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激光院系

如何為您的應(yīng)用選擇正確的激光二極管?

cici 來(lái)源:激光制造網(wǎng)2018-12-17 我要評(píng)論(0 )   

HUI ZHOU, HERWIG STANGE,andMICHAEL 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

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)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,占地面積卻很小,而且最重要的是,每瓦特的價(jià)格還越來(lái)越便宜并且,它有各種不同的類型。

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)最重要,哪些可以忽略

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。


1步:將應(yīng)用程序要求轉(zhuǎn)換為激光參數(shù)

廣泛應(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。

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110 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)不知道封裝或固定。

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)。

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 PaschotttaRP 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,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。


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)?;疑幱皡^(qū)域顯示了通常可用于單發(fā)射器激光二極管的不同選項(xiàng)。

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10100 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,這是我們尋找的激光二極管類型。

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。


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?因?yàn)?/span>他們使用的材料允許或禁止特定的波長(zhǎng)范圍。

3.激光二極管材料選擇。

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)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。

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)。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,LumentumSony)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)流行波長(zhǎng),例如852980nm。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,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----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。

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)用的潛在解決方案討論。

本文編譯:小徐

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