Диодные лазеры — скрытые чемпионы современной лазерной технологии — от простых лазерных указателей до сложных спутников квантовой связи, лазерные диоды есть повсюду. Они предлагают высочайшую эффективность, компактность и, что самое главное, снижение цены за ватт. И они доступны во множестве различных модификаций.
Многие люди рассматривают возможность использования лазерного диода — некоторые могут подумать о совершенно новых системах, в то время как другие просто хотят заменить старый газовый лазер в своем продукте. Проблема заключается в разнообразии вариантов, поскольку доступно множество различных лазерных диодов, и принятие правильного решения может занять несколько дней как у инженера, так и у специалиста по продажам.
Это руководство поможет ответить на самые важные вопросы: какой лазерный диод подходит для конкретного применения? Какие параметры имеют первостепенное значение, а какими можно пренебречь?
В руководстве будет задан ряд вопросов, которые направят читателя к таблице, как можно быстро найти подходящий лазерный диод. Этот логический процесс может помочь любому, от аспиранта до опытного инженера, найти хорошее решение. Логика этого руководства является результатом многих лет, потраченных авторами на консультации с различными заказчиками в поисках подходящего лазерного диода.
Шаг 1. Превратите требования к применению в параметры лазера
Сферы применения широки — будь то аналитическое оборудование для наук о жизни, сверхмощные лазеры для разведывательных миссий, затравочные диоды для систем обработки материалов или сверхстабильные лазерные диоды для метрологических задач — все дело в правильном выборе правильного лазерного диода.
Чтобы найти подходящий лазерный диод для вашего случая, вы, вероятно, начнете с набора параметров, определяемых вашим приложением. Мы сделаем это здесь с помощью примера — предположим, мы хотим создать приличный лазерный интерферометр для профилирования поверхности или измерения скорости.
Для этого устройства нам понадобится лазерный диод с длиной когерентности от 1 до 10 м, а интерферометрическая картина должна оставаться стабильной при изменении температуры (<0,1 нм / K). Нам нужен коллимированный гауссов пучок, мощность которого должна быть> 80 мВт. Используемый нами детектор основан на кремнии (Si), который работает только для длин волн<1100 нм. Сама центральная длина волны и поляризация в этом случае менее важны. На данный момент мы понятия не имеем о упаковке или закреплении.
В таблице 1 показаны данные, которые у нас есть на данный момент, с указанием чистых требований к приложениям слева и параметров лазера справа. Исходя из длины когерентности, мы можем вычислить ширину линии, используя = c / L = 9,6–95,5 МГц.
Для тех, кто плохо знаком с этой областью, мы должны объяснить параметры более подробно.
Длина когерентности — это расстояние, на котором когерентность значительно уменьшается. Фактически, это относится даже к длине временной когерентности, но для наших целей достаточно определения, приведенного выше. Дополнительные сведения и калькулятор можно найти на сайте www.rp-photonics.com/coherence_length. Позже в этом уроке мы использовали следующую формулу: = c / L, где — ширина полосы (или ширина линии), c — скорость света, а L — длина когерентности.
Спектральное разрешение обозначает соотношение между полосой пропускания (в нанометрах) и длиной волны: R = / . В случае спектрографа или, в более общем смысле, частотного спектра, это мера способности лазера разрешать особенности в электромагнитном спектре.
Если вы хотите рассчитать полосу пропускания в мегагерцах (МГц) на основе нанометрового (нм) значения, вы можете использовать формулу = * c / 2 или Интернет-калькулятор, например, на сайте www.photonicsolutions.co.uk/ длины волны, который даже предлагает преобразование в волновые числа (см-1) и четыре других единицы ширины полосы.
Некоторые датчики для обнаружения лазерного сигнала используют интерференционные фильтры, чтобы блокировать посторонний свет. Таким образом, длина волны лазерного источника должна оставаться в пределах небольшого диапазона пропускания фильтра. Для производителя это важная информация, но в нашем примере ограниченным допуском центральной длины волны можно пренебречь.
Качество луча можно определить несколькими способами. Один из них — коэффициент M2, который говорит о том, насколько близок луч к его идеальной гауссовой форме. Итак, 1.0 означает идеальный гауссов пучок. Другой — произведение параметров луча (BPP), для которого мы должны умножить перетяжку луча в фокусе на расходимость дальнего поля.
Интенсивность обозначает мощность лазера в области луча, предпочтительно в фокусе. Соответственно, его единица измерения — Вт / см2. Вопрос в том, что вы берете за площадь луча.
Профиль луча — это название распределения интенсивности в лазерном луче. В зависимости от этого распределения оно может быть плоским (прямоугольное распределение) или гауссовым. Одномодовый луч обычно (близок к) гауссову, тогда как многомодовый луч обычно не гауссовский. Он может иметь различные формы в зависимости от количества и распределения интенсивности смешанных мод.
Яркость лазерного источника измеряет его выходную мощность и качество луча одним числом. По сути, это мощность лазера, деленная на BPP. Следовательно, его единица измерения — Вт / см2.
Шаг 2: Выбор типа лазера
На втором этапе мы постараемся уточнить тип лазера. Здесь перед нами множество вариантов. Правильный способ пройти через это — взвесить варианты и выбрать тот, у которого наибольший общий вес (см. Таблицу 2). Поля, заштрихованные серым цветом, показывают различные варианты, которые обычно доступны для лазерных диодов с одним излучателем.
