德思特干货｜如何用 AWG 控制脉冲激光输出？

脉冲激光二极管驱动器

脉冲激光二极管提供强功率短脉冲的能力，使其成为目标指定和测距等军事应用的理想选择。事实上，开发这些二极管的许多历史动机都有军事渊源。然而，当今的技术进步和成本降低的大背景之下，在测试测量和医学领域新的应用得以开辟。

连续激光和脉冲激光

标准激光二极管的发射功率从几毫瓦到几瓦的连续辐射，而脉冲激光器以较低的占空比运行输出，因此散热较低。脉冲激光器和连续激光器的另一个不同点是脉冲激光器输出端面的反射率通常要低得多。

典型的连续激光器的阈值保持较低，它的发射宽度限制在5至35 µm。尽管激光阈值电流与该宽度成正比，但脉冲激光器产生的高增益允许发射宽度增加至400 µm，峰值功率也相应增加。如果不采取预防措施，这种宽度和短谐振器在高增益下的组合可能会导致旋转，其中循环功率在增益区域内跳动，而不是在端面之间直接来回跳动。

影响激光器阈值的另一个因素是光束发散角。脉冲激光器的结构通常配置为提供小于25°的光束发散角，而典型的连续激光器则提供35°至45°的光束发散角。更紧密的光束是通过允许光子扩散到“大光学腔”中来实现的，这是横向较弱的波导，减少了增益区域中的光子数量。由于脉冲激光结构中没有内置横向波导，因此该方向上的光束发散度通常为10°。

脉冲激光二极管用高电流脉冲驱动，产生短的高功率光脉冲。为了实现大多数应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。这意味着100 ns光脉冲之后会出现100 µs的暂停；换而言之，可提供重复率在千赫兹范围内的非常短的脉冲。最大脉冲长度通常在200 ns范围内；更常见的是3到50 ns之间的脉冲。产生这些光脉冲需要10 A左右的电流。如此高的电流水平需要快速开关晶体管和适当的电路，所有电气连接保持尽可能短以减少电感损耗。

在受益于连续激光技术进步的同时，脉冲激光器也经过了优化，可在其独特的应用中提供高性能并促进经济生产。当第一批商用GaAs脉冲激光器问世时，其波长为905 nm。它接近硅探测器的峰值响应度，并且附近有一个水吸收峰，这减少了环境光的干扰并提高了探测灵敏度。随着新技术和基于不同半导体材料的激光器的出现，生产各种波长的激光器变得可行。在1550 nm范围内工作的激光器因其出色烟雾种的传输能力而受到更多关注。另一个明显的优点是，与较短的波长相比，该波长对视力的危害较小。

飞行时间和其他功能

前面提到，在质谱仪中，离子源起着关键作用，它决定了这种质谱仪可以分析的样品类型。其中一种为制药工业提供巨大潜力的技术就是共振增强多光子电离（REMPI）。REMPI是基于激光的一种气相光谱技术，它会全程结合计算机运算，从而生成精确的待测分子（如神经递质）的结构信息。而运用这种技术的REMPI质谱仪，则能有效帮助研究人员理解分子行为，并最终为药物设计提供理论依据。

具体来说，REMPI技术会把分子冷却到几开尔文，然后测量其电子（和红外）光谱。而要获得优美且精简的光谱，为分析可能的分子构型提供条件，还离不开另一个模块——飞行时间光谱分析仪，它的作用就是根据不同的飞行时间（或者说到达时间）来区分不同的离子。图1展示了位于澳大利亚墨尔本的拉特罗布大学开发的REMPI质谱仪系统。

脉冲激光二极管的许多应用都是重要测距应用的变体，其中通过测量从目标反射或反向散射的激光脉冲的飞行时间来计算目标距离。利用这一原理，一些更复杂的仪器可以在长达10公里的距离内进行精确测量。例如，警用激光“测速枪”可以在1000米（3300英尺）的高度测量高达155英里/小时（250公里/小时）的车辆速度，精度为1%到3%。与传统的射频测速枪不同，传统的射频测速枪直接根据反射信号中的多普勒频移的大小来测量速度，而激光测速枪通过比较不同时间的距离测量来计算速度。

由于成本降低，对眼睛安全的测距仪已可用于各种娱乐活动。例如，猎人可以购买激光测距设备来测量到目标的距离，在数百米的范围内精度可达一两米。

同样，高尔夫球手可以购买便宜的激光测距仪来尝试改善他们的障碍。在一些人可能认为在某些应用中，汽车工程师正在开发基于脉冲激光二极管的测距仪，以警告驾驶员注意危险。激光测距传感器也被广泛使用。脉冲激光二极管在汽车防撞系统中提供光信号，用作船舶的导航辅助设备，特别是在港口。

在激光安全扫描仪中，脉冲激光二极管会在自动化生产线等潜在危险区域周围形成光幕。使用编码脉冲发射，可以监控二维窗帘以区分想要的形状。脉冲激光二极管的高峰值功率与雪崩光电二极管结合使用时，可提供区分形状所需的灵敏度。除了充当安全接口之外，此类设备还可以提供远程管理和诊断功能。类似的系统越来越多地部署在智能高速公路上，以调节流量并识别收费站的车辆。

此外，重要的研究支持脉冲激光二极管在激光针灸和治疗等医疗应用中，具有明显的伤口愈合能力。这里优选625至905 nm光谱范围内的波长。后者的波长深入渗透到组织和骨骼中，以减轻关节的疼痛、肿胀和炎症以及其他疾病。激光必须是脉冲的，以达到穿透和吸收所需的功率，而不损坏细胞。

使用激光二极管生成短而强大的脉冲代表了一种适用于各种应用的使能技术，而由于技术或经济原因，连续激光二极管无法解决这些应用。Laser Components和其他制造商已开发出商业产品，并为此类应用提供850、905和1550 nm的器件，具有多种输出功率和发射面积，包括单个发射器和堆叠器件。

德思特 AWG -5000允许您直接控制脉冲激光二极管，或使用电光或声光调制器间接控制它。

脉冲激光二极管需要以高振幅和非常短且窄的脉冲进行驱动：德思特AWG-5000可以创建矩形、高斯、指数形状脉冲，振幅高达5 Vpp、110 ps的上升和下降时间以及最小脉冲宽度230皮秒。

以下屏幕截图显示了使用德思特任意波形发生器UI界面下，轻松创建不同脉冲并通过示波器显示它们的可能性。

结论

德思特AWG-5000系列为您提供极其灵活的高性能解决方案，可生成应对当今量子光学、光子学和激光应用挑战所需的所有类型的脉冲或信号。新行业的要求和新产品的开发增加了对尖端测试设备仪器的需求，德思特AWG-5000可以满足最苛刻的应用和科学家的最新想法。