脈沖激光二極管提供強(qiáng)功率短脈沖的能力，使其成為目標(biāo)標(biāo)定和測距等軍事應(yīng)用的理想選擇。事實(shí)上，開發(fā)這些二極管的許多歷史動(dòng)機(jī)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(shí)現(xiàn)對脈沖激光輸出的高效控制，同時(shí)解析這一技術(shù)背后的原理及其在多個(gè)行業(yè)中的實(shí)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(yùn)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(gè)不同點(diǎn)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(huì)導(dǎo)致旋轉(zhuǎn)，其中循環(huán)功率在增益區(qū)域內(nèi)跳動(dòng)，而不是在端面之間直接來回跳動(dòng)。

影響激光器閾值的另一個(gè)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(kuò)散到“大光學(xué)腔"中來實(shí)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(dòng)，產(chǎn)生短的高功率光脈沖。為了實(shí)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(huì)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)碾娐罚须姎膺B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(shí)，脈沖激光器也經(jīng)過了優(yōu)化，可在應(yīng)用中提供高性能并促進(jìn)經(jīng)濟(jì)生產(chǎn)。當(dāng)?shù)谝慌逃肎aAs脈沖激光器問世時(shí)，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(gè)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(gè)明顯的優(yōu)點(diǎn)是，與較短的波長相比，該波長對視力的危害較小。

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(shí)間來計(jì)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，“測速槍"可以在1000米（3300英尺）的高度測量高達(dá)155英里/小時(shí)（250公里/小時(shí)）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(shí)間的距離測量來計(jì)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(dòng)。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(xiǎn)。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(huì)在自動(dòng)化生產(chǎn)線等潛在危險(xiǎn)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(shí)，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(fèi)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(qiáng)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(jì)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(gè)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(dòng)：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(shí)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。

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。