Для ясности мы сосредоточимся только на лазерных диодах с торцевым излучателем. Другие распространенные типы лазеров, включая лазеры с поверхностным излучением с вертикальным резонатором (VCSEL), линейки / стопки, массивы или квантово-каскадные лазеры (QCL), не являются предметом нашего обсуждения из-за значительных отклонений в характеристиках. Тем не менее, каждая из этих семей может быть оценена с помощью аналогичной методологии, чтобы найти подходящее решение. Обратите внимание, что выходная мощность этих лазерных диодов с торцевым излучением обычно варьируется в зависимости от качества луча, обеспечиваемого конструкцией.
Чтобы принять решение, мы сначала помечаем все поля параметрами, которые подходят нашему приложению (то есть нашему примеру о создании лазерного интерферометра). В строке нет метки для допуска по длине волны, потому что мы не накладывали на это никаких ограничений. Соответственно и вес равен нулю. Для ширины линии мы рассчитали что-то между 10 и 100 МГц, поэтому<50 МГц в стабилизированной гребневой колонне волновода звучит разумно. Поскольку это критический параметр, ему присваивается вес 2.
Мы продолжаем размещать теги в других строках и даем вес важности в последнем столбце по мере необходимости для нашего приложения. В последней строке мы суммируем все теги, умноженные на их вес. Оказывается, столбец «Одночастотный лазер / тип лазера с стабилизированным гребенчатым волноводом» имеет самый высокий вес — 9. Следовательно, это именно тот тип лазерного диода, который мы ищем.
Вы можете сделать эту диаграмму еще более сложной, отметив вес в каждой ячейке. Это может быть разумно, если размер одного параметра может когда-то быть намного лучше, чем необходимо (хорошо иметь вес 0,5) или только в пределах спецификаций (2 имеет решающее значение). Вы можете настроить здесь, если предпочитаете более дешевое решение на краю вашего пространства параметров или хотите быть в безопасности для этого параметра.
Шаг 3: Выбор лазерного материала
Длина волны часто очень важна для приложения, но знаете ли вы, почему лазер определенной компании покрывает только определенный диапазон длин волн? Это материал, который они используют, который разрешает или запрещает определенные диапазоны длин волн.
Таблица 3 дает обзор конкретных материалов и их диапазонов длин волн. В нашем примере детектор основан на Si, что ограничивает длину волны лазерного излучения<1100 нм. Это означает, что нам могут подойти лазерные диоды из нитрида галлия (GaN) или арсенида галлия (GaAs). Обычно ультрафиолетовые (УФ) растворы дороже, чем лазерные диоды в видимом (VIS) или ближнем инфракрасном (NIR) диапазоне, поэтому мы маркируем материал VIS-to NIR.
Шаг 4. Составьте окончательную диаграмму и приступайте к поиску
Теперь у нас есть все параметры, необходимые для правильного выбора лазерного диода. В таблице 4 показан набор параметров, полученных из предыдущих диаграмм, плюс некоторые оставшиеся параметры, которые мы обсудим ниже:
Рабочий режим (непрерывный [CW], импульсный или модулированный). Это может иметь огромное влияние на управление температурой и, следовательно, на стиль упаковки. Для импульсных или импульсно-модулированных лазерных диодов с низким коэффициентом заполнения может быть меньше отходящего тепла, и поэтому размер корпуса может быть меньше.
Коллимация луча (в свободном пространстве, со встроенной оптикой или с оптоволоконным соединением). Это сильно зависит от вашего приложения. Часто бывает полезен стандартизованный интерфейс оптического соединителя, такой как соединитель с наконечником (FC) или стандартный соединитель (SC).
Упаковка. У меня плоская (например, печатная плата или радиатор) или круглая (трубка) среда? Первый приводит к решениям в форме бабочки или плоской упаковки, а второй — к тазу. Есть ли общие ограничения по размеру? Нужна ли мне прямая совместимость с существующими решениями? Для корпусов на основе TO необходимо определить конфигурацию выводов (m-, n- или p-тип), а также размер (5,6 против 9 мм). Для 14-контактных корпусов типа «бабочка» следует различать коммутацию контактов и насосов.
Ценообразование. Прежде всего, есть одно важное правило ценообразования на лазерные диоды. Если ваша абсолютная центральная длина волны не зафиксирована жестко, поищите стандартные лазеры. Некоторые крупные поставщики (например, STARLASER) предоставляют определенные лазерные диоды для потребительских приложений, таких как игровые консоли или смартфоны. В промышленной сфере существуют некоторые популярные длины волн, например 852 или 980 нм для накачки волоконным лазером или спектроскопии. Эти лазерные диоды намного дешевле других.
С другой стороны, индивидуальный лазерный диод имеет преимущество большей безопасности для серийного производства, так как вы можете стать стратегическим партнером поставщика лазерных диодов, и поставщик не прекратит производство без предварительного уведомления. Это важно, если вы переходите от единичных устройств к партиям, включающим до сотен или десятков тысяч лазерных диодов в год — объем, который все еще остается вне поля зрения массовых продавцов.
Имея данные в таблице 4, вы можете либо связаться с поставщиком лазерных диодов, либо начать поиск в Интернете самостоятельно. Если вы выберете прямой поиск, вы можете взять первые четыре ключевых слова (RWS, одночастотный лазер, 630–1120 нм / GaAs, CW,> 80 мВт), и вы сможете быстро найти разумное количество хороших контактов.
Если вы обратитесь к поставщику лазерных диодов, эти таблицы могут сэкономить вам много времени. Поставщик сразу поймет ваши потребности, и вы сможете сократить длительные обсуждения возможных решений, которые не подходят для вашего приложения.