В современной оптоэлектронике полупроводниковые лазеры выделяются своей компактной конструкцией, высокой эффективностью и быстрым откликом. Они играют важнейшую роль в таких областях, как связь, здравоохранение, промышленная обработка и измерение дальности. Однако при обсуждении характеристик полупроводниковых лазеров часто упускается из виду один, казалось бы, простой, но чрезвычайно важный параметр — рабочий цикл. В данной статье подробно рассматриваются концепция, расчёты, последствия и практическое значение рабочего цикла в полупроводниковых лазерных системах.
1. Что такое рабочий цикл?
Коэффициент заполнения — это безразмерное отношение, используемое для описания доли времени, в течение которого лазер находится во включенном состоянии в течение одного периода повторяющегося сигнала. Обычно он выражается в процентах. Формула: Коэффициент заполнения = (Длительность импульса)/Период импульса)×100%. Например, если лазер излучает импульс длительностью 1 микросекунда каждые 10 микросекунд, рабочий цикл составит: (1 мкс/10 мкс)×100%=10%..
2. Почему важен рабочий цикл?
Хотя это всего лишь соотношение, рабочий цикл напрямую влияет на терморегулирование лазера, срок службы, выходную мощность и общую конструкцию системы. Давайте разберём его значение:
① Управление температурой и срок службы устройства
В высокочастотных импульсных режимах более низкий коэффициент заполнения означает более продолжительные интервалы между импульсами, что способствует охлаждению лазера. Это особенно полезно в мощных приложениях, где управление коэффициентом заполнения может снизить тепловые нагрузки и продлить срок службы устройства.
② Регулировка выходной мощности и оптической интенсивности
Более высокий коэффициент заполнения приводит к увеличению средней оптической мощности, в то время как более низкий коэффициент заполнения снижает среднюю мощность. Регулировка коэффициента заполнения позволяет точно настраивать выходную энергию без изменения пикового тока возбуждения.
③ Реакция системы и модуляция сигнала
В системах оптической связи и лидарах рабочий цикл напрямую влияет на время отклика и схемы модуляции. Например, в импульсной лазерной локации правильный выбор рабочего цикла улучшает обнаружение эхо-сигналов, повышая как точность измерения, так и частоту.
3. Примеры применения рабочего цикла
① LiDAR (лазерное обнаружение и определение дальности)
В лазерных дальномерах с длиной волны 1535 нм обычно используется конфигурация с низким рабочим циклом и высокой пиковой мощностью импульса, обеспечивающая как дальность обнаружения, так и безопасность для глаз. Коэффициенты рабочего цикла часто контролируются в диапазоне от 0,1% до 1%, что позволяет сбалансировать высокую пиковую мощность с безопасной и холодной работой.
② Медицинские лазеры
В таких областях применения, как дерматологические процедуры или лазерная хирургия, различные рабочие циклы приводят к разным тепловым эффектам и терапевтическим результатам. Высокий рабочий цикл обеспечивает устойчивый нагрев, тогда как низкий рабочий цикл обеспечивает мгновенную импульсную абляцию.
③ Обработка промышленных материалов
При лазерной маркировке и сварке рабочий цикл влияет на распределение энергии по материалам. Регулировка рабочего цикла играет ключевую роль в контроле глубины гравировки и проплавления сварки.
4. Как выбрать правильный рабочий цикл?
Оптимальный рабочий цикл зависит от конкретного применения и характеристик лазера:
①Низкий рабочий цикл (<10%)
Идеально подходит для применений с высокими пиковыми значениями коротких импульсов, например, для измерения дальности или прецизионной маркировки.
②Средний рабочий цикл (10–50%)
Подходит для высокочастотных импульсных лазерных систем.
③Высокий рабочий цикл (>50%)
Приближается к режиму непрерывной волны (CW), используемому в таких приложениях, как оптическая накачка и связь.
Другие факторы, которые следует учитывать, включают способность рассеивания тепла, производительность схемы драйвера и температурную стабильность лазера.
5. Заключение
Несмотря на небольшую величину, рабочий цикл является ключевым параметром проектирования полупроводниковых лазерных систем. Он влияет не только на производительность, но и на долгосрочную стабильность и надежность системы. В будущем при разработке и применении лазеров точное управление и гибкое использование рабочего цикла будут иметь решающее значение для повышения эффективности системы и стимулирования инноваций.
Если у вас есть вопросы о проектировании параметров лазера или его применении, свяжитесь с нами или оставьте комментарий. Мы готовы помочь!
Время публикации: 09 июля 2025 г.