MKS产品教程之激光管技术科普 （一）

激光二极管的商业和工业用途如今急剧增加，这是因为激光二极管的光学特性、小尺寸和坚固性使许多新用途得以商业化。考虑到激光二极管的小尺寸，其输出非常亮，现在数百瓦特的功率可从在连续波（CW）条件下工作的激光二极管商业上获得，封装小至几立方英寸，这一特性使这些设备适用于有线电视传输、高清电视（HDTV）开发和医疗应用。

此外，与其他类型的激光器相比，激光二极管使用的功率非常小。大多数激光二极管在小于2V的电压降下工作，功率要求由其电流设置决定。激光二极管的总体效率通常大于30%。

由于激光二极管由半导体材料制成，它们不需要气体激光器典型的易碎玻璃外壳或镜面对准。由此产生的坚固性和小尺寸允许激光二极管用于其他类型激光器无法运行的环境和空间。

激光二极管的相干性和单波长特性使这些器件的输出能够聚焦到衍射限制的光斑大小。合成光斑的大小取决于激光的波长——光的波长越短，可以产生的光斑越小。在较短的蓝色和紫外波长下运行可以使较小的光斑大小成为可能，从而允许以更高的密度在光盘上存储更多的信息。

激光二极管的另一个优点是可以在高频下直接调制，通过调制驱动电流，在高速数据通信中以高达数GHz的频率调制激光二极管的输出。

▍低功率激光二极管

低功率激光二极管具有多种封装形式。大多数都含有与激光二极管集成的监控光电二极管。 一般来说，激光二极管从其腔体的两端发射光。，通过监测激光二极管的后端输出光束，可以将激光器保持在恒定的功率水平。 对于 1 W 或更低范围内的功率水平，最常用的封装是 TO-Can 型， 直径底座为5.6 毫米或 9 毫米（图 1），其他封装包括用于更高功率激光二极管 (>1 W) 的 TO-3 封装。

图 1. 罐式封装中激光二极管和监控光电二极管的排列。

通信激光二极管采用蝶形或 DIL（双列直插式）14 引脚封装（图 2）。 大多数都包含热电冷却器 (TEC) 模块，并且都包含一个散热安装板。

图 2a：双列直插 14 针通信激光二极管

图 2b：蝶形封装通信激光二极管

许多其他封装包括用于脉冲激光二极管的同轴罐和各种光纤尾纤激光二极管，CD/DVD风格的激光二极管集成到定制设计的外壳中，包括聚焦光学器件和光纤输出。

其他结构包括垂直腔面发射激光器（VCSEL）和主振荡器功率放大器（MOPA）激光器。VCSEL激光二极管（图3）可以制造成二维阵列，用于光学计算、打印和通信。它们的激光结构具有圆形孔径，允许使用简单的球形透镜轻松准直输出光束。已经开发了MOPA激光器，以增加单模激光二极管的输出功率，同时保持较窄的线宽。这些激光二极管结构具有产生非常窄光谱输出的振荡器部分，以及在不影响光谱输出的情况下增加输出功率的集成功率放大器部分。

图3.二维VCSEL阵列的扫描电子显微照片。照片由科罗拉多州博尔德Picolight公司的Axel Scherer提供。

需要更窄光谱线宽的应用需要将激光器振荡限制在单模的结构。折射率制导装置提供必要的限制，从而产生具有很少或没有像散的单模输出光束。然而，从激光二极管发出的光的发散非常明显的，垂直轴上的半峰全宽（FWHM）角度高达40度 (θ(⊥)) 平行轴上为10度 (θ(||)). 这种发散导致椭圆锥体快速膨胀。增益引导的激光二极管往往比折射率引导的激光二极管在两个角度之间具有更大的差异。图4说明了θ平行轴和θ垂直轴上的光束发散。

图4折射率制导装置及其发散输出光束轮廓的示意图。

单频激光二极管是激光二极管家族中另一个有趣的成员。这些器件现在可以满足光谱学和高带宽通信的要求。这些结构的其他优点是更低的阈值电流和更低的功率要求。这种类型的结构的一种是分布式反馈（DFB）激光二极管（图5）。它已被开发成以1300 nm和1550 nm之间的光纤通信波长发光。

