如何为您的应用选择正确的激光二极管？_激光院系_激光资料

HUI ZHOU, HERWIG STANGE, and MICHAEL KNEIER，德国eagleyard公司

本教程采用四步法，帮助您确定所需的激光二极管的规格

激光二极管是当前激光技术中的隐形冠军，从简单的激光指示器到复杂的量子通信卫星，激光二极管无处不在。它具有极高的效率，但占地面积却很小，而且最重要的是，其每瓦特的价格还越来越便宜。并且，它有着各种不同的类型。

许多人考虑使用激光二极管时，有些人可能会想要一个全新的系统，而其他人仅仅是想把他们的产品中旧的气体激光器换掉。问题在于选择的多样性，因为有许多不同的激光二极管可供选择使用，并且即使是对于工程师和销售专家来说，做出正确的选择也可能需要数天时间。

本教程将帮助回答最重要的问题：适用于该应用的激光二极管是什么？哪些参数是最重要的，哪些是可以忽略的？

本教程将提出一组问题，这些问题将读者引向可用于快速找到合适激光二极管的表格。这个逻辑过程可以帮助任何人，从博士生到经验丰富的工程师，从而找到一个好的解决方案。本教程的逻辑来源于作者多年来与寻求合适激光二极管的各种客户进行的商讨。

第1步：将应用程序要求转换为激光参数

广泛的应用领域 — 无论是生命科学的分析设备、侦察任务的重型激光器、材料加工系统的种子二极管、还是用于计量任务的超稳定激光二极管，最重要的做出正确的选择，选择出最合适、最正确的激光二极管。

要在您的情况中为您找到合适的激光二极管，您可能需要从应用程序确定的一组参数开始。我们将在这里借助一个例子来做到这一点 — 让我们假设我们想要建立一个适合表面轮廓或速度测量的合适的激光干涉仪。

对于这种器件，我们需要一个相干长度为1到10 m的激光二极管，并且干涉模式应该通过温度变化（<0.1 nm / K）保持稳定。我们需要一个准直的高斯光束，功率应> 80 mW。我们使用的探测器基于硅（Si），仅适用于<1100 nm的波长。在这种情况下，中心波长本身和极化不太重要。我们当时还不知道封装或固定。

表1.应用要求和激光二极管参数（示例数据以红色显示）。

表1显示了我们到目前为止的数据，左侧列出了纯粹的应用要求，右侧列出了激光参数。根据相干长度，我们可以使用Δν= c /πL= 9.6-95.5 MHz来计算线宽。

对于那些刚进入该领域的人，我们应该更详细地解释这些参数。大多数细节可以在Rüdiger Paschottta的RP Photonics Encyclopedia中找到（www.rp-photonics.com/encyclopedia），这里有关于光子学的各种背景知识的优秀资源。

相干长度是相干性显着衰减的距离。实际上，它甚至与时间相干长度有关，但就我们的目的而言，上述定义是足够的。有关更多详细信息和计算器，请参阅www.rp-photonics.com/coherence_length。我们在本教程后面使用了以下公式：Δν= c /πL，其中Δν是带宽（或线宽），c是光速，L是相干长度。

光谱分辨率表示带宽（纳米）与波长之间的关系：R =λ/Δλ。在光谱仪的情况下，或者更一般地，在频谱的情况下，它是激光器分辨电磁波谱中的特征的能力的量度。

如果要从纳米（nm）值计算兆赫兹（MHz）的带宽，可以使用Δν=Δλ* c /λ2公式或互联网计算器，例如www.photonicsolutions.co.uk/wavelengths上的计算器，这个计算器甚至能提供转换为波数（cm-1）和其他四个带宽单位。

带通。一些用于检测激光信号的传感器使用干涉滤光器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小透射范围内。对于供应商而言，这是重要信息，但在我们的示例中，可以忽略有限的中心波长容差。

光束质量可以通过多种方式定义。一个是M2因素，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），我们必须将聚焦时的光束腰与远场发散相乘。有关详细信息，请访问www.rp-photonics.com/beam_quality。

强度表示光束区域中的激光功率，最好是焦点中。因此，其单位为W / cm²。这里的问题是您所采用的光束区域 — 详细讨论可以在www.rp-photonics.com/optical_intensity找到。

