Понимание коэффициента заполнения в полупроводниковых лазерах: глубокий смысл, скрытый за небольшим параметром.

В современной оптоэлектронной технике полупроводниковые лазеры выделяются своей компактной структурой, высокой эффективностью и быстрым откликом. Они играют важную роль в таких областях, как связь, здравоохранение, промышленная обработка и датчики/измерение расстояния. Однако при обсуждении характеристик полупроводниковых лазеров часто упускается из виду один, казалось бы, простой, но чрезвычайно важный параметр — коэффициент заполнения. В этой статье рассматриваются концепция, расчет, последствия и практическое значение коэффициента заполнения 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 = (Ширина импульса)/Период пульса)×100%. Например, если лазер излучает импульс длительностью 1 микросекунду каждые 10 микросекунд, то коэффициент заполнения составляет: (1 мкс/10 мкс) × 100% = 10%..

2. Почему важен рабочий цикл?

Хотя это всего лишь соотношение, коэффициент заполнения напрямую влияет на теплоотвод лазера, срок его службы, выходную мощность и общую конструкцию системы. Давайте разберем его значение:

① Теплоотвод и срок службы устройства

В высокочастотных импульсных режимах более низкий коэффициент заполнения означает более длительные промежутки времени между импульсами, что способствует охлаждению лазера. Это особенно полезно в мощных приложениях, где контроль коэффициента заполнения может снизить тепловую нагрузку и продлить срок службы устройства.

② Регулировка выходной мощности и оптической интенсивности

Более высокий коэффициент заполнения приводит к большей средней оптической мощности, тогда как более низкий коэффициент заполнения снижает среднюю мощность. Регулировка коэффициента заполнения позволяет точно настроить выходную энергию без изменения пикового тока возбуждения.

③ Реакция системы и модуляция сигнала

В системах оптической связи и лидарных системах коэффициент заполнения напрямую влияет на время отклика и схемы модуляции. Например, в импульсных лазерных дальномерах правильная настройка коэффициента заполнения улучшает обнаружение эхо-сигнала, повышая как точность, так и частоту измерений.

3. Примеры применения рабочего цикла

① Лидар (лазерное обнаружение и определение дальности)

В лазерных дальномерных модулях с длиной волны 1535 нм обычно используется конфигурация импульсов с низким коэффициентом заполнения и высокой пиковой мощностью для обеспечения как обнаружения на больших расстояниях, так и безопасности для глаз. Коэффициент заполнения часто регулируется в диапазоне от 0,1% до 1%, что обеспечивает баланс между высокой пиковой мощностью и безопасной, низкотемпературной работой.

② Медицинские лазеры

В таких областях применения, как дерматологические процедуры или лазерная хирургия, разные рабочие циклы приводят к различным тепловым эффектам и терапевтическим результатам. Высокий рабочий цикл вызывает устойчивый нагрев, в то время как низкий рабочий цикл обеспечивает мгновенную импульсную абляцию.

③ Промышленная обработка материалов

В лазерной маркировке и сварке рабочий цикл влияет на то, как энергия передается в материал. Регулировка рабочего цикла является ключевым фактором для контроля глубины гравировки и глубины проплавления при сварке.

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 и короткими импульсами, таких как измерение расстояний или точная маркировка.

②Средний рабочий цикл (10%–50%)

Подходит для импульсных лазерных систем с высокой частотой повторения импульсов.

③Высокая интенсивность работы (>50%)

Приближается работа в режиме непрерывного излучения (CW), используемом в таких приложениях, как оптическая накачка и связь.

К другим факторам, которые следует учитывать, относятся возможности теплоотвода, производительность схемы управления и термическая стабильность лазера.

5. Заключение

Несмотря на свои небольшие размеры, коэффициент заполнения является ключевым параметром проектирования в полупроводниковых лазерных системах. Он влияет не только на выходную мощность, но и на долговременную стабильность и надежность системы. В будущем при разработке и применении лазеров точное управление и гибкое использование коэффициента заполнения будут иметь решающее значение для повышения эффективности системы и обеспечения инноваций.

Если у вас возникнут дополнительные вопросы по проектированию параметров лазеров или их применению, не стесняйтесь обращаться к нам или оставлять комментарии. Мы всегда готовы помочь!