为激光二极管选择准直透镜

由于激光二极管的输出光是高度发散的，因此需要使用准直光学元件。由于非球面透镜不会引入球差，因此如果准直光束在1到5 mm之间，一般选择非球面透镜。下方通过一个简单的示例说明为特定应用选择正确透镜时需要考虑的主要规格。第二个示例是上述过程的扩展，显示了如何使椭圆光束变成圆形光束。

示例1：准直发散光束

• 使用的激光二极管：L780P010
• 所需的准直光束直径：Ø3 mm(长轴)

选择准直透镜时，必须了解所用光源的发散角和所需的输出直径。L780P010激光二极管的规格表明，其典型的水平和垂直FWHM光束发散角分别是8°和30°。因此，随着光不断发散，会形成椭圆光束。为在准直过程中收集尽可能多的光，任何计算中应使用两个发散角中的较大角(本示例为30°)。如要要将椭圆光束变成圆形光束，我们建议使用能够在一维方向放大光束的变形棱镜对，如示例2所示。

假设透镜的厚度相较于曲率半径可忽略不计，那么可以使用薄透镜近似以确定非球面透镜的焦距。假设发散角为30°(FWHM)，所需光束直径为3 mm：

Θ = 发散角	Ø = 光束直径	f = 焦距	r = 准直光束半径 = Ø/2

请注意，焦距一般不等于光源和透镜之间所需的距离。

根据已知信息，即可选择合适的准直透镜。Thorlabs提供大量非球面透镜。对于此应用，非常适合使用镀B增透膜且焦距接近5.6 mm的780 nm模压玻璃非球面透镜。C171TMD-B(已安装)或354171-B(未安装)非球面透镜的焦距都是6.20 mm，所以产生的准直光束直径(长轴)为3.3 mm。接下来，检查激光二极管的数值孔径(NA)是否小于透镜NA：

0.30 = NA_Lens > NA_Diode ≈ sin(15°) = 0.26

我们在此使用的都是FWHM光束直径表征光束。但是，实际中使用1/e²光束直径更佳。对于高斯光束轮廓，1/e²直径约为FWHM直径的1.7倍。因此，1/e²直径能够收集更多的激光二极管输出光(传输更大的功率)，并且最大程度地减小远场衍射(阻挡更少的入射光)。

根据经验，可选择NA是激光二极管NA两倍的透镜。比如，可以使用A390-B或A390TM-B，它们的NA是0.53，大于激光二极管NA近似值(0.26)的两倍。这些透镜的焦距都是4.6 mm，所以长轴准直光束直径约为2.5 mm。总而言之，使用焦距短的准直透镜，准直光束直径小，光束发散角大，而使用焦距长的准直透镜，准直光束直径大，发散角小。

示例2：使椭圆光束变成圆形光束

使用上方选择的激光二极管和非球面透镜时，我们可以使用变形棱镜对将准直的椭圆光束转变为圆形光束。

之前我们只考虑了较大的发散角，而现在我们需要考虑较小的8°光束发散角。由此，使用示例1中所选A390-B非球面透镜的有效焦距，我们可以确定准直后椭圆光束的短半轴长度：

r' = f * tan(Θ'/2) = 4.6 mm * tan(4°) = 0.32 mm

短轴光束直径是短半轴的两倍，即0.64 mm。为了将短轴直径放大，以等于2.5 mm长轴直径，我们需要一个可产生3.9放大倍率的变形棱镜对。Thorlabs提供已安装和未安装的棱镜对。已安装的棱镜对具有稳定的外壳以保持对准，而未安装的棱镜对可以以任何角度安装以实现精确的所需放大倍率。

PS883-B已安装的棱镜对可为950 nm波长光束提供4.0放大倍率。由于较短的波长在通过棱镜对时会被放大更多，所以可以预测，我们的780 nm光束会放大4.0倍以上。因此，光束仍将具有较小的椭圆度。

或者，我们可以使用PS871-B未安装的棱镜对，以实现形成圆形光束所需短轴直径的精确放大。使用此处提供的数据，我们可以看到，对于670 nm光束，当棱镜以下列角度放置时，PS871-B的放大倍率为4.0：

