用于激光表征的微型光谱仪

尽管是否正在制造廉价的垂直腔体发射激光二极管（VCSELS），用于消费电子设备或使用可调模式锁定的Ti：用于多光子荧光显微镜的Sapphire Laser，用于在整个制造过程中具有正确的光谱数据至关重要高质量且可重复的产品。

遗憾的是，许多激光工程师继续仅依靠大型且昂贵的光谱分析仪（OSA）进行光谱测试。尽管这些设备提供了出色的动态范围和光谱分辨率，但成本和尺寸经常降低其在制造环境中在多个点使用的能力[1]。

此外，非常低的灵敏度是这些设备的扫描性质的结果，这导致了长时间的集成时间，使OSA与高速自动生产线不相容[1]。

作为备选，微型光谱仪从固定的光谱仪与线性检测器阵列结合使用的固定光谱仪中，可以同时和高速分析整个光谱。

尽管该几何形状不提供光谱分辨率和范围的实时调整，但与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。

速度的优点不仅在快节奏的高体积测试环境中有益，而且还通过使用高速触发来准确地测量了脉冲激光系统。结果，某些激光器的制造商将微型光谱仪技术用作更常见的OSA的补充技术。

本文将概述微型光谱仪在实验室中与激光表征的优势。首先探索大局并简要回顾微型光谱仪的基本面至关重要。

微型光谱仪的基本面

与所有光谱仪类似，Avantes的微型光谱仪从根本上是一个成像系统，该系统将入口狭缝的图像划分为大量在检测平面中的空间分离的单色图像。

在Czerny-Turner光谱仪的设计中，这是通过最初利用凹面镜从入口狭缝的光线来实现的，并将其引导到反射性分散光栅上。因此，各种光的波长因此以不同的角度反映了光栅，随着它们远离光栅，它们越来越多地分离。

然后，将这种类型的射线向下引导，以通过较大的截断的聚焦镜在检测器平面上产生一个入口狭缝的图像，但是由于其角度的分离，每个波长的图像现在沿着垂直于轴的轴划分为入口狭缝的位置。

通过将线性阵列放在图像平面中，可以对每个像素进行校准以粘附到独特的波长。下面的图1说明了一个常见的切换器微型光谱仪的示意图。

图1。典型的Avantes光谱仪，带有光束路径穿过Czerny-Turner光谱仪到覆盖的检测器。

必须注意的是，由于Czerny-turner光学设计的轴性质，在低f数字下，这些系统通常表现出大量的昏迷^†，这会导致不对称的峰值变形和光谱分辨率降低。

因此，所有用于激光测试的Avantes的高分辨率微分辨率微分光谱仪都用大量的F数字制造，因为吞吐量对激光测量的分辨率要小得多。

但是，还必须注意，在使用此特定光谱仪进行激光测试时，填充准直镜的完整数值光圈很重要。

该指令似乎很明显，但是如果激光直接瞄准入口缝隙中，它将无法正确地准入，因此不会以正确的角度和准确的填充因子以正确的角度撞击光栅，这将在光谱中产生错误的伪像。

此误差将导致单模激光器似乎具有多种光谱模式。因此，始终建议通过光纤电缆将激光灯耦合到光谱仪中，以保持光谱测量的准确性。

^†昏迷是一种离轴光学畸变，使图像模糊并有尾巴，看起来像冰淇淋蛋筒或彗星。图像质量的下降与光学系统的F数字成反比，在光学吞吐量和图像质量之间创造了权衡。

激光测试配置

在设置微型光谱仪时，需要指定三个主要组件，即入口狭缝，检测器阵列和分散光栅，因为这些功能同时函数以配置仪器的光谱范围，灵敏度和分辨率。

对于激光表征，存在过多的光谱能量密度，因此始终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螺距和缝隙尺寸的CMOS检测器阵列以及高凹槽密度光栅来实现的。

从光谱仪的几何形状来看，很明显，这种像素大小，狭缝宽度和凹槽密度的选择都将导致最狭窄的分辨率，但是对于CMOS阵列而言，为什么比CCD阵列更喜欢CMOS阵列。

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

为了显示这种效果，使用AVASPEC-uls468Cl-Evo测试了创新光子溶液型号I0830MB0600M-HP的830 nm激光器，该激光器具有5 mm入口缝隙和1,200凹槽/mm磨光。

光谱仪使用SMA905纤维贴片线耦合到余弦校正器和辐照度校准，以将每个纳米计数的输出转换为光谱辐照度，如图2A所示。

图2。（a）830 nm激光光谱作为驱动电流从250 mA增加到550 mA，（b）基于峰光谱辐照度的线性回归模型，以及（c）集成激光功率的线性回归模型，每种激光功率都会产生R2> 0.99。

必须强调的是，该激光器的输出耦合到0.22NA 105 mm光纤电缆，并在SMA905舱壁上完成，从而形成均质的发散输出束。余弦校正器的固定距离固定在不同的光束前面，该梁均匀地照亮了它，因为使用激光USB接口更改了驱动电流。

在测试运行时，该配置被用来阻止光谱仪饱和，但是因此，总的激光功率是不可估量的。

相反，分析了余弦校正器的活性区域的功率，并在图2c中通过光谱的数值整合以及结果通过余弦校正器的活性区域的乘法来表示。

图2中显示的数据概述了CMOS检测器的极高线性，R2> 0.99，包括集成激光功率和峰光谱辐照度。必须利用集成球而不是余弦校正器来分析这种高功率激光器的总输出功率。

