MKS产品教程之激光管技术科普（二）

▍激光二极管的光电特性

像散

随着激光二极管在过去十五年中的发展，开发了具有不同特性的各种结构。第一批激光二极管使用增益引导结构，这些结构易于制造，从而以较低的制造成本产生可靠的器件。这种类型的结构支持多种模式，从而产生多条光谱线和像散。像散是两个轴的视焦点不重合的一种情况。它将激光束聚焦到较小的光斑尺寸的能力限制（图9），并使输出光束聚焦到清晰定义的点变得复杂。

图9.像散问题示意图。

▍偏振

平行偏振矢量和垂直偏振矢量之比称为偏振比。激光二极管在接近其最大输出功率额定值时可以达到100比1或更高的偏振比。

▍激光二极管光束的准直

由于激光二极管的输出是高度发散的，需要特殊的准直光学器件。传统上使用模制非球面或多元素玻璃透镜来准直输出。这些准直器通常具有0.5或更好的数值孔径来收集整个激光输出光束。

使用透镜，激光二极管的输出光可以形成小发散的准直光束。这种高方向性的强光准直光束有许多用途，例如在土木工程中的大型结构对准或在CD播放器的读取头中。此外，由于激光的相干性质，其性质在空间和时间上保持不变。这在材料变形的干涉测量中很有用。如果增益引导的激光二极管光束被准直或聚焦，则使用柱面透镜来解释散光。使用长焦距透镜来补偿像散，然后准直镜可以提供在两个轴上都有小发散的光束。

准直光束仍然是椭圆形的，可以使用变形棱镜对进行圆化。要么压缩长轴，要么扩展短轴，使其成为圆形光束。将激光二极管的输出光束聚焦到单模光纤中也会产生环形输出。光纤充当滤波器，因为只有一种模式沿光纤传播。光纤的输出是圆形、锥形光束，具有高度高斯形状，并且具有低数值孔径（N. A.<0.1）。使用简单的球面透镜来完成准直。

用于准直激光二极管的新技术包括微透镜和衍射光学，两者都产生非常紧凑的封装。微透镜正好粘合在激光二极管发光孔的前面。完整的组件适合激光二极管封装。衍射光学是使用光刻技术制造的，这种技术在大批量生产时具有高重复性和极低的批量成本。衍射光学安装在外部，但仍然导致极小的激光二极管封装。

▍激光二极管的光谱特性

光谱

激光二极管的光谱取决于激光器光学腔的特定特性。大多数传统增益或折射率引导设备具有多个峰值的光谱，而分布式反馈（DFB）和分布式布拉格反射器（DBR）类型的设备显示单个明确定义的光谱峰值。图10显示了这两种光谱行为之间的比较。

图10.多模与单模光谱。

激光器能够支持的光谱线的数量是腔结构以及工作电流的函数。结果表明，多模激光二极管在其中心波长周围表现出具有多个峰值的光谱输出。通过激光腔传播的光波在激光器的两个反射镜刻面之间形成驻波。两个反射镜之间的距离L决定了这条曲线的振荡周期。只有当腔长L是存在于两个反射镜之间的半波长的整数m时，这种驻波才会共振。换句话说，在腔的每一端都必须存在一个节点。发生这种情况的唯一方法是L正好是半波长λ/2的整数倍。这意味着L=m（λ/2），其中λ是半导体物质中的光的波长，并且通过折射率n与自由空间中的光的波长相关，关系为 λ = λ(o）/n。由于这种情况，激光二极管的腔中可以存在许多纵向模式，每个模式都以λ（m）=2L/m的独特波长谐振。由此您可以注意到两个相邻的纵向激光模式被 Δλ = (λ(o））（2）/2nL的波长分开。即使是单模器件也可以在低输出功率下支持多种模式，如图11所示。随着工作电流的增加，一种模式开始占据主导地位，直到超过一定的工作功率水平，出现单个窄线宽谱。

图11.工作电流水平对输出频谱的影响。

中心波长随温度变化

激光二极管的中心波长与其工作温度成正比。温度和中心波长之间存在线性关系（如图12所示）。随着温度的升高，激光二极管的中心波长也会增加。这一特性在光谱学应用、固态激光器的激光二极管泵浦和掺铒光纤放大器中很有用，其中激光二极管的发射波长可以根据与之相互作用的材料的特定特性进行精确的温度调谐。

图12.温度对激光二极管中心波长的影响。

跳模

单模激光器表现出一种称为跳模的现象（图13），其中激光二极管的中心频率在离散的波段上跳跃，并且在广泛的范围内不显示连续调谐。人们可以通过对驱动电流进行小的调整来改变发生不连续的波长。当为需要特定波长的应用（例如光谱学）选择特定的激光二极管时，在温度调谐设备时必须考虑跳模。

图13.单模激光二极管温度调谐时观察到的跳模。

▍激光二极管寿命要求

激光二极管的工作寿命取决于其工作温度。在20℃下工作的高质量激光二极管的寿命可能超过100,000小时。激光二极管故障通常定义为保持指定输出功率所需的工作电流增加初始电流的某个百分比（50%）的时间点。测量的温度是激光二极管封装的外壳温度。制造商通常提供指定输出功率的寿命曲线。

▍静电放电对激光二极管的影响

激光二极管对静电放电（ESD）极其敏感，必须小心处理。处理激光二极管时，始终遵循制造商的说明，将激光二极管从其运输容器中取出。您必须小心确保您的激光二极管在处理过程中得到适当的保护。一般来说，操作员必须正确接地，并且在处理激光二极管时应使用导电手指护罩。所有设备必须正确接地。您应始终密切遵循制造商的规范和说明，以进行适当的散热。强烈建议不要直接焊接到激光二极管封装或其电引线上。最好将所有电气连接都连接到一个插座上，比如晶体管插座，这样激光二极管就可以插进去了。

