Методика обращения с диодными лазерами

Меры предосторожности при включении диодных лазеров в схемы стабилизации тока определяются их параметрами и особенностями отрицательной обратной связи по току. Основными причинами трудности применения диодных лазеров является их уязвимость к электрическим, механическим и тепловым факторам.

Отмстим следующие основные особенности диодного лазера:

• — недопустимость даже кратковременной работы лазера при мощностях, превышающих граничную;
• — уязвимость к статическому электричеству даже небольшой величины как в прямом, так и в обратном направлении;
• — уязвимость к механическому воздействию: недопустимы изгибы выводов, обработка корпуса лазера либо изделия, на котором он установлен, падение лазера или конструкции с ним;
• — недопустимость перегрева;
• — недопустимость подачи большого обратного напряжения;
• — зависимость характеристик от температуры;
• — изменение характеристик во времени;
• — ухудшение стабильности длины волны излучения при стабилизации мощности;
• — большой угол расхождения пучка его излучения требует контролировать мощность в широком телесном угле;
• — влияние оптической обратной связи (попадания отраженного света обратно в излучатель) на режим (мощность, длину волны).

Основная особенность диодного лазера — быстрая деградация зеркал при мощностях, превышающих граничную, поскольку если плотность светового потока превышает граничную величину, возникают дефектные участки поверхности, которые рассеивают большую часть света, поэтому нагреваются быстрее, что вызывает их увеличение. Процесс деградации происходит лавинообразно, за единицы наносекунд. Это отличает диодные лазеры от светодиодов и лазерных излучателей для бытовой техники, которые допускают многократное кратковременное превышение мощности над граничной величиной. Ватт-амперная характеристика (ВАХ) диодных лазеров такова, что изменение тока вблизи рабочего участка на 2…5% вызывает изменение мощности излучения на 20…30% (рис. 19.1). Таким образом, кратковременный бросок тока на 5… 10%, который не вывел бы из строя светодиод, для полупроводникового лазера окажется губительным. Зависимость тока от напряжения также крутая, в итоге помехи по напряжению менее 0,1% дают помехи в мощности 30…40%. Для борьбы с импульсной помехой в питающей цепи на проводник, непосредственно соединяющийся с лазером, надевают ферритовую бусинку. Кроме того, лазер шунтируют по высокой частоте конденсатором с малой индуктивностью и параллельно включенным обычным конденсатором значительной емкости (0,1…2 мкФ). Это необходимо для борьбы с импульсными шилообразными помехами, которые порождаются работой ключевых преобразователей в промышленных сетях (и в экспериментальных установках с тиристорными преобразователями), проникают из сети, заземляющих конструкций и эфира.

Рис. 19Л. Типичные зависимости выходной мощности Р диодного лазера от инжекционного тока /_н для различных температур [146].

При разрыве цепи с лазером проводимость элемента, регулирующего выходной ток, снизится за счет действия обратной связи. Восстановление контакта вызовет увеличение тока через лазер до завершения переходного процесса. Поэтому следует предотвращать даже кратковременный разрыв этой цепи. Даже ухудшение проводимости участков этой цепи или окисление контактов с последующим пробоем оксидной пленки губительно для диодного лазера. Защитный конденсатор в такой ситуации может лишь усугубить ситуацию, поскольку при разрыве цепи между этим конденсатором и лазерным диодом он зарядится до некоторого напряжения, а после восстановления контакта разряд произойдет по цепи лазера. Поэтому, хотя изготовители рекомендуют использование разъема-колодки, мы советуем применять пайку лазера, что исключает разрыв цепи. Пайку следует проводить легкоплавким припоем (на основе индия) при температуре менее 180 °C не дольше 2 с к единственному залуженному проводнику; следует обеспечить отвод тепла (пинцетом без применения механических усилий) от гой части вывода, которая располагается между местом пайки и корпусом лазера. Заземления или зануления жала паяльника при пайке недостаточно: если на корпусе элемента присутствует ненулевой потенциал, прикосновение паяльника к выводу вызывает кратковременное протекание тока, которое может оказаться губительным для лазера. Шунтирование всех выводов является более эффективной мерой и должно присутствовать при хранении, транспортировке и пайке вплоть до включения элемента в схему. Размыкание шунта допускается после окончания монтажа перед включением схемы. Как правило, лазер запаян в колодку или специальную конструкцию. Устранение этого шунта можно осуществлять только при дублировании его функции замыкателем либо после включения в схему, если схема обеспечивает при отсутствии питания низкий выходной импеданс, а при подаче питания и его отключении это гарантирует отсутствие бросков тока. Поскольку лазеры питаются от источников тока, размыкание шунта допускается и в случае подачи питания на схему. Все же не рекомендуются подобные коммутации в момент протекания тока: механический контакт в момент срабатывания порождает множественный дребезг, формируемые в результате высокочастотные импульсы опасны, так как их амплитуда может увеличиться за счет действия реактивных элементов цепи (индуктивностей и емкостей).

Схема источника тока устанавливается вблизи диодного лазера в экранированном корпусе. Разрыв цепи питания схемы не опасен.

Для защиты от обратного напряжения необходимо применение быстродействующего диода с малым напряжением насыщения (диоды на горячих носителях) и замыкателей. Рекомендуется применение магнитоуправляемых контакторов, прекращающих шунтирование лазерного диода только при подаче напряжения, подтверждающего выполнение всех условий корректности режима питания: в обесточенном состоянии такая схема гарантирует защиту лазера от статического электричества и от бросков тока.

