激光特性的微型光谱仪

无论你是在制造消费电子产品的廉价垂直腔表面发射激光二极管(VCSELS)，还是在多光子荧光显微镜中使用可调谐锁模Ti:Sapphire激光器，在整个制造过程中拥有正确的光谱数据对于创造高质量和可重复的产品至关重要。

遗憾的是，大量的激光工程师继续仅仅依靠大型和昂贵的光谱分析仪(OSAs)进行光谱测试。尽管这些器件具有出色的动态范围和光谱分辨率，但成本和尺寸经常降低它们在制造[1]环境中的几个点上的使用能力。

此外，非常低的灵敏度是这些器件的扫描性质的结果，这导致冗长的集成时间，使OSA与高速自动化生产线不兼容[1]。

作为一种替代方法,微型光谱仪得益于固定光栅光谱仪与线性探测器阵列的结合，使整个光谱可以在同一时间以高速进行分析。

尽管该几何形状不提供频谱分辨率和范围的实时调整，但是与OSA中使用的扫描几何形状相比，它确实提供了更大的灵敏度，因为它在每个测量点不需要不同的采集。

速度的优点不仅有利于快节奏的大容量测试环境，而且还通过采用高速触发来提供精确测量脉冲激光系统。因此，某些激光器制造商正在使用微型光谱仪技术作为更常见的OSA互补技术。

这篇文章将概述微型光谱仪的优点，激光的特性，并在实验室。重要的是首先要探索更大的图景，并简要回顾微型光谱仪的基本原理。

微型光谱仪的基础

与所有的光谱仪类似，Avantes的微型光谱仪本质上是一个成像系统，它将入口狭缝的图像在探测平面上分割成大量的空间分离的单色图像。

在切尔尼-特纳摄谱仪的设计中，这是通过使用凹面镜对入射狭缝的光进行初始准直，并将其导向反射色散光栅来实现的。因此，不同波长的光从光栅上以不同的角度反射，随着距离光栅的距离越来越远，它们在空间上的分离也越来越多。

这各种各样的平行光线然后直接回到入口狭缝的产生一个图像探测器平面的一个更大的截断聚焦镜,但由于他们的角分离,每个波长的图像现在分裂沿轴垂直于入射狭缝的位置。

通过在图像平面上放置线性阵列，每个像素都可以根据不同的波长进行校准。下面的图1给出了一个通用的切尔尼-特纳微型光谱仪的原理图。

图1所示。典型的自身体光谱仪，带有胫骨转盘光谱仪的光束路径向探测器覆盖。

需要注意的是，由于切尔尼-特纳光学设计的离轴特性，在低f数时，这些系统通常表现出大量的彗差^__，这会导致不对称的峰畸变和降低光谱分辨率。

因此，Avantes所有用于激光测试的高分辨率微型光谱仪都采用了大f值，因为在激光测量中，吞吐量远不如分辨率重要。

然而，还必须指出的是，当使用这种特定的摄谱仪进行激光测试时，填满准直镜的整个数值孔径是很重要的。

该指令似乎是显而易见的，但如果激光直接瞄准入口狭缝，则它不会适当地准直，因此不会以正确的角度触发光栅，并且具有精确的填充因子，这将在光谱中产生错误的伪像。

这个误差将导致单模激光器出现几个光谱模式;因此，通常建议将激光通过光纤电缆耦合到光谱仪中，以保持光谱测量的准确性。

^__彗差是一种离轴的光学像差，它使图像模糊，并有一条尾巴，看起来像一个冰淇淋蛋卷或彗星。图像质量的下降与光学系统的f数成反比，从而在光学吞吐量和图像质量之间做出权衡。

激光测试配置

在安装微型光谱仪时，需要在前面指定进口狭缝、探测器阵列和色散光栅这三个主要部件，因为这些功能同时配置仪器的光谱范围、灵敏度和分辨率。

对于存在过量光谱能量密度的激光表征，总是建议配置这些选项，以提供最高的动态范围和分辨率，因为光谱范围和灵敏度不那么重要。

这通常是通过使用具有最小像素间距和狭缝尺寸的CMOS探测器阵列和高沟槽密度光栅实现的。

从光谱仪的几何形状来看，很明显，像素大小、狭缝宽度和沟槽密度的选择都将导致最窄的可实现分辨率，但CMOS阵列优于CCD阵列的原因并不明显。

与CCD探测器相比，CMOS探测器倾向于提供更大的动态范围和更高的线性响应，这对于检测大信号中的小变化非常重要。

为了显示这一效果，创新光子解决方案型号为I0830MB0600M-HP的830 nm激光器使用AvaSpec-ULS468CL-EVO)进行了测试，该激光器带有5 mm入口狭缝和1200槽/mm光栅。

光谱仪使用SMA905纤维贴片线耦合到余弦校正器和辐射校准，以将来自每纳米的任意计数的输出转换为光谱辐照度，如图2A所示。

图2。(A)当驱动电流从250 mA增加到550 mA时，830 nm激光光谱;(B)基于峰值光谱辐照度的线性回归模型;(C)集成激光功率的线性回归模型，各线性回归模型的R2 > 0.99。

需要强调的是，该激光器的输出耦合到0.22NA 105 mm光纤电缆，并在SMA905隔板上完成，产生均匀发散输出光束。余弦校正器被固定在发散光束前的一个设定的距离，均匀地照亮它，因为使用激光USB接口改变了驱动电流。