图5.各种类型的单频半导体激光器：DFB、DBR和外部光栅器件。

由于激光在狭窄的波长范围内发射光，它们也可用于传感和光谱学。例子包括检测痕量气体和对特定波长的光有反应的元素。通过适当选择激光二极管和波长调谐，人们可以检测这些元素。

▍ 高功率激光二极管   

如今，在大约0.8-1.1微米的波长范围内工作的高功率激光二极管由于其广泛的应用而受到广泛关注。这些激光器用于固态激光器的光泵浦，例如Nd： YAG，取代了传统的闪光灯设计。高功率激光二极管被调谐到介电晶体的吸收带，从而更有效地泵浦激光棒，从中发射高功率聚焦相干光束。该光束可用于各种工业、医疗和军事应用。激光二极管已经被开发出来，以匹配宽波长范围内各种介电晶体的吸收带。图6显示了高功率激光二极管封装的两种常见变化。

图6a：巴条（Bar)大功率激光二极管封装样式

图6b：单管大功率激光二极管封装样式

除了涉及固态激光棒泵浦的应用之外，高功率激光二极管在光纤通信方面也非常有用。在这些应用中，工作在980 nm波长的高功率激光二极管用作掺铒光纤放大器的泵浦源。这种光放大器用于直接光放大沿长途通信线路传播的1550 nm波长通信信号。在这种方式中，无需使用电放大电路，光信号被直接放大，效率更高，并且无需将光信号转换为电信号再转换回来。

通过将几个巴条高功率激光二极管堆叠在一起，可以制造输出功率可能在千瓦范围内的堆叠激光二极管阵列（图7）。这种设备在工业焊接和金属以及各种其他材料的精密切割等应用中开辟了广泛的新可能性。

图7.典型大功率堆叠巴条激光二极管封装示意图。

▍激光二极管的光电特性

阈值电流和阈值电流密度

也许用激光二极管仪表测量的激光二极管最重要的参数是当电流注入器件时它们发光的程度。这会产生输出光与输入电流曲线，通常称为L. I.曲线，如图8所示。随着注入电流的增加，激光首先显示自发辐射，逐渐增加，直到它开始发出受激辐射，这是激光作用的开始。第一个引起关注的参数值是发生这种现象的确切电流值。这通常称为阈值电流，并由符号I（th）表示。通常希望阈值电流尽可能低，从而产生更高效的器件。因此，阈值电流是用于量化激光二极管性能的一种测量方法。

特征温度

在大多数应用中，激光二极管在高温下表现良好的能力是非常令人感兴趣的。在高功率激光二极管的情况下，这尤其值得关注，其中产生的功率量会导致器件温度显着上升。因此，半导体晶体必须足够坚固，以免在高温下遭受器件劣化。激光二极管的特征温度，通常称为T（o）（发音为T-零），是器件温度灵敏度的衡量标准。较高的T（o）值意味着器件的阈值电流密度和外部微分量子效率随着温度的升高的速度越慢。这意味着激光的热稳定性更高。为了测量激光二极管的特征温度，有必要通过实验测量激光在不同温度下的L. I.曲线。然后将结果制成表格并确定T（o）。通常，人们在15°C至约80°C的温度下，以5或10度的增量进行这些测量。传统的AlGaAs激光器通常具有120度以上的T（o）值。请参阅Newport的应用注释1，激光二极管的测试和表征，了解更多关于这个主题的信息，包括实验技术和计算方法。

动态串联电阻                          

激光二极管的串联电阻通常是通过计算器件的电压与注入电流特性曲线的导数来确定的。这样做的一种方法是使用计算机程序分析确定实验获得的器件的电压与电流特性曲线的一阶导数（Newport的应用注释1中对此主题有更多介绍）。激光二极管的高串联电阻值可能是器件两侧沉积的低质量金属欧姆接触的结果。因此，测量串联电阻值可以是评估激光上沉积的金属接触质量的一种手段。