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(dāng)前激光技術(shù)中的隱形冠軍，從簡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說，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(gè)邏輯過程可以幫助任何人，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。本教程的邏輯來源于作者多年來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)開始。 我們將在這里借助一個(gè)例子來做到這一點(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)相干長度為1到10 m的激光二極管，并且干涉模式應(yīng)該通過溫度變化（<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(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)相干長度，我們可以使用Δν= c /πL= 9.6-95.5 MHz來計(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(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。一些用于檢測激光信號(hào)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(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容差。

光束質(zhì)量可以通過多種方式定義。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)場發(fā)散相乘。有關(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)?jiān)L問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量其輸出功率和光束質(zhì)量?；旧希羌す夤β食?/span>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(xiàng)。

表2.參數(shù)選擇和權(quán)重。

為清楚起見，我們僅關(guān)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(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）。行中沒有用于波長容限的標(biāo)記，因?yàn)槲覀儧]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聽起來合理。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

波長對(duì)于應(yīng)用來說通常非常重要，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(duì)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(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)中心波長沒有嚴(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，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