhǎng)范圍。在我們的例子中，探測(cè)器基于Si，它將我們的激光發(fā)射波長(zhǎng)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(duì)我們來(lái)說(shuō)是很好的選擇。通常，紫外（UV）溶液比可見(jiàn)光（VIS）或近紅外（NIR）的激光二極管更昂貴，因此我們將VIS標(biāo)記為NIR材料。

第4步：制作您的最終圖表并進(jìn)行搜索

現(xiàn)在，我們擁有正確選擇激光二極管所需的所有參數(shù)。表4顯示了在前面的圖表中得出的一組參數(shù)，以及我們將在下面討論的一些剩余參數(shù)：

操作模式（連續(xù)波[CW]，脈沖或調(diào)制）。這會(huì)對(duì)熱管理產(chǎn)生巨大影響，因此也會(huì)對(duì)包裝風(fēng)格產(chǎn)生巨大影響。對(duì)于具有低占空比的脈沖或脈沖調(diào)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(zhǔn)直（自由空間、帶集成光學(xué)器件或光纖尾纖）。這很大程度上取決于您的應(yīng)用。通常，標(biāo)準(zhǔn)化的光學(xué)連接器接口，例如套圈連接器（FC）或標(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)有解決方案的兼容性？對(duì)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(duì)9 mm）。 對(duì)于14引腳蝶形封裝，必須區(qū)分電信和泵釘扎。

價(jià)格。最重要的一點(diǎn)，激光二極管的定價(jià)有一個(gè)重要的規(guī)則。如果您的絕對(duì)中心波長(zhǎng)沒(méi)有嚴(yán)格固定，請(qǐng)尋找商品激光器。一些大型供應(yīng)商（例如，Lumentum或Sony）為消費(fèi)者應(yīng)用提供某些激光二極管，例如游戲機(jī)或智能手機(jī)。在工業(yè)領(lǐng)域，存在一些用于光纖激光泵浦或光譜學(xué)的流行波長(zhǎng)，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(chǎn)的安全性，因?yàn)槟梢猿蔀榧す舛O管供應(yīng)商的戰(zhàn)略合作伙伴，而供應(yīng)商不會(huì)在沒(méi)有通知的情況下停止生產(chǎn)。如果您每年從單個(gè)設(shè)備轉(zhuǎn)移到多達(dá)數(shù)百或數(shù)萬(wàn)個(gè)激光二極管的批次，這一點(diǎn)非常重要----這一數(shù)量仍然遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了大眾市場(chǎng)供應(yīng)商的需求。

表4.激光二極管參數(shù)。

使用表4中的數(shù)據(jù)，您可以聯(lián)系激光二極管供應(yīng)商或自行開(kāi)始網(wǎng)上搜索。如果您選擇直接搜索，您可以采用前四個(gè)關(guān)鍵字（RWS，單頻激光，630-1120 nm / GaAs，CW，> 80 mW），您可以快速找到合理數(shù)量的良好接觸。

如果你去激光二極管供應(yīng)商，這些表可以節(jié)省你很多時(shí)間。供應(yīng)商將可以立即了解您的需求，您可以繞過(guò)那些不適合您應(yīng)用的潛在解決方案的討論。

本文編譯：小徐