Puolijohdelasereiden käyttösuhteen ymmärtäminen: pienen parametrin suuri merkitys

Nykyaikaisessa optoelektronisessa tekniikassa puolijohdelaserit erottuvat kompaktilla rakenteellaan, korkealla hyötysuhteellaan ja nopealla vasteajallaan. Niillä on keskeinen rooli esimerkiksi viestinnässä, terveydenhuollossa, teollisessa prosessoinnissa sekä tunnistus- ja etäisyysmittauksissa. Puolijohdelasereiden suorituskyvystä keskusteltaessa kuitenkin usein unohdetaan yksi näennäisen yksinkertainen mutta erittäin tärkeä parametri – käyttösuhde. Tässä artikkelissa syvennytään käyttösuhteen käsitteeseen, laskentaan, vaikutuksiin ja käytännön merkitykseen puolijohdelaserjärjestelmissä.

1. Mikä on käyttöjakso?

Käyttösuhde on dimensioton suhdeluku, jota käytetään kuvaamaan laserin "päällä"-tilan osuutta toistuvan signaalin yhden jakson aikana. Se ilmaistaan ​​tyypillisesti prosentteina. Kaava on: Käyttösuhde = (pulssinleveys)/Pulssin jakso)×100%. Esimerkiksi, jos laser lähettää 1 mikrosekunnin pulssin 10 mikrosekunnin välein, käyttösuhde on: (1 μs/10 μs)×100 %=10 %.

2. Miksi käyttösuhde on tärkeä?

Vaikka kyseessä on vain suhdeluku, käyttösuhde vaikuttaa suoraan laserin lämmönhallintaan, käyttöikään, lähtötehoon ja järjestelmän kokonaissuunnitteluun. Tarkastellaanpa sen merkitystä:

① Lämmönhallinta ja laitteen käyttöikä

Korkeataajuisissa pulssitoiminnassa lyhyempi käyttösuhde tarkoittaa pidempiä poiskytkentäaikoja pulssien välillä, mikä auttaa laseria jäähtymään. Tämä on erityisen hyödyllistä suuritehoisissa sovelluksissa, joissa käyttösuhteen hallinta voi vähentää lämpörasitusta ja pidentää laitteen käyttöikää.

② Lähtötehon ja optisen intensiteetin säätö

Korkeampi käyttösuhde johtaa suurempaan keskimääräiseen optiseen lähtöön, kun taas matalampi käyttösuhde pienentää keskimääräistä tehoa. Käyttösuhteen säätäminen mahdollistaa lähtöenergian hienosäädön ilman, että huippuajovirta muuttuu.

③ Järjestelmävaste ja signaalimodulaatio

Optisissa tiedonsiirto- ja LiDAR-järjestelmissä käyttösuhde vaikuttaa suoraan vasteaikaan ja modulointimenetelmiin. Esimerkiksi pulssilaseretäisyyden mittauksessa oikean käyttösuhteen asettaminen parantaa kaikusignaalin havaitsemista, mikä parantaa sekä mittaustarkkuutta että -taajuutta.

3. Käyttöjakson sovellusesimerkkejä

① LiDAR (lasertunnistus ja -etäisyysmittaus)

1535 nm:n laseretäisyysmittausmoduuleissa käytetään tyypillisesti matalan käyttösuhteen ja korkean huippupulssikonfiguraatiota, jotta voidaan varmistaa sekä pitkän kantaman havaitseminen että silmien turvallisuus. Käyttösuhteita säädetään usein 0,1 %:n ja 1 %:n välille, mikä tasapainottaa korkean huipputehon ja turvallisen, viileän toiminnan.

② Lääketieteelliset laserit

Dermatologisten hoitojen tai laserleikkauksen kaltaisissa sovelluksissa eri käyttösuhteet johtavat erilaisiin lämpövaikutuksiin ja terapeuttisiin tuloksiin. Korkea käyttösuhde aiheuttaa jatkuvaa lämpenemistä, kun taas matala käyttösuhde tukee välitöntä pulssattua ablaatiota.

③ Teollinen materiaalinkäsittely

Lasermerkinnässä ja -hitsauksessa käyttösuhde vaikuttaa siihen, miten energia syöttyy materiaaleihin. Käyttösuhteen säätäminen on avainasemassa kaiverrussyvyyden ja hitsaustunkeuman hallinnassa.

4. Kuinka valita oikea käyttösuhde?

Optimaalinen käyttösuhde riippuu sovelluksesta ja laserin ominaisuuksista:

①Alhainen käyttösuhde (<10 %)

Ihanteellinen korkeahuippuisiin ja lyhyisiin pulsseihin, kuten etäisyysmittauksiin tai tarkkuusmerkintään.

②Keskikokoinen käyttösuhde (10–50 %)

Soveltuu paljon toistoa tuottaville pulssilaserjärjestelmille.

③Korkea käyttösuhde (>50 %)

Lähestyy jatkuvan aallon (CW) toimintaa, jota käytetään sovelluksissa, kuten optinen pumppaus ja tietoliikenne.

Muita huomioon otettavia tekijöitä ovat lämmönpoistokyky, ohjainpiirin suorituskyky ja laserin terminen stabiilius.

5. Johtopäätös

Vaikka käyttösuhde on pieni, se on keskeinen suunnitteluparametri puolijohdelaserjärjestelmissä. Se vaikuttaa paitsi suorituskykyyn myös järjestelmän pitkän aikavälin vakauteen ja luotettavuuteen. Tulevaisuuden lasereiden kehittämisessä ja soveltamisessa käyttösuhteen tarkka ohjaus ja joustava käyttö ovat ratkaisevan tärkeitä järjestelmän tehokkuuden parantamiseksi ja innovaatioiden mahdollistamiseksi.

Jos sinulla on kysyttävää laserparametrien suunnittelusta tai sovelluksista, ota rohkeasti yhteyttä tai jätä kommentti. Olemme täällä auttaaksemme!