光束轮廓是激光束中强度分布的名称。根据该分布，它可能是平顶（矩形分布）或高斯分布。单模光束通常（接近）高斯光束，而多模光束通常不是高斯光束。它可以具有各种形状，这取决于混合模式的数量和强度分布。

激光源的亮度可以测量其输出功率和光束质量。基本上，它是激光功率除以BPP得出的。因此，其单位为W / cm² * sr，请参阅www.rp-photonics.com/brightness了解更多详情。

第2步：选择激光类型

在第二步中，我们将尝试更具体的激光类型。在这里，我们面临很多选择。正确的方法是权衡选项并选择总权重最大的选项（参见表2）。灰色阴影区域显示了通常可用于单发射器激光二极管的不同选项。

表2.参数选择和权重。

为清楚起见，我们仅关注边发射激光二极管。其他常见的激光类型，包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）、条形/叠层、阵列或量子级联激光器（QCL），这些激光器由于显着偏离的特性，不在我们的讨论范围内。但是，可以使用类似的方法对这些激光器类型进行评估，以缩小合适的解决方案范围。注意，这些边缘发射激光二极管的输出功率通常随设计提供的光束质量而变化（见图）。

在不同的激光二极管类型中，较高的光束质量通常伴随较低的输出功率。

为了做出决定，我们首先使用适合我们应用的参数标记所有字段（即，我们关于构建激光干涉仪的示例）。行中没有用于波长容限的标记，因为我们没有对其进行任何限制。因此，权重为零。对于线宽，我们计算了10到100 MHz之间的值，因此稳定脊波导柱中的<50 MHz听起来合理。由于这是一个关键参数，因此它的权重为2。

我们继续在其他行中进行标记，并根据我们的应用程序的需要为最后一列中的重要性赋予权重。在最后一行，我们总结所有标签乘以其权重。事实证明，“单频激光/稳定脊波导激光型”柱的权重高为9。因此，这就是我们所寻找的激光二极管的类型。

通过记录每个单元格中的权重，您可以使此图表变得更加复杂。如果一个参数的大小可能一旦比需要的要好一些（0.5的权重很好）或者只是在规范内（2是关键的），这可能是一个聪明的做法。如果您希望在参数空间的边缘使用更便宜的解决方案，如果您希望在此参数的安全方面，则可以在此调整。

第3步：选择激光材料

波长对于应用来说通常非常重要，但是你知道为什么某个公司的激光只覆盖特定的波长范围吗？那是因为他们使用的材料允许或禁止特定的波长范围。

表3.激光二极管材料选择。

表3概述了具体材料及其波长范围。在我们的例子中，探测器基于Si，它将我们的激光发射波长限制在<1100 nm。这意味着氮化镓（GaN）或砷化镓（GaAs）激光二极管可能对我们来说是很好的选择。通常，紫外（UV）溶液比可见光（VIS）或近红外（NIR）的激光二极管更昂贵，因此我们将VIS标记为NIR材料。

第4步：制作您的最终图表并进行搜索

现在，我们拥有正确选择激光二极管所需的所有参数。表4显示了在前面的图表中得出的一组参数，以及我们将在下面讨论的一些剩余参数：

操作模式（连续波[CW]，脉冲或调制）。这会对热管理产生巨大影响，因此也会对包装风格产生巨大影响。对于具有低占空比的脉冲或脉冲调制激光二极管，废热可能较少，因此封装尺寸可以更小。

光束准直（自由空间、带集成光学器件或光纤尾纤）。这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）是有用的。

封装。我是否有平面（例如PCB或散热片）或圆形（管）环境？第一种是蝴蝶或扁平包装解决方案，后者是TO罐头。是否有任何整体尺寸限制？我是否需要与现有解决方案的兼容性？对于基于TO的封装，必须确定引脚配置（m型，n型或p型）以及尺寸（5.6对9 mm）。对于14引脚蝶形封装，必须区分电信和泵钉扎。

价格。最重要的一点，激光二极管的定价有一个重要的规则。如果您的绝对中心波长没有严格固定，请寻找商品激光器。一些大型供应商（例如，Lumentum或Sony）为消费者应用提供某些激光二极管，例如游戏机或智能手机。在工业领域，存在一些用于光纤激光泵浦或光谱学的流行波长，例如852或980nm。那些激光二极管比其他激光二极管便宜得多。