在當(dāng)今科技領(lǐng)域，激光二極管（半導(dǎo)體激光器，LD）作為一種能將電能高效轉(zhuǎn)換為高功率光能的半導(dǎo)體器件，憑借其相干性高、光譜寬度窄和方向性強(qiáng)等顯著發(fā)光特點(diǎn)，在通信、醫(yī)療、工業(yè)切割和焊接等眾多關(guān)鍵領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。不過，在使用過程中，我們需要特別留意過電流、靜電和發(fā)熱等問題。在設(shè)計(jì)驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，恰當(dāng)?shù)碾娏骺刂坪蜔峁芾碇陵P(guān)重要，因此建議引入激光二極管保護(hù)電路和冷卻系統(tǒng)。下面將為大家詳細(xì)總結(jié)使用激光二極管時(shí)需要了解的各項(xiàng)注意事項(xiàng)。

激光二極管的特性

首先，我們來深入了解一下激光二極管的基本特性，同時(shí)介紹產(chǎn)品規(guī)格書中用于表示這些特性的術(shù)語和符號(hào)，剖析封裝內(nèi)部的電路結(jié)構(gòu)，這些內(nèi)容在選用激光二極管時(shí)具有重要的參考價(jià)值。

1. 光輸出功率 Po：這是激光二極管為基礎(chǔ)的特性之一。光輸出功率 Po 指的是當(dāng)一定大小的電流正向流過激光二極管時(shí)，其輸出的光功率大小，單位為 [W]。這種電流與光輸出功率的關(guān)系用曲線圖表示時(shí)，被稱為 “I - L 特性曲線”（光輸出功率 - 正向電流特性曲線）。從該曲線中我們可以清晰地看到，當(dāng)流過一定電流時(shí)，所獲得的光輸出功率會(huì)隨著溫度的升高而降低。也就是說，溫度越高，要獲得既定的光輸出功率，所需的電流就越大。例如，以 RLD65NZX2 為例，在 25℃時(shí)獲得 5mW 光輸出功率所需的電流為 30mA，而在 70℃時(shí)，要獲得相同的光輸出功率，所需電流則增加到了 44mA。目前，已實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)的激光二極管光輸出功率范圍為幾 mW～幾百 W。在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)具體的應(yīng)用領(lǐng)域合理地選擇所需光輸出功率的激光二極管是非常關(guān)鍵的。
   

   

2. 振蕩波長 λ（振蕩光譜）：波長是用頻率來表示從激光二極管輻射出的光的顏色的重要指標(biāo)，也是實(shí)際使用激光二極管時(shí)的一個(gè)關(guān)鍵特性。其單位為 nm（納米），光的波長越短越接近紫外線（UV）或藍(lán)光，波長越長越接近紅外線（IR）。在激光二極管中，不同的特定波長會(huì)導(dǎo)致通信的電波特性以及對(duì)特定物質(zhì)的吸收和反射率等存在差異。因此，我們需要根據(jù)其具體的使用用途，選擇與其特性相匹配的波長。此外，在使用過程中還需充分考慮振蕩波長的溫度依賴性和光輸出功率依賴性。當(dāng)芯片結(jié)區(qū)（有源層）溫度升高時(shí)，諧振腔的長度會(huì)發(fā)生物理延長，折射率增大，所以隨著光輸出功率的增加，殼體溫度升高，振蕩波長會(huì)呈現(xiàn)變長的趨勢(shì)。
   

   

3. 遠(yuǎn)場(chǎng)圖（FFP：Far Field Pattern）：雖然在一般認(rèn)知中，激光通常被認(rèn)為是筆直的平行光束，但實(shí)際上激光二極管振蕩產(chǎn)生的光束是具有發(fā)散性的。輻射到離激光二極管的芯片端面足夠遠(yuǎn)的地方的光的強(qiáng)度分布就被稱為 “遠(yuǎn)場(chǎng)圖”。激光的光束并非都是直線光，它會(huì)因衍射而在傳播過程中逐漸發(fā)散開來。由于芯片內(nèi)的諧振腔（有源層和條形電極）在垂直方向是以數(shù)十 nm 級(jí)、水平方向是以數(shù) μm 級(jí)制作而成，所以一般情況下，遠(yuǎn)場(chǎng)圖在有源層上的垂直方向比水平方向要大。
   

   

   
   

   