▍激光二极管的电流源要求

激光二极管需要一种称为激光二极管驱动器的低噪声电流源。标准电源通常作为恒定电压源运行，没有激光二极管所需的必要保护电路。对于大多数激光二极管应用来说，它们也太嘈杂。此外，激光二极管很容易因电压和电流波动和瞬变而损坏。已经开发了专门的电路设计来保护激光二极管免受损坏。保护的第一阶段包括输入交流电源滤波和高速瞬态检测电路。低压和交流线路瞬态检测电路以及屏蔽变压器提供额外的保护。

当输出电流打开或关闭时，电源内可能会出现瞬时内部瞬变。每当输出关闭时，激光二极管驱动器应将激光二极管的输出短路。这是通过在输出端使用冗余场效应晶体管和继电器短路器件来实现的。在开启阶段，这些短路器件保护激光二极管免受电压和电流瞬变的影响。延迟几秒钟后，输出电流在几毫秒至几百毫秒内缓慢上升到设定值。

激光二极管驱动器的另一个必要特性是独立的电流限制。该限制与设定值分开设置，并覆盖任何可能导致输出电流超过激光二极管最大电流额定值的条件。一些电流源使用与电流限制类似的软件可编程功率限制。虽然电流限制是硬连线的，但必须对功率限制进行编程，因此必须知道光电二极管的响应性才能正确设置功率限制。两者都独立工作以保护您的激光二极管。

▍激光二极管的温度控制

由于许多参数取决于激光二极管的温度，因此使用热电温度控制器设置和保持稳定的温度非常重要。大多数激光二极管应用使用基于珀尔帖效应的热电（TE）冷却器来保持恒温。TE模块是半导体“热泵”，将热量从器件的一侧转移到另一侧。根据电流流经TE冷却器的方向，您可以加热或冷却激光二极管。使用了几种类型的温度传感器：热敏电阻、I. C.传感器和铂电阻温度器件（RTD）。最常用的是热敏电阻，因为它体积小，响应时间快。热敏电阻和RTD是非线性电阻器件。两者都需要一个小的精确电流源来偏置它们。温度的变化导致电阻的变化，器件上的电压降与温度成正比。每个器件都有一个将电阻转换为温度的特征方程。斯坦哈特-哈特方程用于将热敏电阻的电阻转换为温度，并根据所需的精度使用两个或三个常数。

图14.常用温度传感器对比。

I. C.传感器是线性设备，其输出可以很容易地转换并以°C显示。虽然它们是线性的，但它们不如热敏电阻精确。图14总结了每个温度传感器及其优点。实时数字仿真系统主要用于需要极其稳定的传感器以实现非常长期和精确的温控应用的地方。实时数字仿真系统的主要缺点是它们的电阻变化很小，这使得很难测量小的绝对温度变化。

另一方面，热敏电阻具有非常大的电阻变化，可以轻松测量温度的微小变化。它们也是三种传感器中最小的，这使它们成为集成到激光二极管封装中的理想候选者。带有集成TE冷却器的激光二极管封装使用10kΩ热敏电阻作为温度传感器件。

▍激光二极管的测试和表征

通常需要定量评估激光二极管的质量、性能和特性。这是通过进行一系列实验并获得各种参数来完成的，我们可以从中确定激光二极管的性能如何。然后可以确定激光二极管是否符合所需的规格。

该实验装置的核心是激光二极管支架和积分球探测器系统。激光二极管支架旨在为大功率激光二极管提供简单的空气冷却。

图15显示了一个实验实验室设置示例，该设置可用于准确快速地对大功率激光二极管进行全面表征。通过使用LabView等PC和控制软件，该设置可以完全自动化，以实现仪器控制和数据采集的完全自动化。

图15.典型的计算机控制激光二极管测试和表征设置。

在激光二极管测量中，在对输出光功率进行精确测量时，使用积分球设置是绝对必要的。激光二极管具有高度发散的光束轮廓，积分球的使用确保收集和测量激光二极管发出的所有光。此外，它使测量对精确的检测器定位不敏感。然后用校准的光功率计测量检测器产生的信号。这种设置使得准确测量各种波长的激光二极管的输出光成为可能。光学测量系统通常使用GPIB或USB进行计算机控制。

此外，积分球可以配备光纤端口。这用于对光进行采样并将其引导到光谱分析仪的输入端。以这种方式，除了L. I.V特性之外，还可以同时测量激光二极管光谱和发射峰值波长。

封装激光二极管的过程是非常劳动密集型的，也是这些器件制造中昂贵的一部分。正因为如此，在完整的器件制造之前，通常需要充分评估制造激光二极管的半导体晶片的质量。除了晶片经历的一系列结构、电气和光学表征测试之外，最常见的是广域激光器也从晶片中加工出来，然后进行测试，以确定晶片是否为“器件质量晶片”。这防止了低质量材料用于器件制造。由于这些器件在没有粘合在散热器上的情况下进行测试，并且没有完全封装，因此绝对有必要在低占空比脉冲电流条件下完成所有测试和表征。以这种方式，散热不是问题，并且可以确定设备的特性，而无需完全封装它们。图16显示了脉冲条件下激光二极管表征的实验设置。请注意，在这种情况下，使用探针站来探测并向每个设备注入电流，激光二极管驱动器是电流脉冲发生器。

图16.使用探针站装置对未安装在散热器上的激光二极管芯片和激光二极管条进行脉冲表征的典型实验设置。

使用这种实验装置，可以进行完整的激光二极管测试和表征；从而确定诸如阈值电流和阈值电流密度、外部差分量子效率、内部量子效率、内部损耗、光谱和发射峰值波长、串联电阻和特征温度等重要参数。