激光
二极管是一种
半导体激光器件，在形式和操作上都与发光二极管 (LED) 非常相似。
激光一词初是一个缩写词：受激辐射光放大。因此，激光器是一种通过基于电磁辐射受激发射的光学放大过程来发射光的设备。
激光二极管在电气上等效于PIN 二极管。PIN 二极管（参见下图 1）是一种具有宽的、未掺杂的本征半导体区域的二极管，该区域夹在p型半导体和n型半导体之间。p型和n型区域通常都是重掺杂的。
图 1. PIN 二极管的描述。图片由Georg Wiora（Schorsch 博士）提供 [ CC-BY-SA 3.0 ]
激光二极管的“有源区”位于i（本征）区。电子和空穴（即载流子）分别从n区和p区被泵入i区。下图 2 显示了外壳被剖开的激光二极管。真正的激光二极管芯片是前面那个黑色的小芯片；背面的光电二极管用于控制输出功率。
图 2.外壳被剖开的激光二极管。图片由John Maushammer提供[ CC BY-SA 3.0 ]
与 LED 相比，激光二极管的响应时间要快得多，并且可以将辐射聚焦到直径小至 1 ?m 的区域。
封装类型
激光二极管有多种封装类型。以下是一些示例：
图 3.TO5 (9mm) 激光二极管封装。图片由Digi-Key提供。
图 4.TO3激光二极管封装。图片由Lasermate提供
图 5.C型安装激光二极管封装。图片由aitc-group.com提供
图 6.高热负载封装。图片由RMT 有限公司提供
应用领域
一系列小型激光二极管用于激光笔和条形码扫描仪。然而，常见的激光二极管可以在 CD-ROM 和 CD 播放器中找到。这些类型的激光二极管产生波长为 780nm 或附近的不可见光束，该光束属于近红外光谱。近红外光谱区域见图 7。
图 7.近红外位于红外光谱范围内。图片由dew.globalsystemsscience.org提供
DVD-RW（读/写）驱动器使用比 CD-ROM 中使用的功率更高的激光二极管。更强大的是蓝光播放器中的蓝色激光二极管（因此得名）。
可见激光二极管用于条形码和 UPC（通用产品代码）扫描仪（如杂货店中使用的扫描仪）、激光笔以及 X 光机、CT 和 MRI 扫描仪中的定位设备。
DVD 设备中的较短波长激光器（大约 635 nm）使它们能够存储的数据量是 CD 的大约八倍；DVD 每张光盘可以存储大约 5GB，而 CD 只能存储大约 650MB。
激光的另一个应用是分子识别。据语义学者网站称，“通过整形飞秒激光脉冲实现的受控分子光断裂和电离与质谱相结合，实现了一种强大的多维工具，可实现快速、准确、可重复和定量的分子识别。”
准直透镜（参见下图 8）用于光谱仪的设置。这些光学透镜有助于准直（即平行）光线，从而使光谱仪用户能够控制视野、收集效率和空间分辨率。
图 8.准直透镜。图片由Thorlabs提供。
激光二极管驱动电路
所有激光二极管都需要适当的驱动电路。如果没有它，二极管可能会因电流注入不稳定而导致工作温度波动。其影响范围可能包括从二极管烧毁引起的立即和性损坏到缩短的二极管寿命。
驱动电路基本上为二极管提供稳定且可预测的电流。有两种主要方法可用于从激光二极管获得所需的稳定光学输出。这些包括：
自动电流控制 (ACC) 或恒流控制。顾名思义，该技术为二极管提供恒定电流。这种方法消除了对光电二极管反馈环路的需要。这种简单且廉价的方法的缺点是，随着激光二极管温度的变化，光输出也会发生变化。然而，这种驱动电路可以用二极管温度控制电路来补充。恒流与温控二极管的耦合已被证明是一种流行的解决方案。然而，没有温度控制的恒流设备仍然被用在廉价、低端、低功耗的场合和产品中（想想便利店里出售的那些超便宜的激光笔）。
自动功率控制（APC）电路。该激光二极管驱动电路使用光电二极管反馈环路来监视输出并提供用于控制激光二极管的信号。这种控制方案允许激光二极管保持恒定的输出水平。这种自动恒定功率控制技术可以防止光输出功率随着激光二极管温度的降低而增加。但如果散热不充分导致温度升高，光功率就会下降。结果，驱动电路将增加注入电流以试图维持期望的恒定光功率。可以看出，有可能发生热失控，导致激光器损坏或毁坏。
无论使用哪种类型的驱动电路，关键点是防止驱动电流超过工作电平。这样做，即使是一纳秒，也可能会损坏激光二极管端面上的镜面涂层。换句话说，标准实验室电源永远不应该用来直接为激光二极管供电，因为它不能提供足够的电路保护。
请记住，大多数激光二极管应用都需要某种散热器。不正确的热设计会导致激光二极管结温快速升高，这可能会降低、损坏或毁坏设备。
激光二极管驱动电路（如下图 9 所示）代表了使用恒流源的简单驱动电路。
图 9.采用TI LM317 的简单激光二极管驱动器电路 (PDF)。
更复杂的激光驱动器电路（如下图 10 所示）使用 10 位 DAC（使用 3 线串行输入）来操作激光二极管并将其保持在恒定的平均光输出功率。该电路还允许对激光器进行数字脉冲/调制。这是通过与 IC4 的数字输入线 (MOD) 连接来实现的。此外，该电路使用光电二极管作为反馈技术，产生与激光束强度成比例的电流。下面的项目符号列表总结了该电路设计中使用的组件：
R6 将光电二极管电流转换为电压。
组件 R8、C6、R10 和 IC3 构成“泄漏”积分电路。该积分器可以消除调制中的变化。
积分器电路通过监控 R6 两端的电压并将其与 DAC 的参考电压 (IC1) 进行比较来创建误差信号。该误差信号是 Q1 基极的驱动器，Q1 通过调节流经激光二极管的电流来控制光功率。
当 Q1 的基极由来自 MOD 输入的信号控制时，R9 提供隔离并有助于稳定 IC3。
R1 确保激光电流低于发射激光的阈值，但足够高以允许通信和调制有可接受的开启时间。
图 10.激光驱动器示例。图片由Maxim Integrated提供。
重要的激光二极管规格
激光（或激光）波长，λ p：激光二极管发射的光的波长。
单模器件：激光输出的单谱线的波长。
多模器件：强度的谱线的波长。
阈值电流，I th：增益满足激光条件的电流。
当低于阈值电流点时，发出很少的光（激光）。
当达到或高于电流阈值时，设备开始产生激光输出。
工作电流，I op：在指定工作温度下产生指定激光输出所需的通过激光二极管的正向电流量。
工作电压，V op：当器件在指定的工作温度下产生指定的激光输出时，激光二极管两端的正向电压。
光功率输出，PO ：允许瞬时光（激光）功率输出。这对于连续或脉冲操作模式均有效。
工作温度范围：
激光设备可以安全运行的外壳温度范围。
光电二极管暗电流，ID (PD)：光电二极管反向偏置时的漏电流。
暗电流与温度和电压有关。
理想的二极管/光电二极管没有反向电流。
斜率效率，SE：当激光器工作在激光区域时，与正向电流增量变化相对应的光功率增量变化的平均值。
该定义也称为微分效率。
上升时间：光输出从值的 10% 上升到 90% 所需的时间。
