脉冲激光器

关于皮秒二极管激光器

目录：

• 激光二极管的原理
• 激光二极管的光学特性
• 皮秒二极管激光器
• 单模和多模二极管激光器
• 峰值功率
• 光脉冲形状与输出功率的关系
• 功率稳定性
• 定时稳定性
• 脉冲重复率
• 复用能力
• 具有四个不同波长激光器的 “激光中枢
• 与 bh TCSPC 和 TCSPC FLIM 设备兼容
• bh 微秒二极管激光器的频繁应用

激光二极管的原理

激光二极管是一种半导体二极管，其中 p-n 结中的电子和空穴重组产生光。当二极管受到足够大的电流泵浦时，就会产生受激发射。结的设计可形成波导，两端的反射涂层可形成光腔。当受激发射的放大倍数超过腔内损耗时，激光就会发生作用。

激光二极管的光学特性

激光二极管的光束几何形状远非理想。与其他激光器不同，激光二极管的激光发射发生在一个相对较宽的光锥中。这是由于腔体长度较短，以及在设备的小孔径中发生衍射所致。为了获得平行光束，必须在二极管前面安装准直器。然而，即便如此，光束仍然是椭圆形的，并含有明显的散光。很难将这样的光束聚焦到一个衍射受限的光斑中。因此，高性能二极管激光器包含校正光学器件。bh ps 二极管激光器使用圆柱透镜，可使光束变圆，同时矫正散光。

皮秒二极管激光器

皮秒二极管激光器使用由大电流快速电脉冲驱动的激光二极管。如果脉冲足够陡峭，二极管就会发出极短的光脉冲。光脉冲宽度可以比电脉冲宽度更短。实际上，驱动脉冲的宽度约为几百 ps。光脉冲的宽度在 30 ps 到 100 ps 之间。其速度取决于二极管的电气特性（尤其是结容量和内部串行电阻）、驱动脉冲的形状和振幅以及光学特性（如腔体增益）。

单模和多模二极管激光器

单模二极管激光器在腔体内只激发一个横向模式。除了上述的像差之外，光线实际上来自激光二极管内部的单个光点。这意味着光线可以投射到单模光纤或激光扫描显微镜的衍射极限光斑中。缺点是光功率相对较低，在连续波模式下通常为 100 毫瓦，在皮秒模式下为几毫瓦。这听起来似乎不大，但实际上，BDS-SM单模激光器获得的功率对于单分子、荧光衰减和 FLIM 或 FLIM / PLIM 测量来说绝对足够。

多模激光器的功率更高。多模激光器可激发多个横向模式。实际上，光不是来自单个点，而是来自二极管内部的一条线。因此，多模二极管（以及基于多模二极管的二极管激光器）无法将激光聚焦到单模光纤中，也无法在激光显微镜中获得衍射极限分辨率。在皮秒模式下，bhBDS-MM多模激光器的功率可达 10 mW。这对漫射光层析成像测量非常有利。高功率有利于这种应用，而且不需要进行衍射限制聚焦和单模光纤聚焦。

峰值功率

皮秒二极管激光器可输出的峰值功率受到半导体材料和反射涂层稳定性的限制。通常情况下，输出脉冲的峰值功率不能超过二极管规定的最大 CW 功率的 10 到 20 倍。当超过这个功率时，要么发射饱和，要么激光二极管损坏。

光脉冲形状与输出功率的关系

光脉冲的形状随驱动功率的变化而变化。在驱动功率接近激光阈值时，输出脉冲相对较宽。随着驱动功率的增加，脉冲变窄。在高驱动功率下，脉冲会出现尾巴或后脉冲，见下图。因此，在荧光寿命测量或 FLIM 等对脉冲宽度要求较高的应用中，激光器应在接近最佳脉冲形状的驱动功率下运行，并通过光衰减器调节光功率。