激光二極管特性的定義

• Absolute Maximum Ratings（額定值）：額定值是指在任何外部條件下，即使是瞬間也不能超過的值。該數(shù)值是按照殼體溫度 Tc = 25℃時(shí)進(jìn)行規(guī)定的。
• 光輸出功率 [Po (max.)]：即連續(xù)工作時(shí)的允許輸出功率。在光輸出功率 - 正向電流特性曲線圖中，到達(dá)該光輸出功率之前不會(huì)出現(xiàn)扭折（彎曲）。
  

  

• 反向耐壓 (Vr)：指在產(chǎn)品上施加反向偏壓時(shí)的允許電壓，激光二極管和光電二極管會(huì)分別進(jìn)行規(guī)定。
• 工作溫度 (Topr)：產(chǎn)品工作時(shí)允許的環(huán)境溫度，是按照產(chǎn)品的殼體溫度進(jìn)行定義的。
• 存儲(chǔ)溫度 (Tstg)：產(chǎn)品存放時(shí)允許的環(huán)境溫度。
• Characteristics（電氣特性和光學(xué)特性）：表示在 Conditions 所述條件下驅(qū)動(dòng)激光二極管時(shí)的特性。
• 閾值電流 (Ith)：在相關(guān)特性圖中，A 為自發(fā)輻射區(qū)，B 為激光振蕩區(qū)。激光振蕩開始時(shí)的電流值即為閾值電流。激光振蕩區(qū)的電流 - 光輸出功率直線的延長線與 X 軸的交點(diǎn)定義為 Ith。
• 工作電流 (Iop)：輸出既定光輸出功率時(shí)所需的正向電流。
• 工作電壓 (Vop)：輸出既定光輸出功率時(shí)的正向電壓。
• 微分效率 (η)：單位驅(qū)動(dòng)電流所對(duì)應(yīng)的光輸出功率的平均增量，表示激光振蕩區(qū)內(nèi)的正向電流與光輸出功率直線的斜率。
  

  

• 監(jiān)控電流 (Im)：向監(jiān)控光電二極管施加既定的反向電壓的條件下，輸出既定光輸出功率時(shí)該光電二極管的輸出電流值。
• 水平發(fā)散角 (θ//) 和垂直發(fā)散角 (θ⊥)：從激光輻射出的光束是呈發(fā)散狀的。當(dāng)在平行于結(jié)平面的方向（x 方向）和垂直于結(jié)平面的方向（y 方向）上測(cè)量該分布時(shí)，其結(jié)果如圖所示。該分布中峰值強(qiáng)度的 1/2 處的發(fā)散寬度（半值全角）稱為 “θ//” 和 “θ⊥”，按角度進(jìn)行定義。
  

  

  
  

  

• 水平方向光軸偏移量 (Δ?//) 和垂直方向光軸偏移量 (Δ?⊥)：表示相對(duì)于基準(zhǔn)面的光軸偏差。水平和垂直方向的發(fā)散角分布均按 (a - b)/2 進(jìn)行定義。
  

  

• 發(fā)光點(diǎn)位置 (ΔX，ΔY，ΔZ)：表示發(fā)光區(qū)域的位置偏差。ΔX 和 ΔY 表示相對(duì)于封裝中心的偏差，ΔZ 表示相對(duì)于基準(zhǔn)面的偏差。
  

  

• 振蕩波長 (λp)：輸出既定光輸出功率時(shí)的峰值振蕩波長。振蕩光譜存在單模和多模兩種類型，其中多模是按光譜中的光強(qiáng)的波長進(jìn)行定義的。
  

  

• 功率轉(zhuǎn)換效率 (PCE)：這是衡量電能能夠多高效地轉(zhuǎn)換為光能的重要指標(biāo)。
• 像散差 (As)：指激光二極管發(fā)出的光在垂直方向和水平方向的不同位置形成焦點(diǎn)的現(xiàn)象。這兩個(gè)焦點(diǎn)間的距離定義為像散差（Astigmatism，As）。像散差可能對(duì)激光光束的質(zhì)量和形狀產(chǎn)生很大影響，因此必須將該值控制在范圍內(nèi)。
  

  

激光二極管封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和電路

激光二極管封裝的內(nèi)部結(jié)構(gòu)主要可分為內(nèi)置光電二極管型和不內(nèi)置光電二極管型兩種。其中，光電二極管的作用是監(jiān)測(cè)激光二極管的光輸出功率，以確保其保持恒定。以 3pin 封裝為例，ROHM 將從激光二極管封裝頂部（激光光束發(fā)射的方向）俯視時(shí)的引腳按順時(shí)針方向依次標(biāo)記為 1、2 和 3 號(hào)。其中 3 號(hào)引腳作為激光二極管和光電二極管的共用引腳，通常被稱為 “公共引腳”。

