了解激光二极管，包括封装类型，应用，驱动电路，和一些激光二极管规格。
什么是激光二极管?
激光二极管是一种半导体激光器，它在形式和操作上与发光二极管(LED)非常相似。
激光这个术语最初是一个缩略语:通过辐射的受激发射进行光放大。因此，激光是一种基于电磁辐射的受激发射，通过光学放大过程发出光的装置。
激光二极管在电方面相当于aPIN二极管．PIN二极管(见下面的图1)是一个宽的、未掺杂的本征半导体区域夹在中间的二极管p型半导体和n型半导体。这两个p类型和n型区域通常是重掺杂的。
图1所示。PIN二极管的描述。图片由Georg Wiora (Dr. Schorsch)［使用3.0］
激光二极管的“有源区”位于我(内在)地区。电子和空穴(即载流子)被泵入我地区的n和p地区,分别。下面的图2显示了一个激光二极管的外壳被切掉。实际的激光二极管芯片是前面的黑色小芯片;后面的光电二极管用来控制输出功率。
图2。一个激光二极管，外壳被切掉。图片由约翰Maushammer［3.0 CC冲锋队］
与led相比，激光二极管有更快的响应时间，可以将辐射聚焦到直径1微米的区域。
包类型
激光二极管有多种封装类型。下面是一些例子:
图3。TO5 (9mm)激光二极管封装。图片由Digi-Key．
图4。TO3激光二极管封装。图片由Lasermate
图5。C-mount激光二极管封装。图片由aitc-group.com
图6。高热负载包。图片由伦敦铁路有限公司
应用程序
一系列小型激光二极管用于激光指针和条形码扫描器。然而，最常见的激光二极管可以在CD- rom和CD播放机中找到。这种类型的激光二极管会产生一束波长为780nm或780nm左右的不可见光束，这是近红外光谱。近红外光谱区域如图7所示。
图7。近红外属于红外光谱。图片由dew.globalsystemsscience.org
DVD-RW(读/写)驱动器使用比cd - rom使用更高功率的激光二极管。更强大的是蓝光播放器中的蓝色激光二极管(因此得名)。
可见的激光二极管可以在条形码和通用产品代码扫描仪(如杂货店中使用的)、激光指针以及x光机、CT和MRI扫描仪中的定位设备中找到。
在DVD设备中发现的波长更短的激光(约635纳米)使它们能够存储比cd多8倍的数据;dvd每张碟片可以存储5GB左右，而cd只能存储650MB左右。
激光的另一个应用是分子鉴定。根据semanticscholar.org，“利用成形飞秒激光脉冲实现的可控分子光碎裂和电离与质谱结合，实现了一个强大的多维工具，用于快速、准确、可重复和定量的分子鉴定。”
准直透镜(见下面的图8)用于光谱仪的设置。这些光学透镜有助于准直(即使精确的平行)光线，这使得光谱仪用户可以控制视野、收集效率和空间分辨率。
图8。准直透镜。图片由Thorlabs．
激光二极管驱动电路
所有的激光二极管都需要适当的驱动电路。没有它，二极管会经历由于不稳定的注入电流而产生的工作温度波动。其影响范围从直接和永久性的损坏(由二极管燃烧引起)到二极管寿命的缩短。
驱动电路基本为二极管提供稳定和可预测的电流。有两种主要的方法用于从激光二极管获得所需的稳定的光输出。这些包括:
- 自动电流控制(ACC)或恒流控制．这种技术，就像它的名字一样，为二极管提供恒定的电流。这种方法消除了光电二极管反馈回路的需要。这种简单而廉价的方法的缺点是，随着激光二极管温度的变化，光输出也会发生变化。然而，这种驱动电路可以与二极管温度控制电路相补充。恒流与温控二极管的耦合已被证明是一种普遍的解决方案。然而，没有温度控制的恒流设备仍然被用于廉价、低端和低功耗的情况和产品(想想那些在便利店出售的超便宜的激光笔)。
