IPS: 光学隔离器提高了激光器的可靠性

挑战

拉曼光谱和成像是研究和工业环境中检测样品的有效方法，用于从质量控制 (QC)、多晶体识别、活细胞无标记成像和化学工艺监测应用。 这是因为，拉曼效应所产生的光谱分辨率化学指纹数据，与傅里叶变换红外线相似，但该效应利用的是可见光和近红外波长光，可以透过玻璃纤维、透镜和水基样品传输。 通过融合三种能够帮助实现紧凑型独立光谱仪和显微镜的技术，准确测量拉曼光谱所需的工具发生了彻底的改变。 这三项技术是：紧凑型高功率窄线宽半导体和固体激光器，可以消除相对强烈（雷利）散射激光的全息陡边长通滤波器，以及低噪声多元素光电探测器和相机。

最经济紧凑的激光器以半导体激光器为基础。 但要用于拉曼测试，激光的波长既要超窄还要稳定。 一种经过验证的方法是使用法布里-珀罗半导体激光器芯片，并将其输出锁定在一种叫做体布拉格光栅 (VBG) 的滤波器上。 以此为基础，创新光子解决方案 (IPS) 制造出了单频输出的 Digital-D 型激光模块，供拉曼显微镜和仪器的设备制造商以及研究人员使用。 IPS 激光器提供流行的拉曼激发波长（638 nm 和 785 nm）以及一些其他波长。 但是，由于半导体激光器芯片本身的性质，要实现大多数拉曼应用所需的复现性和可靠性绝非易事。

解决方案

Greg Charache 博士是 IPS 的光子学业务副总裁。 他解释说：”众所周知，单空间模式半导体激光器最常见的故障原因是，二极管芯片脆弱的输出面发生灾变性光学损坏 (COD)，在这种情况下，高激光强度可能导致半导体过热并最终熔化。“例如，COD 限制了早期高功率直接二极管的使用寿命。后来，Coherent 率先推出了无铝有源区、AAA 和半导体激光器设备的解决方案，这一问题才得到有效解决。 但在任何功率级别的半导体激光器中，由于下游光学器件的后向反射，还是有可能发生 COD。

Charache 补充说：”拉曼显微镜是一种精确对准的光学系统。 因此，在这种系统中，可能从精抛光样品（如硅片）和样品支架（如玻璃幻灯片）上产生后向反射。 这会导致光束被“折叠”，而且可能一路反射回半导体激光器芯片本身，造成 COD。 IPS 的进一步调查显示，半导体行业以外的许多研究人员也使用硅片来校准拉曼显微镜，因为硅片是原子级光滑的，可以产生很强的拉曼信号。 虽然这可以轻松实现共焦系统的校准和对准，但我们认为这是导致一些激光模块过早损坏的罪魁祸首。”

要想消除这些类型的后向反射，最简单方法是使用一种叫做光学隔离器的装置，这种装置可以充当光的单向阀。 通过光偏振片和波板的巧妙组合，光学隔离器可以实现高效的（例如，>92%）前向光传输，同时有效地阻挡反向光传输（例如，衰减 >33dB）。

在他们的产品开发实验室进行了广泛的测试和评估后，IPS 选择了 Coherent 专门为其定制的 Tornos 光学隔离器。 与市面上的隔离器相比，这些隔离器包含的光学接触偏振分光器立方体提高了传输率。 Charache 说，"我们现在提供的所有 Digital-D 型模块都可以选装完全集成的 Tornos 光学隔离器。 我们向所有拉曼客户推荐这个方案，特别是生产显微镜的设备制造商以及自己建造显微镜的最终用户。”

成果

Charache 称，这一变化的效果立竿见影，影响巨大。 他说：“以前，由于这些激光模块中的 COD，我们总是遇到故障，而现在这一问题得到了彻底解决。 每个人都从中受益。 我们没有了设备制造商客户不满意的风险，这些客户也不必担心由于激光器不可靠而对品牌形象产生任何潜在的负面影响。 最重要的是，最终用户可以用他们的拉曼显微镜安排和开展实验，而不必担心可能发生的激光故障。 我之所以说安排，是因为很多拉曼显微镜都作为共享分析仪器高强度使用，当然，只有当您提供所需性能时，它才能发挥良好作用。”

Charache 指出，除了拉曼显微镜、拉曼光谱学和工艺拉曼的主要应用外，这些单频半导体激光器模块的成套式解决方案非常简单，而且现在具备了高可靠性，因此在其他高要求应用中得到了广泛使用，包括计量和干涉测量、原子钟以及量子计算的前沿研究。

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