激光二極管使用注意事項(xiàng)

激光二極管屬于非常精密的器件，在使用過程中有諸多注意事項(xiàng)。其中，特別重要的幾點(diǎn)包括不能超過額定值、需采取浪涌電流保護(hù)措施和靜電防護(hù)措施（ESD）、需通過引入適當(dāng)?shù)睦鋮s系統(tǒng)進(jìn)行溫度控制以及針對(duì)高功率光束的安全措施。使用激光二極管時(shí)，需嚴(yán)格遵循以下要點(diǎn)，以確保安全使用。

1. 額定值：激光二極管若在超出額定值的條件下工作，會(huì)造成其瞬間損壞或性能下降，從而大大降低產(chǎn)品的可靠性。因此，必須確保即使在瞬時(shí)也不得超出規(guī)定的額定值。一方面，電源開關(guān)通斷時(shí)產(chǎn)生的浪涌電流可能導(dǎo)致器件損壞，使用時(shí)必須仔細(xì)檢查電源瞬態(tài)特性，確保浪涌電流水平不超過額定值。另一方面，額定值是按照殼體溫度 25℃時(shí)的數(shù)值進(jìn)行規(guī)定的。隨著溫度升高，光輸出功率及允許功耗會(huì)降低，導(dǎo)致工作范圍受限。所以，請(qǐng)務(wù)必基于額定值進(jìn)行設(shè)計(jì)。
2. 靜電和浪涌防護(hù)措施：激光二極管具有在受到靜電等浪涌電流時(shí)容易發(fā)生光學(xué)災(zāi)變損傷（COD*）的特性。與其他普通的分立器件產(chǎn)品相比，其靜電耐受能力（ESD * 等級(jí)）非常低，因此需格外小心地使用。當(dāng)正向浪涌流入激光二極管時(shí)，過高的光密度會(huì)集中于發(fā)光區(qū)域而造成過度發(fā)光，從而損壞發(fā)光區(qū)域和輸出腔面，導(dǎo)致發(fā)光效率降低或完全停止工作。COD 一旦發(fā)生就無法再獲得破壞前的光學(xué)性能，是一種嚴(yán)重的、性的損傷。這種損傷可能在短時(shí)間內(nèi)發(fā)生，因此預(yù)防措施至關(guān)重要。
   • *ESD：Electro Static Discharge 的縮寫，意思是靜電放電。
   • *COD：Catastrophic Optical Damage 的縮寫，表示腔面發(fā)生的光學(xué)性損傷。
     

     

   • 預(yù)防 COD 的要點(diǎn)：激光二極管靜電損壞的原因多為 “人體產(chǎn)生的靜電” 或 “設(shè)備電源開關(guān)時(shí)的尖峰電壓” 引起的浪涌電流沖擊。在使用激光二極管時(shí)，請(qǐng)采取以下防護(hù)措施：
     • 作業(yè)環(huán)境：將設(shè)備和電路接地（確保噪聲不會(huì)通過地線進(jìn)入），并在每個(gè)電源輸入端采取噪聲濾波器和噪聲消除變壓器等浪涌靜電防護(hù)措施。
     • 作業(yè)人員：作業(yè)人員必須穿戴防靜電工作服、工作帽和工作鞋。尤其是操作過程中必須佩戴防靜電手環(huán)，并通過 1MΩ 的高電阻將身體接地。
     • 搬運(yùn)和儲(chǔ)存容器：使用經(jīng)過防靜電處理的容器。
     • 其他：電源開關(guān)時(shí)若產(chǎn)生過大的尖峰狀浪涌電流，會(huì)導(dǎo)致激光器受損，造成性能劣化，需特別注意。避免在類似熒光燈啟輝器的設(shè)備附近使用，因?yàn)樵诋a(chǎn)生高頻浪涌的設(shè)備附近，感應(yīng)浪涌可能導(dǎo)致激光器性能劣化或損壞。
       

       