使用该配置来停止光谱仪在测试运行时饱和，但由于此，总激光功率不可估计。

相反，功率入射到余弦校正器的有源区域进行了分析，如图2C所示，方法是对频谱进行数值积分，并将结果与余弦校正器的有源区域相乘。

图2中显示的数据勾勒出具有R2 > 0.99的CMOS探测器的令人难以置信的高线性度，包括集成激光功率和峰值光谱辐照度。必须用积分球代替余弦校正器来分析这种高功率激光的总输出功率。

应用实例

既然，使用微型光谱仪的激光测试的标准要求已经彻底概述，本文将继续说明一些常见的例子，演示它们是OSAS的首选选择。

下一节将评估Avantes的光谱仪在两个单独的应用中如何采用：可调激光监测和VCSEL制造。虽然不是详尽的清单，但它提供了应用技术的好处的强大概述

Avantes光谱仪在VCSEL制造和测试

vcsel可以在生产的不同阶段进行测量，而边缘发射激光二极管在从晶圆上切下模具之前无法进行测试。这包括整个晶圆测试，因为激光垂直于pn结[2]发射。

这支持在同一时间和单个晶圆上测试数千个vcsel，从而提高生产效率和降低报废率。因此，在生产线上进行高速光谱测量是必要的，以利用vcsel独有的晶圆级测试能力。

设备制造商和积分器需要光谱仪，其具有高分辨率，短的集成时间和高速触发响应，所有这些都可以简单地由Avantes的微光谱仪提供。

图3展示了通过晶圆加工收集的三个不同的VCSEL光谱示例。图3A是单模VSCEL的一个例子，它正确地制造出来只有一个峰，而图3B显示了一个有缺陷的单模VSCEL，它有一个不希望看到的侧模。

通过将高速光谱仪整合到晶片检测过程中，VCSEL制造商现在可以使用与LED制造过程相似的分选技术和高速装箱技术，从而大大降低成本。

图3。示例VCSEL光谱剖面显示了一个正常工作的单模激光输出(a)和一个故障的大侧模激光输出(B)。

可调谐激光监测中的Avantes光谱仪

很多典型的实验室激光系统都可以包含可调谐输出，如外部腔激光器(ECLs)、锁模Ti:蓝宝石激光器和光学参量振荡器(OPOs)。当处理这些可调谐波长激光源时，经常会出现监测输出不需要OSA的精度的情况。

使用PicoSecond到飞秒脉冲宽度激光器时尤其如此^组合，其中光谱带宽经常在0.5 nm到20 nm之间变化。例如，下面的图4展示了一个脉冲宽度为221 fs的可调谐Ti:Sapphire激光系统在800 nm时的光谱，提供了大约170 nm[3]的调谐范围。

图4。脉冲宽度为221 fs的Ti:Sapphire可调谐激光[3]的光谱分布。

由于这个原因，用于激光测试的微光谱仪不仅适用于生产环境。经济高效的微谱分光仪，例如AvaSpec-Mini 4096CL可以配置有光谱分辨率，如0.5nm，并且非常适合观察在实验室设置中的这些超快速激光器的调谐。

对于更复杂的应用，例如监视ECL，另一个可调谐窄线宽激光源（如AvaSpec-ULS4096CL），分辨率小于0.1 nm，是对OSA的替代方案。

由于其特殊的定时控制电子设备，Avantes仪器被用来协助一些脉冲激光应用以及可调谐激光监测。当以可重复的方式描绘脉冲激光时，所使用的光谱仪必须允许外部触发，并在接收到触发器时提供几乎即时的响应。

Avantes仪器使用机载现场可编程门阵列(FPGA)来控制定时性能，提供低抖动、高速定时控制，可编程外部触发器延迟可达870纳秒，抖动21纳秒。

^组合为了澄清，必须指出，在超高速激光测量的情况下，光谱仪不是分析单个脉冲，而是集成了大量脉冲，在整个测量过程中测量平均光谱带宽。

结论

正如本文所述，许多客户认为Avantes仪器可以为他们的大多数激光测试需求提供更大、更昂贵的OSAs的有益替代方案。

新的Mini4096CL，连同AvaSpec-ULS4096CL-EVO和AvaSpec ULS3648-USB2是三种最常用的激光表征，由各种激光集成商和制造商遵循其在线质量控制程序。

这些微型光谱仪被用来分析一系列常见的激光参数，如质心，光谱峰值波长，全宽半最大值(FWHM)，侧模抑制比和RMS光谱带宽。

这些参数可以利用AvaSoft软件接口进行具体测量，或者用户可以部署Avantes易于实现的DLL库，方便与生产软件集成。

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AvaSpec系列光谱仪的简单软件集成、高分辨率、高灵敏度和高速采集功能使其成为激光表征和测试广泛子集中OSAs的一种划算的替代方案。

通过使用光纤耦合光学取样附件，包括积分球和余弦校正器，Avantes的光谱仪可以描述所有类型的激光器，而不管输出功率和光束发散度。

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参考和进一步阅读

1. V. Coffey，“光谱分析仪：了解光谱分析仪中的最新功能，”2010年6月激光焦点世界。
2. 黄志强，“表面发射激光的诞生与新光电子领域的产生”，《电子学报》，第6卷，第6期，2000年11月/ 12月。
3. P.G.antal和r. szipocs，”可调，低重复率，成本高效的Femtosecond Ti：用于非线性显微镜的蓝宝石激光，“Appl Prom”（2012）107：17-22

此信息已采购，从Avantes BV提供的材料进行审核和调整。亚博网站下载

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