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如何选择激光二极管?四个步骤助您选型

 

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激光二极管是当代激光技术的无冕之王(hidden champions)。从简单的激光笔到复杂的量子通信卫星,激光二极管无处不在。它具有卓越的效能,紧凑的结构,众多的类型,最重要的是,它正变得越来越便宜。

 

许多人已经考虑把激光二极管应用到自己的产品中, 有时可能是全新的系统,有时可能用来替换旧的激光器。面对种类众多的激光二级管,工程师们该如何选择?

 

本文旨在回答:如何选择适用的激光二极管?哪些参数至关重要,哪些可以忽略?

 

下面以实例说明, 四个步骤帮助您确定所需的激光二极管的规格。

 

步骤1:将应用需求转换为激光参数

为了找到适合您的应用或产品的激光二极管,您可能首先要根据应用确定一组参数。假设我们要构建一个激光干涉仪以进行表面轮廓分析或速度测量。

 

为构建此设备,我们需要一个相干长度为1至10 m的激光二极管,并且干涉图应在温度变化(<0.1 nm / K)时保持稳定。我们需要准直的高斯光束,功率应> 80mW。我们使用的检测器基于硅(Si),仅适用于<1100nm波长。在这种情况下,中心波长本身和偏振不太重要。目前, 我们暂时还不清楚激光二极管的封装类型。

 

表1.应用要求和激光二极管参数(示例数据以红色显示)

 

上图表1左侧列出了应用或产品要求,右侧列出了激光参数。从相干长度,就可以计算出Δ使用线宽ν = C /πL= 9.6-95.5兆赫。

对于刚接触该领域的人,首先需要了解这些参数的含义。

 

相干长度是相干明显衰减的距离。请参考以下的公式:

Δ ν =C /πL

其中Δ ν是带宽(或线宽),C光速,以及L相干长度。

光谱分辨率表示带宽(纳米)和波长之间的关系:R = λ /Δ λ。如果是光谱仪或更一般的频谱,则是激光分辨电磁频谱特征的能力的度量。

 

如果想用纳米(nm)值来计算带宽(MHz)的,可以使用Δ ν =Δ λ * C/ λ 2式或使用以下链接:

www.photonicsolutions.co .uk /wavelengths

 

带通,用于检测激光信号的传感器通常会使用干涉滤光片来阻挡干扰的环境光。因此,激光源的波长必须保持在滤光器的透射范围内。在这种情况下,我们通常可以忽略有限的中心波长公差。

 

光束质量可以通过几种方式定义。一个是M 2因子,它表示光束与理想高斯形状的接近程度。因此,1.0表示完美的高斯光束。另一个是光束参数乘积(BPP),为此我们必须将聚焦的光束腰与远场发散相乘。

 

 强度表示光束区域(最好是焦点)中的激光功率。因此,其单位为W / cm 2。

 

 光束轮廓是指激光束的强度分布。它可能是平顶(矩形分布)或高斯分布。单模光束通常是(接近)高斯光束,而多模光束通常不是高斯光束。根据混合模式的数量和强度分布,它可能具有多种形状。

 

激光源的亮度,可衡量其输出功率和光束质量。本质上,它是激光功率除以BPP。单位为W / cm 2 * sr。

 

步骤2:选择激光类型

第二步,我们将更具体地描述激光类型。我们面临许多选择。解决该问题的正确方法是权衡各个选项。灰色阴影部分标识了单模激光二极管常用的不同选项。

表2.参数选择和权重

 

 

某些类型的激光二极管,较高的光束质量通常伴随较低的输出功率。

 

我们将适合应用的参数做出标记(以构建激光干涉仪为例)。对于波长公差,没有任何限制。因此权重为零。对于线宽,计算范围在10至100 MHz之间,因此稳定脊形波导列中的<50 MHz听起来是合理的。由于这是一个关键参数,因此权重为2。

 

我们用同样的方式处理其他参数。在最后一行中,我们将所有标记相乘后乘以权重。事实证明,“单频激光器/稳定脊波导激光器”列的权重最高为9。因此,这是我们要寻找的激光二极管类型。

 

步骤3:选择激光材料

 

表3.激光二极管材料的选择

表3概述了特定材料及其波长范围。在范例中,检测器基于Si,激光发射波长限制为<1100 nm。这意味着氮化镓(GaN)或砷化镓(GaAs)的激光二极管可能适合我们。通常,在可见光(VIS)或近红外(NIR)中,紫外线(UV)解决方案比激光二极管贵,因此标出VIS-to-NIR材料。

 

步骤4:制作最终图表并开始寻找供应商

现在,我们有了适用的激光二极管所需的所有参数。表4显示了从先前的图表中得出的一组参数,我们将在下面讨论其他参数:

 

操作模式(连续波[CW],脉冲或调制)。这可能会对散热管理以及封装样式产生巨大影响。对于低占空比(Lowduty cycle)的脉冲或脉冲调制激光二极管,废热可能更少,因此封装尺寸可能更小。

 

光束准直(自由空间,集成光学元件或光纤尾纤)。这在很大程度上取决于您的应用。通常,标准化的光学连接器接口(例如套圈连接器(FC)或标准连接器(SC))很有用。

 

封装。平面封装或者TO封装。整体尺寸,现有解决方案的兼容性,引脚配置。这些都是考虑因素。

 

价格。在工业领域,一些普遍的波长的激光二极管比其他的便宜得多。

 

另一方面,如果您的需求量是每年批次是数万或数十万个激光二极管。您可以考虑成为激光二极管供应商的战略合作伙伴,因为定制的激光二极管可以使批量生产更有保证,因为,到目前为止,这一数量级仍未受到大型供应商的关注。

表4.激光二极管参数


有了表4中的数据,您可以开始寻找激光二极管供应商,供应商可以根据这些数据了解您的需求,尽快提供可能的解决方案。

 

**内容及图表来源于网络**

参考文献:《Howto Choose a Laser》(LaserFocusWorld)

 



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