1. Обзор

В научных лабораториях, компаниях по производству медицинского оборудования и промышленных измерительных системах модуль лазерного диода остается одной из наиболее важных оптических подсистем. Спрос сместился с простых осветительных приборов на строго регулируемые, термически оптимизированные, малошумные системы, способные обеспечивать стабильную выходную длину волны в течение месяцев непрерывной работы.

С ростом экспериментальной чувствительности неконтролируемый тепловой дрейф и нестабильность драйвера становятся недопустимыми. Тесно интегрированный лазерный диод и драйвер конфигурация теперь является обязательной в оборудовании OEM, особенно там, где требуется стабильность длины волны на нанометровом уровне или высокая стабильность интенсивности луча. Между тем, инфракрасный лазерный модуль стал незаменимым в биомедицинской спектроскопии, NIR-визуализации и оптоэлектронных приборах дальнего действия.

В этой статье представлен технический обзор конструкции, функций и вариантов использования этих систем, а также научное исследование, проведенное в Мюнхене (Германия) в декабре 2023 года.

2. Внутренняя структура и оптические свойства

2.1 Эпитаксиальная полупроводниковая структура

Эпитаксия диодного чипа определяет:

• Энергия запрещенной зоны
• Длина волны излучения
• Срок службы носителя
• Теплостойкость

В высокоточных модулях часто используются слои, выращенные методом MOCVD, с вариацией <1% по пластинам.

2.2 Элементы формирования луча

Большинство диодов демонстрируют асимметричную дивергенцию луча.
Использование модулей:

• Линзы FAC (коллиматор быстрой оси)
• SAC (коллиматор с медленной осью)
• Цилиндрические линзы
• Дифракционные оптические элементы

Они обеспечивают стабильный профиль луча в спектроскопии и медицинских устройствах.

2.3 Механический и тепловой корпус

Хорошо спроектированный модуль лазерного диода используется:

• Анодированный алюминий или никелированная латунь
• Герметично закрытые камеры для лабораторных применений
• Антиударная конструкция для полевого оборудования

3. Электроника драйверов и ее важность на системном уровне

The лазерный диод и драйвер комбинация может рассматриваться как единый электрооптический двигатель. Драйвер определяет, будет ли диод работать в идеальном диапазоне или перейдет в режим теплового разгона.

Требования к водителю

• Выход постоянного тока
• Ripple <0,31 TP3T для научных установок
• Молниеносная защита от переходных процессов
• Программируемая аналоговая или цифровая модуляция
• Мягкий запуск для предотвращения мгновенного теплового стресса

В системах NIR с большим расстоянием стабильность водителя напрямую влияет на SNR (отношение сигнал/шум).

4. Расширение роли инфракрасных лазерных модулей

А инфракрасный лазерный модуль сильно предпочитается в:

• Спектроскопия тканей (780–850 нм)
• Глубокая рассеянная визуализация (900–1100 нм)
• Биомедицинские приборы, чувствительные к длине волны
• Автомобильные подсистемы LiDAR (905 нм, 940 нм, 1550 нм)

Длины волн ИК-излучения минимизируют поглощение в воде и липидах, что делает их идеальными для неинвазивного биомедицинского мониторинга.

5. Научные и медицинские применения

5.1 Рамановская спектроскопия

Модули с длиной волны 785 нм или 808 нм используются для возбуждения молекулярных колебаний, позволяя избежать флуоресцентного шума.

5.2 Оптическая когерентная томография (ОКТ)

ИК-модули 1050 нм и 1310 нм:

• Глубоко проникает в ткани
• Уменьшить рассеивание
• Обеспечить высококонтрастную структурную визуализацию

5.3 Сборка медицинского устройства

Лазерные модули служат в качестве ориентиров для выравнивания, когда компоненты требуют размещения с точностью до долей миллиметра.

5.4 Мониторинг окружающей среды

ИК-модули обнаруживают линии поглощения газа, что позволяет:

• Обнаружение метана
• Анализ концентрации CO₂
• Станции исследования качества воздуха

6. Технические параметры для системных интеграторов

6.1 Стабильность длины волны

Требования к OEM-интеграторам:

• Стабильность ±0,5 нм для спектроскопии
• <1% дрейф выходного сигнала при 40 °C
• Обратная связь по температуре, управляемая водителем

6.2 Контроль шума и режимов

С подавлением шума лазерный диод и драйвер системы поддерживают:

• Один продольный режим
• Минимальный режим переключения
• Шум низкой интенсивности

6.3 Долгосрочная надежность

Модули лазерных диодов должны выдерживать:

• круглосуточная работа
• Колебания влажности
• Повторные термоциклические испытания

Модули с золотыми соединительными проводами и герметичными корпусами обеспечивают максимальный срок службы.

7. Реальное научное исследование (2023)

“Проект по калибровке инфракрасной спектроскопии — Мюнхенский институт биомедицинской оптики”

В Декабрь 2023 года, исследователи из Мюнхенский институт биомедицинской оптики провели модернизацию калибровки своей платформы для рамановской спектроскопии. Лаборатории требовался стабильный источник возбуждения в ближнем инфракрасном диапазоне для анализа минимальных метаболических изменений в образцах тканей.

Участники

• Главный исследователь: Д-р Анна Рот
• Инженер по контрольно-измерительным приборам: Лукас Франк
• Стажер-исследователь: Вэй Чжоу (Китай)

Проблема

Старая система с диодом 785 нм сместилась почти на 2 нм после 30 минут работы. Это вызвало сдвиг спектра, который исказил результаты биохимической идентификации.

Решение

Инженерная команда заменила устаревшее устройство на устройство нового поколения. Инфракрасный лазерный модуль 785 нм, в сочетании с высокоточным малошумящим лазерный диод и драйвер набор, включающий:

• 0,1% пульсации тока
• Управление TEC в реальном времени
• Цифровая обратная связь по длине волны

Модернизация значительно стабилизировала линию возбуждения.

Результаты

• Смещение длины волны уменьшилось с 2,0 нм до 0,12 нм
• Время сбора данных сократилось на 27%
• SNR улучшился на 31%
• Точность классификации образцов тканей увеличилась с 86% до 96%

Позже доктор Рот сообщил, что новый ИК-модуль позволил опубликовать наборы данных Рамана с более высоким разрешением в начале 2024 года.

8. Заключение

Высококачественные лазерные диодные модули — это не просто средства освещения, а важнейшие прецизионные компоненты, которые используются в современных научных, промышленных и медицинских приборах. При правильном сочетании со стабильным лазерный диод и драйвер, и особенно при конфигурации в качестве инфракрасный лазерный модуль, они обеспечивают непревзойденную стабильность длины волны и эксплуатационную надежность. Исследование, проведенное в Мюнхене, подтверждает, насколько критически эти системы влияют на точность исследований и реальную производительность.