Действительно, если нужная логика не сработает, то лазер остается закороченным. В логические условия, приводящие к размыканию контактов, следует включать наличие всех питающих вторичных напряжений в источнике, соответствие температуры заданному значению, а также другие важные параметры, обеспечивающие защиту лазера. И все же следует предпочесть схему источника тока, питающуюся от единственного напряжения.

Не следует недооценивать проблемы статического электричества по аналогии с КМОП элементами: если напряжение 10…20 В не является гибельным для большинства КМОП элементов, то напряжение 3…4 В, поданное на полупроводниковый лазер, разрушает его. Поэтому опыт работы с КМОП элементами не является достаточным для обращения с полупроводниковыми лазерами.

Зависимость ВАХ от температуры приводит к тому, что ограничение тока накачки предельно допустимой величиной не является достаточной мерой защиты. Понижение температуры вызывает повышение мощности излучения при том же самом токе, поэтому следует обеспечить термостабилизацию корпуса лазера при одновременной надежной стабилизации тока накачки; при отсутствии термостабилизации не следует приближаться к граничным значениям мощности излучения. По этой же причине попытки воспроизвести паспортный режим нс всегда оканчиваются успехом. Но возможно также изменение ВАХ вследствие деградации при монтаже.

Следует применять невзаимные оптические элементы, предотвращающие попадание отраженного света обратно в излучатель (акустооптический модулятор, пластинка под углом Брюстера и т. п.).

В связи с изменением характеристик во времени и большим разбросом их в пределах одного типа истинные параметры диодных лазеров со временем перестают соответствовать значениям, приводимым в индивидуальных паспортах. Температура, при которой аттестуются лазеры, неоптимальна с точки зрения ширины линии, а для перестройки по длине волны приходится отклоняться от паспортной температуры достаточно сильно. Поэтому аттестацию часто желательно осуществить пользователю самостоятельно вблизи интересующих режимов работы.

Отечественная промышленность выпускает полупроводниковые лазеры серийно [146]. Приборы проходят заводскую аттестацию, при которой контролируются (при температуре испытания Го) следующие параметры:

• — пороговый ток — это значение тока, при котором начинается излом ВАХ; при пороговом токе мощность излучения соответствует максимуму спонтанного излучения и составляет около 10% от предельной мощности;
• — рабочий ток — это величина тока, при котором мощность излучения равна паспортной, и поскольку она мало отличается от предельной для каждого типа лазерных излучателей, рабочий ток практически следует понимать как предельно допустимый при данной температуре;
• — длина волны излучения; при измерении мощности излучения калиброванным фотодиодом следует учитывать зависимость его чувствительности от длины волны;
• — ширина спектра излучения по уровню 50%; для одномодовых излучателей эта величина указывается не более 0,2 нм, для многомодовых — не более 4 нм.

Поскольку все эти характеристики даются при определенной температуре (обычно При Го = 25 ± 1 °С), для их проверки следует обеспечить именно эту температуру. Работа при более высокой температуре нежелательна, поскольку долговечность лазера при повышении температуры снижается. С охлаждением лазерного диода все параметры изменяются: значения порогового и критического токов снижаются, крутизна ВАХ повышается, фактические значения тока могут превысить фактическую допустимую величину, хотя и не превысят паспортную граничную величину.

Длина волны излучения зависит от температуры с крутизной в среднем около 2,5 А / °С, однако в небольших пределах крутизна этой характеристики может оказаться меньшей, а на отдельных участках — большей, вплоть до перескока мод или перехода в многомодовый режим. Согласно паспорту, многомодовый лазер может оказаться фактически одномодовым при более низкой температуре, и наоборот: одномодовый лазер может перейти в многомодовый режим. Все же, как правило, лазер с более узким спектром излучения остается таковым и при других температурах.

Для специалистов, впервые применяющих полупроводниковый лазер, можно рекомендовать рабочие температуры около 10… 15 °C, но при этом следует специальным испытанием определить величины порогового и рабочего токов. С этой целью следует выполнить следующее:

— при непрерывном контроле мощности излучения плавно вводить ток накачки от нулевого значения до предполагаемого порогового значения, определить место резкого излома ВАХ, т. е. /_п, и определить мощность при этом значении тока Р_п = Р (1ц);

• — убедиться в соотношении Р_п ~ 0,1/fcp ;
• — рассчитать ограничения по току /_КР = 1,3/_п.

В дальнейших испытаниях ток накачки I и мощность излучения Р не должны превышать критических значений; невыполнение хотя бы одного из Офаничений /</<sub>Кр, Р<�Р_КР недопустимо.

Отметим некоторые особенности терминов, применяемых изготовителем в связи с тем, что величина порогового и рабочего тока с течением времени возрастает. Значение «максимального тока накачки», указанное в каталогах, следует понимать только гак: «ток накачки, требуемый для обеспечения рабочего значения мощности в течение гарантийного срока службы, нс превысит данной величины». Это существенно отличает полупроводниковые лазеры от всех остальных полупроводниковых приборов, для которых указанное максимальное значение какого-либо параметра означает, что достаточным условием сохранности прибора является работа в пределах указанных крайних границ, одинаковых для всех приборов данного типа.

Например, для лазера с «максимальным» значением тока, согласно паспорту равным 300 мА, в индивидуальном паспорте рабочий ток может быть указан как 141,4 мА. В этом случае даже ток 150 мА уже может оказаться губительным, однако по прошествии сотен часов эксплуатации может оказаться, что необходимый рабочий ток составляет величину 155 мА, и эта величина тока уже не будет губительной.