脈沖激光二極管提供強功率短脈沖的能力，使其成為目標(biāo)指定和測距等軍事應(yīng)用的理想選擇。事實上，開發(fā)這些二極管的許多歷史動機都有軍事淵源。然而，當(dāng)今的技術(shù)進(jìn)步和成本降低的大背景之下，在測試測量和醫(yī)學(xué)領(lǐng)域新的應(yīng)用得以開辟。

然而，要充分利用這些二極管的潛力，精確控制其脈沖輸出至關(guān)重要。本文將深入探討如何使用任意波形發(fā)生器（AWG），特別是德思特TS-AWG7000系列，來實現(xiàn)對脈沖激光輸出的高效控制，同時解析這一技術(shù)背后的原理及其在多個行業(yè)中的實際應(yīng)用。

一、連續(xù)激光和脈沖激光

標(biāo)準(zhǔn)激光二極管的發(fā)射功率從幾毫瓦到幾瓦的連續(xù)輻射，而脈沖激光器以較低的占空比運行輸出，因此散熱較低。脈沖激光器和連續(xù)激光器的另一個不同點是脈沖激光器輸出端面的反射率通常要低得多。

典型的連續(xù)激光器的閾值保持較低，它的發(fā)射寬度限制在5至35 μm。盡管激光閾值電流與該寬度成正比，但脈沖激光器產(chǎn)生的高增益允許發(fā)射寬度增加至400 μm，峰值功率也相應(yīng)增加。如果不采取預(yù)防措施，這種寬度和短諧振器在高增益下的組合可能會導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)，其中循環(huán)功率在增益區(qū)域內(nèi)跳動，而不是在端面之間直接來回跳動。

影響激光器閾值的另一個因素是光束發(fā)散角。脈沖激光器的結(jié)構(gòu)通常配置為提供小于25°的光束發(fā)散角，而典型的連續(xù)激光器則提供35°至45°的光束發(fā)散角。更緊密的光束是通過允許光子擴散到“大光學(xué)腔”中來實現(xiàn)的，這是橫向較弱的波導(dǎo)，減少了增益區(qū)域中的光子數(shù)量。由于脈沖激光結(jié)構(gòu)中沒有內(nèi)置橫向波導(dǎo)，因此該方向上的光束發(fā)散度通常為10°。

脈沖激光二極管用高電流脈沖驅(qū)動，產(chǎn)生短的高功率光脈沖。為了實現(xiàn)大多數(shù)應(yīng)用所需的非常高的峰值光功率，占空比通常保持在0.1%以下。這意味著100 ns光脈沖之后會出現(xiàn)100 μs的暫停；換而言之，可提供重復(fù)率在千赫茲范圍內(nèi)的非常短的脈沖。最大脈沖長度通常在200 ns范圍內(nèi)；更常見的是3到50 ns之間的脈沖。產(chǎn)生這些光脈沖需要10 A左右的電流。如此高的電流水平需要快速開關(guān)晶體管和適當(dāng)?shù)碾娐?，所?a href="http://www.brongaenegriffin.com/v/tag/2364/" target="_blank">電氣連接保持盡可能短以減少電感損耗。

在受益于連續(xù)激光技術(shù)進(jìn)步的同時，脈沖激光器也經(jīng)過了優(yōu)化，可在其獨特的應(yīng)用中提供高性能并促進(jìn)經(jīng)濟生產(chǎn)。當(dāng)?shù)谝慌逃肎aAs脈沖激光器問世時，其波長為905 nm。它接近硅探測器的峰值響應(yīng)度，并且附近有一個水吸收峰，這減少了環(huán)境光的干擾并提高了探測靈敏度。隨著新技術(shù)和基于不同半導(dǎo)體材料的激光器的出現(xiàn)，生產(chǎn)各種波長的激光器變得可行。在1550nm范圍內(nèi)工作的激光器因其出色煙霧種的傳輸能力而受到更多關(guān)注。另一個明顯的優(yōu)點是，與較短的波長相比，該波長對視力的危害較小。