- 自动功率控制(APC)电路．这个激光二极管驱动电路使用一个光电二极管反馈回路来监控输出并提供一个信号来控制激光二极管。这种控制方案允许激光二极管保持恒定的输出电平。这种自动恒定功率控制技术可以防止光输出功率随着激光二极管温度的降低而增加。然而，如果不适当的散热导致温度上升，光功率将下降。因此，驱动电路将增加注入电流，以保持所需的恒定光功率。可以看到，可能会经历热失控导致激光被损坏或破坏。
无论使用哪种类型的驱动电路，临界点是防止驱动电流超过最大运行水平。这样做，即使是一纳秒，也可能导致激光二极管端面镜面涂层的损坏。换句话说，标准的实验室电源不应该被用来直接给激光二极管供电，因为它不能提供足够的电路保护。
记住，大多数激光二极管应用都需要某种散热器。不恰当的热设计会导致激光二极管结温度迅速升高，这可能会降低、损坏或破坏设备。
激光二极管驱动电路，如下图9所示，代表了一个使用恒流源的简单驱动电路。
图9。一个简单的激光二极管驱动电路利用“透明国际”的LM317(PDF)。
更复杂的激光驱动电路，如下图10所示，使用10位DAC(使用3线串行输入)来操作和维持激光二极管在恒定的平均光输出功率。该电路还允许对激光进行数字脉冲/调制。这是通过连接到IC4的数字输入线(MOD)来实现的。此外，该电路使用光电二极管作为反馈技术，以产生与激光束强度成比例的电流。下面列出了本电路设计中使用的组件:
- R6将光电二极管电流转换为电压。
- 元器件R8, C6, R10和IC3组成“漏”积分器电路。这个积分器消除了调制中的变化。
- 积分器电路通过监测R6上的电压并将其与DAC的参考电压(IC1)进行比较来产生错误信号。这个错误信号是驱动Q1的基础通过调节通过激光二极管的电流来控制光功率。
- 当从MOD输入的信号控制Q1的基部时，R9提供隔离并帮助稳定IC3。
- R1确保激光电流低于激光阈值，但高到足以允许一个可接受的开启时间，以进行通信和调制。
图10。一个激光驱动器的例子。图片由马克西姆集成．
激光二极管的重要规格
- 激光波长λp：由激光二极管发出的光的波长。
- 单模器件:激光输出的单谱线的波长。
- 多模器件:具有最大强度的谱线的波长。
- 阈值电流,我th：增益满足激光条件的电流。
- 当低于阈值电流点时，很少发出光(激光)。
- 当达到或高于当前阈值时，器件开始产生激光输出。
- 操作电流、我人事处：在规定的工作温度下产生规定的激光器输出所需的正向电流量。
- 操作电压,V人事处：当器件在指定的工作温度下产生指定的激光输出时，穿过激光二极管的正向电压。
- 光功率输出，PO：最大允许的瞬时光(激光)输出功率。这对连续或脉冲操作模式都是有效的。
- 工作温度范围:的范围情况下激光装置可以安全操作的温度。
- 光电二极管暗电流，ID (PD)：当光电二极管反向偏置时的漏电流。
- 暗电流与温度和电压有关。
- 理想的二极管/光电二极管没有反向电流。
- 斜率效率、SE:当激光器工作在激光区域时，与正向电流增量变化相对应的光功率增量变化的平均值。
- 这个定义也被称为微分效率。
- 上升时间:光输出从其最大值的10%上升到90%所需的时间。
总结
激光二极管是一种半导体器件，利用受激发的电磁辐射和光学放大来发光。虽然在本文中讨论了激光的一些应用，但这个列表远没有涵盖所有的应用。例如，美国军方和美国宇航局都将激光用于多种用途。
虽然所有的激光都应该被认为对你的眼睛有危险，因此，应该始终受到尊重，但有些激光比其他的更强大。基本的激光器，例如那些在便宜的激光笔，需要简单的驱动电路，而其他激光器需要复杂的控制和冷却系统。随着激光及其驱动电路的发展，我们肯定会找到新的应用领域。
特色图像使用的礼貌Warsash科学．