有关α₁和α₂的定义，请查看右图。相较于以上述角度通过棱镜的670 nm光束，我们780 nm激光的放大倍率会略低。可能需要一些试验过程才能获得确切的所需放大倍率。一般来说：

• 如需增加放大倍率，顺时针旋转第一个棱镜(增大α₁)并逆时针旋转第二个棱镜(减少α₂)。
• 如需减小放大倍率，逆时针旋转第一个棱镜(减小α₁)并顺时针旋转第二个棱镜(增大α₂)。

请记住，棱镜对在输入和输出光束之间引入了线性偏移，此偏移随着放大倍率的增加而增加。

在规格范围内工作时，激光二极管具有相当长的寿命。很多激光二极管损坏都是源于拿取不当或者超过额定范围操作。激光二极管极易受到静电的影响，因此，不管何时拿取激光二极管都应该佩戴适当的静电防护产品。由于其对静电非常敏感，因此，拆开原始密封包装后的激光二极管不能退回。如果客户保持激光器的原包装未拆封，Thorlabs非常愿意为您全额退款或者换货。

拿取和存放须知

由于激光二极管易因静电放电(ESD)受到损坏，因此在拿取和操作时需要非常小心。

静电防护腕带
操作二极管时需要配戴接地的静电防护腕带。

静电防护垫
二极管必须始终在接地的静电防护垫上工作。

激光二极管存放
不用的时候短接二极管引脚，以防止ESD损坏。

操作和安全须知

使用合适的驱动器
激光二极管需要精确控制工作电流和电压，以防过载。此外，激光驱动器必须提供电源瞬变保护。请根据您的应用选择合适的驱动器。千万不要使用有限流电阻的电源， 因为此设备无法提供足够的调节以保护激光器。

功率计
在安装和校准激光器与其驱动器时，使用可追溯到NIST的功率计精确测量激光输出。一般最安全的做法是在安装到光学系统之前直接测量激光输出功率。如果不可行，在确定激光总输出功率时必须考虑所有的光学损耗(透过率、孔径阻挡等)。

反射
在光学系统中，位于激光二极管前的平坦光学元件表面可能会将一部分激光能量反射回激光器内的监测光电二极管上，提供错误的高光电流。如果将光学元件从系统中移除，激光能量不再反射到监测光电二极管上，所以恒定功率反馈回路探测到光电流降低，并通过提高激光驱动电流来进行补偿，这样可能使激光器过载。背向反射也可能造成其它故障或者损伤激光二极管。为了避免这个问题，确保所有表面呈5到10°角，必要时使用光隔离器来衰减进入激光器的直接反馈。

散热器
激光二极管的寿命和工作温度成反比。必须将激光器安装在合适的散热器上，从而散除激光器封装的多余热量。

电压和电流过载
绝对不要超过激光二极管规格表所列出的最大电压和驱动电流，即使瞬间超出也不行。此外，低至3 V的反向电压也会损坏激光二极管。

对ESD灵敏的设备
即使在工作期间，激光二极管也易受到ESD损坏。使用长电缆连接激光二极管和驱动器时尤其严重，因为长电缆会产生很大的电感。应始终避免在ESD环境下使用激光器或安装座。

开/关和电源瞬变
由于激光二极管响应时迅速，不到1 µs的瞬变也可能损坏激光器。电烙铁、真空泵、荧光灯等高电流设备经常产生大的瞬变，因此在使用激光二极管时必须使用浪涌保护插座。

如果您有关于激光二极管的任何问题，请联系Thorlabs技术支持techsupport-cn@thorlabs.com寻求帮助。

激光安全和分类

使用激光器时应遵循安全规章并使用正确的安全设备。眼睛极易受激光伤害，即使是极低的光强。Thorlabs提供一系列安全配件，可用于减少事故风险或伤害。可见光和近红外激光最有可能造成视网膜损伤，因为这些波长能够透过角膜和晶状体，而且晶状体会将激光能量聚焦到视网膜上。