二、飛行時間和其他功能

脈沖激光二極管的許多應(yīng)用都是重要測距應(yīng)用的變體，其中通過測量從目標(biāo)反射或反向散射的激光脈沖的飛行時間來計算目標(biāo)距離。利用這一原理，一些更復(fù)雜的儀器可以在長達(dá)10公里的距離內(nèi)進(jìn)行精確測量。例如，警用激光“測速槍”可以在1000米（3300英尺）的高度測量高達(dá)155英里/小時（250公里/小時）的車輛速度，精度為1%到3%。與傳統(tǒng)的射頻測速槍不同，傳統(tǒng)的射頻測速槍直接根據(jù)反射信號中的多普勒頻移的大小來測量速度，而激光測速槍通過比較不同時間的距離測量來計算速度。

由于成本降低，對眼睛安全的測距儀已可用于各種娛樂活動。例如，獵人可以購買激光測距設(shè)備來測量到目標(biāo)的距離，在數(shù)百米的范圍內(nèi)精度可達(dá)一兩米。

同樣，高爾夫球手可以購買便宜的激光測距儀來嘗試改善他們的障礙。在一些人可能認(rèn)為在某些應(yīng)用中，汽車工程師正在開發(fā)基于脈沖激光二極管的測距儀，以警告駕駛員注意危險。激光測距傳感器也被廣泛使用。脈沖激光二極管在汽車防撞系統(tǒng)中提供光信號，用作船舶的導(dǎo)航輔助設(shè)備，特別是在港口。

在激光安全掃描儀中，脈沖激光二極管會在自動化生產(chǎn)線等潛在危險區(qū)域周圍形成光幕。使用編碼脈沖發(fā)射，可以監(jiān)控二維窗簾以區(qū)分想要的形狀。脈沖激光二極管的高峰值功率與雪崩光電二極管結(jié)合使用時，可提供區(qū)分形狀所需的靈敏度。除了充當(dāng)安全接口之外，此類設(shè)備還可以提供遠(yuǎn)程管理和診斷功能。類似的系統(tǒng)越來越多地部署在智能高速公路上，以調(diào)節(jié)流量并識別收費站的車輛。

此外，重要的研究支持脈沖激光二極管在激光針灸和治療等醫(yī)療應(yīng)用中，具有明顯的傷口愈合能力。這里優(yōu)選625至905 nm光譜范圍內(nèi)的波長。后者的波長深入滲透到組織和骨骼中，以減輕關(guān)節(jié)的疼痛、腫脹和炎癥以及其他疾病。激光必須是脈沖的，以達(dá)到穿透和吸收所需的功率，而不損壞細(xì)胞。

使用激光二極管生成短而強大的脈沖代表了一種適用于各種應(yīng)用的使能技術(shù)，而由于技術(shù)或經(jīng)濟原因，連續(xù)激光二極管無法解決這些應(yīng)用。Laser Components和其他制造商已開發(fā)出商業(yè)產(chǎn)品，并為此類應(yīng)用提供850、905和1550 nm的器件，具有多種輸出功率和發(fā)射面積，包括單個發(fā)射器和堆疊器件。

德思特TS-AWG7000允許您直接控制脈沖激光二極管，或使用電光或聲光調(diào)制器間接控制它。

脈沖激光二極管需要以高振幅和非常短且窄的脈沖進(jìn)行驅(qū)動：德思特TS-AWG7000可以創(chuàng)建矩形、高斯、指數(shù)形狀脈沖，振幅高達(dá)5 Vpp、110 ps的上升和下降時間以及最小脈沖寬度230皮秒。

以下屏幕截圖顯示了使用德思特任意波形發(fā)生器UI界面下，輕松創(chuàng)建不同脈沖并通過示波器顯示它們的可能性。

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德思特TS-AWG7000系列為您提供極其靈活的高性能解決方案，可生成應(yīng)對當(dāng)今量子光學(xué)、光子學(xué)和激光應(yīng)用挑戰(zhàn)所需的所有類型的脈沖或信號。

新行業(yè)的要求和新產(chǎn)品的開發(fā)增加了對尖端測試設(shè)備儀器的需求，德思特TS-AWG7000可以滿足最苛刻的應(yīng)用和科學(xué)家的最新想法。

審核編輯 黃宇