利用光学隔离器消除激光模块早期故障

挑战

拉曼光谱和成像是在研究和工业环境中询问样品的强大方法，适用于从质量控制（QC）到鉴定多晶型物，再到活细胞的无标记成像，以及化学过程监测应用。这是因为拉曼效应产生的光谱解析化学指纹数据类似于傅立叶变换红外（FTIR），但使用的是可见光和近红外波长的光，这些光可以通过玻璃纤维、透镜传输到水性样品中。随着三种技术的融合，准确测量拉曼光谱所需的工具完全改变了，这三种技术使紧凑的自给式光谱仪和显微镜成为可能。这三种技术是紧凑型高功率窄线宽半导体和固态激光器、消除相对强烈（Rayleigh）散射激光的全息和陡边长通滤波器，以及低噪声多元件光电探测器和相机。

经济和紧凑的激光器是基于半导体二极管激光器。但要在拉曼中使用，激光波长需要既超窄又稳定。一种行之有效的方法是使用法布里-珀罗二极管激光器芯片，并将其输出锁定到一种称为体积布拉格光栅（VBG）的滤波器上。这是创新光子解决方案（IPS）为拉曼显微镜、仪器和研究人员的OEM制造商生产的具有单频输出的数字-D型激光模块的基础。IPS激光器以638nm和785nm的流行拉曼激发波长以及其他几种波长提供。但二极管激光芯片的性质意味着，提供大多数拉曼应用所需的再现性和可靠性并非易事。

解决方案

Greg Charache博士是IPS的光子副总裁。他解释道，“众所周知，单空间模式二

图1.IPS的数字-D激光模块具有单频输出，非常适合拉曼应用。

图2.IPS使用定制的相干Tornos隔离器来完全消除激光模块中可能损坏二极管激光芯片的背反射。
极管激光器常见的故障原因是二极管芯片脆弱输出面的灾难性光学损伤（COD），高激光强度会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寿命，直到Coherent率先推出了无铝有源区、AAA和二极管激光器件形式的解决方案。但是，由于下游光学器件的背反射，在任何功率水平下，二极管激光器中仍可能出现COD。

Charache补充道，“拉曼显微镜是一种非常准确对准的光学系统。因此，它们可以从高度抛光的样品（如硅片和载玻片等样品支架）中产生背反射。结果是光束被“折叠”，并可以一直反射回二极管激光芯片本身，从而导致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对准他们的拉曼显微镜，因为硅片在原子上是平坦的，并产生强烈的拉曼信号。虽然这可以方便地校准和对准这些共焦系统，但我们认为这是导致我们的一些激光模块早期故障的罪魁祸首。”

消除这些类型的背反射的简单方法是使用一种称为光隔离器的设备，它充当光的单向阀。通过光学偏振器和波片的巧妙组合，光学隔离器允许光的有效（例如>92%）正向传输，同时有效地阻挡反向的光传输，例如>33dB的衰减。

在产品开发实验室进行了广泛的测试和评估后，IPS从Coherent中选择了专门为IPS定制的Tornos光学隔离器。与其他可用的隔离器相比，这些隔离器包含光学接触的偏振分束器立方体，从而产生更高的传输。Charache表示：“我们现在提供所有Digital-D型模块，并可选择完全集成的Tornos光学隔离器。我们向所有拉曼客户推荐此选项，特别是生产显微镜的原始设备制造商以及制造自己显微镜的最终用户。”

图3.拉曼显微镜用于生命科学和其他领域，以获取特定化学物质的多维“地图”，通常用伪彩色表示。图片由IPS提供。

结果

Charache表示，这一变化的结果是明显且快速的。他说：“我们已经从这些激光模块中COD导致的连续现场故障消除。每个人都从中受益。我们没有OEM客户不满意的风险，他们也不必担心激光不可靠性带来的任何潜在负面品牌形象影响。重要的是，最终用户可以安排和执行拉曼显微镜的实验，而不必担心可能的激光故障。我说的是安排，因为很多拉曼显微镜都被广泛用作共享分析仪器，当然只有当你有按需性能时，它才能正常工作。”

除了拉曼显微镜、拉曼光谱和过程拉曼的主要应用外，Charache指出，这些单频半导体激光器模块的交钥匙式简单性——以及现在的高可靠性——使这些产品在其他要求苛刻的应用中广受欢迎，包括计量和干涉测量、原子钟和量子计算的研究。