申请示例

现在，已经详细概述了用微型光谱仪进行激光测试的标准要求，本文将继续说明一些常见的示例，证明它们是与OSA相比的首选选择。

下一节将评估如何在两个单独的应用中使用Avantes的光谱仪：可调激光监控和VCSEL制造。虽然不是详尽的列表，但它提供了应用技术的好处的强烈概述

VCSEL制造和测试中的Avantes光谱仪

VCSEL可以在不同的生产阶段进行测量，与在晶圆上切割死亡之前无法测试的边缘发射激光二极管相比。这包括整个晶圆测试，因为激光光垂直于PN结构发射[2]。

这同时支持数千个VCSELS和单个晶圆的测试，从而导致更有效的生产和降低的废料率。因此，生产线上的高速光谱测量对于使用独有的VCSELS独特的晶圆测试能力是必要的。

设备制造商和集成商需要具有高分辨率，短积分时间和高速触发响应的光谱仪，所有这些都可以由Avantes的微型光谱仪提供。

图3展示了通过晶圆处理收集的三个不同示例的VCSEL光谱。图3a是单模VSCEL的一个示例，该示例仅显示一个峰，而图3B显示了带有不良侧emode的单个模式VSCEL的故障。

通过将高速光谱仪纳入晶片检查过程，VCSEL制造商现在可以使用分类技术和高速套筒接近LED制造过程中使用的高速构架，以大大降低成本。

图3。示例VCSEL光谱轮廓演示了具有较大侧模式（B）的正确运行的单模激光输出（A）和故障激光。

可调激光监测中的AVANTES光谱仪

大量典型的实验室激光系统都可以包含可调的输出，例如外部腔激光器（ECLS），模式锁定的Ti：蓝宝石激光器和光学参数振荡器（OPOS）。处理这些可调波长激光源时，通常情况下，监视输出不需要OSA的精度。

使用Picsecond到飞秒脉冲宽度激光器时尤其如此^††，其中光谱带宽通常在0.5 nm和20 nm之间变化。例如，下面的图4演示了221 FS脉冲宽度可调Ti：800 nm处的蓝宝石激光系统的光谱，提供了约170 nm的调谐范围[3]。

图4。221 FS脉冲宽度Ti的光谱曲线：蓝宝石可调激光[3]。

由于这个原因，用于激光测试的微型光谱仪不仅适用于生产环境中。具有成本效益的微型光谱仪，例如，可以使用频谱分辨率为0.5 nm的频谱分辨率配置，非常适合观察实验室中这些超快速激光器的调整。

对于更复杂的应用，例如监视ECLS，另一个可调的窄线宽激光源，例如Avaspec-uls4096Cl，分辨率小于0.1 nm，是OSA的绝佳选择。

Avantes仪器可用于协助多种脉冲激光应用以及可调激光监测，因为它们具有出色的定时控制电子设备。当以可重复的方式分析脉冲激光器时，使用的光谱仪必须允许外部触发，并在接收触发器时几乎可以立即响应。

Avantes Instruments使用车载现场编程的门阵列（FPGA）来命令定时性能，并使用可编程的外部触发延迟提供低抖动的高速计时控件，其速度为870 NS，具有21 ns的抖动。

^††为了澄清，必须注意的是，在超快速激光测量的情况下，光谱仪没有分析单个脉冲，而是在测量整个测量过程中测量平均光谱带宽的大量脉冲上积分。

结论

如本文概述的那样，许多客户认为Avantes工具为大多数激光测试需求提供更大，更昂贵的OSA的有益替代方案。

新的mini4096clavaspec-uls4096cl-evoAVASPEC ULS3648-USB2是各种激光积分器和制造商遵守其在线质量控制程序的最常用于激光表征的三个。

这些微型光谱仪用于分析一系列常见的激光参数，例如质心，光谱波长，全宽度最大（FWHM），侧模式抑制比和RMS光谱带宽。

这些参数可以通过Avasoft软件接口进行专门测量，或者用户可以部署Avantes易于实现的DLL库，从而使生产软件变得方便。

相关产品

avaspec-uls4096cl-evo

Avaspec-Mini4096cl

Avaspec-uls3648

Avaspec-uls2048

AVASPEC范围的简单软件集成，高分辨率，高敏性和高速采集功能使它们成为OSA的具有成本效益的替代品，用于广泛的激光表征和测试。

通过使用纤维耦合的光学采样配件，包括集成球体和余弦校正器，Avantes的光谱仪可以表征所有类型的激光器，而不管输出功率和梁发散如何。

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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”，《激光焦点世界》，2010年6月。
2. K. Iga，“表面发射激光 - 它的出生和新的光电领域的生成” IEEE期刊选出了Quantum Electronics中的主题，第1卷。6，第6号，2000年11月/12月。
3. P.G.Antal和R. szipocs，“可调，低重复率，具有成本效益的飞秒TI：非线性显微镜的蓝宝石激光，” Appl Phys B（2012）107：17-22

此信息已从Avantes BV提供的材料中采购，审查和改编。欧洲杯足球竞彩

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