功率稳定性

如果没有外部稳定装置，激光二极管的光功率并不稳定。光功率主要取决于电子驱动功率和温度，在ps 二极管激光器中，还取决于驱动脉冲的形状。在 CW 模式下工作时，多个纵向空腔模式相互竞争，导致输出功率随机波动。因此，bh ps 二极管激光器具有内部功率稳定功能。一小部分光功率被转移到光电二极管中，光电二极管的输出电流与参考信号进行比较，然后调节驱动功率，使光功率与参考信号的等效值相匹配。因此，即使在极端条件下，例如在激光器开启后的最初几分钟，或在激光器为 PLIM 操作或波长复用而进行开/关调制时，输出功率也能保持恒定。

定时稳定性

定时稳定性，即参考电参考输出脉冲的光脉冲时间位置的稳定性，在所有时间分辨记录任务中都至关重要。例如，光脉冲在时间上的偏移会导致测量到的荧光衰减时间发生同样大小的偏移。通常情况下，即使在激光器刚开启时，定时稳定性也优于几皮秒。

脉冲重复率

ps二极管激光器的重复率取决于驱动发生器的重复率。除了热因素外，激光二极管本身几乎没有限制。在高端，重复频率可高达 100 MHz。在低端，补光率可以任意降低。但需要注意的是，峰值功率仅限于几百毫瓦。因此，平均功率会随着重复频率的降低而减小。此外，稳定输出功率（见上文）也变得困难。因此不建议设计脉冲重复频率低于 5 MHz 的实验。请考虑使用 bh PLIM 技术进行此类实验。

复用能力

所有bh 皮秒二极管激光器都可以进行时间复用。当需要同时使用多个激光波长测量激光诱导效应时，就需要使用多路复用功能。利用激光器的快速接通/关断功能，可以进行低至微秒级的多路复用。多路复用功能由GVD-120或GVD-140扫描控制器控制，并通过 bh TCSPC 模块的路由信号与多维 TCSPC 或 TCSPC/FLIM 记录同步。

带有四个不同波长激光器的 “激光中枢

bh “激光中枢 “大大简化了多个不同波长激光器的使用。四个 BDS-SM 激光器的输出光束注入一根单模光纤，并通过该光纤传输到测量设备。激光器的功率可单独控制，可单独开启和关闭，并可通过 GVD-140 扫描控制器发出的快速开/关信号进行多路复用。

与 bh TCSPC 和 TCSPC FLIM 设备兼容

BDS-SM和BDS-MM皮秒二极管激光器与 bh TCSPC 和 TCSPC FLIM 设备完美匹配。激光器的触发输出与TCSPC / FLIM 模块的 SYNC 输入直接兼容。通过 bh GVD-120 和 GVD-140 扫描控制器的直接开/关和功率控制，可直接集成到 bh TCSPC FLIM 系统中，并通过采集软件、光束消隐、激光多路复用和同步 FLIM/PLIM 功能实现强度控制。高重复率可避免堆积误差，有助于缩短采集时间。bh ps 二极管激光器的常规重复频率在 50 到 80 MHz 之间，是荧光衰减信号堆积和不完全衰减之间的良好折衷。高功率稳定性和高定时稳定性使用户能够进行定量荧光衰减和 FLIM 测量，并在运行 FCS 测量时不受激光功率波动的影响。BDS-SM 中集成的 CW 模式可为皮秒到毫秒范围内的 “全相关“测量提供激励。在漫射光层析成像实验中，BDS-MM 激光器提供的功率可缩短采集时间，并能复用多个不同波长的激光器。

bh 皮秒二极管激光器的频繁应用

由于 BDS-SM 和 BDS-MM 激光器具有脉冲宽度短、超高定时稳定性、功率稳定性、快速开关和多路复用能力，并且易于集成到bh TCSPC 系统中，因此被广泛应用于生物医学领域。例如，FLIM 显微镜、 分子成像、FLIM FRET、宏观物体的 FLIM、代谢 FLIM、FCS、单分子光谱、眼科 FLIM 以及厚组织的NIRS和fNIRS。