3. 高溫對(duì)策（散熱）：激光二極管與常規(guī)半導(dǎo)體一樣，長時(shí)間通電后結(jié)區(qū)會(huì)發(fā)熱，導(dǎo)致器件溫度上升。若散熱不足，殼體溫度升高會(huì)造成光輸出功率降低，因此為維持既定的光輸出功率必須注入更多的電流。而正向電流的增加又會(huì)引起殼體溫度進(jìn)一步升高，形成正向電流進(jìn)一步增大的惡性循環(huán)。因此，請(qǐng)?jiān)诩す舛O管的底座部位緊密貼附鋁等材料的散熱板（尺寸 30x30x3mm 以上）再使用。
4. 安全保障：激光二極管發(fā)射的光束若使用不當(dāng)，可能會(huì)對(duì)人體造成嚴(yán)重影響，具有較高的危險(xiǎn)性。直視或通過透鏡觀看激光二極管發(fā)射的光束，可能會(huì)導(dǎo)致失明。此外，輸出功率較高的激光光束照射到皮膚上可能會(huì)引起灼傷等炎癥。需要注意的是，看不見的紅外線和紫外線與可見光一樣危險(xiǎn)，不可見并不意味著安全，反而需要更加謹(jǐn)慎地使用。調(diào)整光軸時(shí)，應(yīng)使用 TV 攝像機(jī)等設(shè)備，切勿直視激光或照射他人。ROHM 的激光二極管根據(jù)光輸出功率和波長分為 Ⅲb 級(jí)和 Ⅳ 級(jí)，在產(chǎn)品規(guī)格書及產(chǎn)品包裝袋上均印有如下圖所示的警告標(biāo)簽。
   

   

5. 封裝的使用：請(qǐng)勿將封裝從高處跌落或?qū)ζ涫┘舆^大的壓力。需特別注意不要在引腳彎曲的成型加工時(shí)損壞玻璃密封部，或因封裝內(nèi)部的引線受力造成鍵合線斷裂。
   • 帶玻璃窗的產(chǎn)品：切勿觸碰激光二極管的玻璃窗部位，如果玻璃窗有劃痕或臟污會(huì)導(dǎo)致激光器的光學(xué)特性發(fā)生變化。
   • 開放式封裝產(chǎn)品：外部環(huán)境可能會(huì)導(dǎo)致產(chǎn)品特性和可靠性下降。應(yīng)對(duì)碳粉、人體異物、香煙煙霧等異物、離子引起的腐蝕、粘合劑和助焊劑中的揮發(fā)性成分的影響、冷凝以及光鑷效應(yīng)等采取充分的措施。另外，需注意不要觸摸包括激光芯片發(fā)光區(qū)域在內(nèi)的帽殼內(nèi)部構(gòu)件。
6. 偏振特性：偏振光是指電場(chǎng)和磁場(chǎng)振動(dòng)方向具有規(guī)律性的光。激光二極管的光束具有偏振特性，當(dāng)電場(chǎng)振動(dòng)方向平行于激光二極管芯片的結(jié)平面時(shí)稱為 “TE（Transverse Electric wave）?！?，當(dāng)電場(chǎng)振動(dòng)方向垂直于結(jié)平面時(shí)則稱為 “TM（Transverse Magnetic wave）?！?。TE 模與 TM 模因產(chǎn)品而異，使用偏振光學(xué)器件時(shí)需特別注意。
7. 光輸出功率的測(cè)量：測(cè)量激光二極管的光輸出功率時(shí)需使用光功率計(jì) —— 一種用于定量測(cè)量光信號(hào)強(qiáng)度的電子測(cè)試設(shè)備。
   • 測(cè)量準(zhǔn)備：首先，根據(jù)使用波長對(duì)光功率計(jì)進(jìn)行正確設(shè)置與校準(zhǔn)。其次，為了在穩(wěn)定的溫度環(huán)境中工作，需在激光二極管上安裝散熱板，并使用溫度控制器。
   • 測(cè)量步驟：步，調(diào)整光功率計(jì)的受光面使激光的所有光束都入射到受光面上。第二步，將受光面相對(duì)于光軸傾斜 5 - 20° 以避免來自光功率計(jì)受光面的反射光返回至激光二極管。第三步，向激光二極管注入電流，并用光功率計(jì)測(cè)量輸出光功率。第四步，記錄測(cè)量到的光輸出功率，必要時(shí)繪制圖表做成 I - L 特性曲線。
8. I - L 特性 [注入電流 (I) 和光輸出功率 (L) 的關(guān)系]：(I - L) 特性表示正向電流 (IF) 和光的輸出功率 (PO) 之間的關(guān)系，即光輸出功率隨電流的增加是如何變化的。通過該特性可以確認(rèn)激光二極管開始振蕩的閾值電流 (Ith) 和工作電流 (Iop)。另外，監(jiān)控電流 (Im) 是指內(nèi)置的光電二極管檢測(cè)到從激光芯片背面輻射的激光光束時(shí)所獲得的電流。通過測(cè)量 I - L 特性，不僅可以評(píng)估激光二極管的性能和工作狀態(tài)，還可判斷更佳工作條件。