安全实践和光安全配件

• 使用Class 3或4激光器时，必须佩戴激光防护眼镜。
• 工作中无论何时使用功率不可忽略的激光，Thorlabs建议佩带激光防护眼镜，因为螺丝刀等金属工具可能意外反射激光。
• 设计用于特定波长的激光安全眼镜应摆放在激光装置旁边明显的位置上，让佩戴者免受意外反射的激光照射。
• 安全眼镜上要标注可防护的波长范围以及那个范围内的最小光密度。
• 激光防护帘和激光防护布可以防止实验室其他区域受到高能激光。
• 遮光材料可以阻挡来自实验装置区域的直射和反射光束。
• Thorlabs罩壳系统可用于遮盖光学装置，以此隔离或减小激光危害。
• 带尾纤的激光器在连接或断开其它光纤时必须先关闭，尤其激光功率水平高于10 mW。
• 所有激光需要终止于平台边缘，激光使用时实验室要关门。
• 激光光高不能和视线平齐。
• 在光学平台上开展实验，使得所有光束沿水平方向传播。
• 靠近光路工作时摘掉不必要的反射物件，比如首饰(戒指和手表等等)。
• 注意透镜和其它光学器件的前后表面都可能反射一部分入射光。
• 将激光功率设置为能够满足应用的最小值。
• 如果可能，在光路对准过程中降低输出功率。
• 使用光快门和滤光片减小光束功率。
• 在激光装置旁边或者房间里贴上正确的警示符号或标签。
• 在操作Class 3R或4激光器(即要求使用安全连锁的激光器)时，使用灯箱式激光安全标识。
• 激光观测屏不能替代合适的光阱。

激光等级

根据眼睛伤害和其它危害程度，激光器分为不同的几个等级。国际电工委员会(IEC)是制订和发布国际电气、电子及相关技术标准的的全球组织。IEC 60825-1标准文件概括了激光产品的安全问题。每种等级的激光器描述如下：

等级	描述	警示标识
1	这个等级的激光器在任何正常使用的情况下都是安全的，包括在光路中使用光学仪器进行观测。这个等级的激光器发射的激光在正常工作中不会导致伤害，并且不可能超过最大允许的曝光量(MPE)。Class 1激光器也包括一些封闭式高功率激光器，不去打开或关上激光器就不可能暴露在激光中。
1M	除了和望远镜和显微镜等光学组件一起使用时，Class 1M激光器就是安全的。这个等级的激光器发射大直径或发散光束，除非经过聚焦或成像光学元件缩束，一般不会超过MPE。但是，如果光束重新聚焦，伤害可能增加，等级相应改变。
2	Class 2激光限于1 mW以下连续可见光，这类激光器是安全的，因为眨眼反射会使眼部曝光时间限制在0.25 s。这个类别只适用于可见光(400 – 700 nm)。
2M	因为眨眼反射，这个等级的激光只要不通过光学仪器观察时就是安全的。这个激光等级也适用更大直径或发散激光光束。
3R	这个等级的激光只要以有限制的光束观测操作就是安全的。使用这个等级的激光器不可能超出MPE，但是也有低风险伤害。对于这个等级，可见连续激光输出功率被限制在5 mW。
3B	Class 3B激光如果眼睛直接曝光会造成危害。但是，漫反射没有危害。这个等级的操作安全措施包括在可能直接观测激光光束时佩戴防护眼镜。此外，需要安全互锁的激光器应和激光安全标识灯箱一起使用，使得安全灯箱不亮时就不能使用激光器。Class 3B激光器必需配备钥匙开关和安全互锁。
4	这个等级的激光可能造成皮肤伤害，也可能造成眼睛伤害，甚至是观测漫反射光都可能。这些受伤风险也适用于光束的间接或非镜面反射，甚至明显哑光表面也可能造成伤害。它们也有火灾风险，因为可能点燃易燃材料。Class 4激光器必须配备钥匙开关和安全互锁。
除了上面相应的标志，所有的2级(或更高)激光器必须显示这个三角警示标识。