二极管激光器在水下的应用

作者:凯文·哈迪，伦纳德·桑奇斯，约翰·桑德森，《深海电力与照明

见海洋新闻与科技2010年6月,

第一个激光(“受激辐射的光放大”)于1960年在加利福尼亚州的休斯研究实验室首次展示，仅仅是50年前，同年里雅斯特号深潜船潜入马里亚纳海沟底部。是爱因斯坦在1917年的一篇论文中提出了激光科学。

激光为水下应用提供高亮度相干光，如测量、测量、测距、参考指向、通信和控制、物理传感器、生物传感器和激光线扫描成像。

二极管激光器特别适合于海洋应用，因为它们对振动不敏感，寿命长，体积小，输入电压宽，和即时重击。有多种颜色可供选择，从红外线到紫外线。

二极管激光器，或“半导体激光器”，被认为不同于固态激光器。“固态”指的是激光，它不是电子学意义上的，而是确定了包含发光原子的透明固体的物理状态。正如你可能猜到的，还有气体激光器和液体激光器。固体，如掺杂铬原子的红宝石晶体棒，既传输永恒的激发光，又传输内部受激发射光，这些光级联或雪崩形成众所周知的激光束。

人眼对颜色的敏感度是一个钟形曲线。中间和最高的是绿色(550nm，最大值100%)。第二种是黄色(570 nm，最大95%)。它们的两侧分别是橙色(600nm，最大65%)和蓝色(500nm，最大35%)，紫色(450nm，最大5%)和红色(630 nm，最大15%)。

透过率是衡量某一特定波长的光通过材料的量。与之相反的术语，吸收率，是衡量光被吸收的量。当光被吸收时，它的强度就会降低或衰减。影响海水光衰减的因素有三:水本身的吸收、悬浮粒子的吸收和溶解物质的吸收。红光被水吸收的速度大约是绿光吸收速度的6倍。在480 nm光(蓝色)下吸收最小。

所以，如果人眼看绿色比看红色好10倍，而且绿色在水中的吸收更少，那为什么还要在水下使用红色激光呢?答案是红色激光二极管的温度稳定性更大，二极管泵浦Nd-YAG绿色激光器的成本更高。

二极管激光器的工作原理

所有的激光器都基于同样的原理:来自外部光源的光穿过透明材料(或激光介质)的侧面，激发内部的发光原子。一个光子产生2个，然后产生4个，再产生16个，这个过程叫做级联或雪崩。激光介质两侧的平行反射镜形成“激光腔”。一面镜子将所有的光反射回激光腔，另一面镜子允许一部分光作为激光束逸出。

太初有光

人眼对波长在400纳米(紫色)到700纳米(红色)之间的光敏感。有趣的是，在人眼中，有三种视锥细胞，每一种都对可见光谱的不同部分敏感:红、绿、蓝(RGB)。就像你的彩电，RGB的混合给人全彩的感觉。“色盲”的人缺少一组视锥细胞。人类的眼睛也含有感知光强度的“视杆”。其他动物看到的电磁波谱可能与人类不同。有没有想过红外线或紫外线是什么样子的?

二极管激光器与led有某些共同的特性，包括被称为“驱动器”的功率电路的重要性。当设计正确时，驱动器安全控制功率应用到激光二极管在所有情况下。激光将电能转化为光的效率可高达50%。激光二极管的驱动电路要么是保持恒定光输出功率的自动功率控制(APC)电路，要么是保持恒定电流的自动电流控制(ACC)电路。温度的变化会影响激光二极管的输出功率和波长。APC电路提供恒定的光输出功率，尽管环境温度变化。

输出称为连续波(CW)或脉冲功率(PP)，通常占空比为50%。

商用二极管激光器的基本设计是基于“双异质结构”。它由几个具有不同功能的并行层组成。在两个熔覆层之间夹有有源或光放大层。

这些熔覆层提供电子注入到活性层。由于有源层的折射率比覆层的折射率大，光被限制在有源层中。二极管的平行边缘被切割，并加入反射镜，形成“激光腔”。这类被称为“边缘发射器”激光二极管。

二极管激光器也可以设计成从表面发射，称为“表面发射器”激光二极管。这些提供了许多制造优势。数值上优越的是“垂直腔面发射激光器”(VCSEL)。

“二极管泵浦”固态激光器将多个二极管激光器的输出聚焦到一个共同的激光棒中，以组合功率输出或产生激发频率的谐波。最好的例子是二极管泵浦，频率加倍的钕- yag激光器，在二次谐波中发射532 nm(绿色)。Nd-YAG是一种硬脆晶体，具有良好的热、光学和力学性能。

二极管激光器具有最佳的温度范围。红色激光器的工作温度范围最广，-10至50˚C。绿色激光较窄，20- 28˚C。然而，在DSPL的测试表明，IIIa类绿色激光器，即使冷冻一夜并置于冰浴中，也能在5分钟内达到全部输出功率。这部分是由于在隔热钛或delrin外壳内作为加热器的线性调节器驱动器效率低下，部分是由于使用了如上所述的APC驱动器。光束散度是测量光束在一定距离上的膨胀。光束发散角将根据激光二极管系统和系统内使用的光学系统而变化。

光束的形状可以是椭圆形或圆形。补充光学元件可用来制造一条细线。一个视频系统可能与船上的计算机相连接，以识别哪条视频扫描线记录了激光线，并通过了解潜艇的姿态和摄像机的角度，计算海底的坡度。

安全

即使是中等功率的激光也有潜在的危险，因为它们会造成永久性的眼睛损伤。为了降低风险，已经定义了激光的“等级”，按功率和波长排序，包括那些超出人类视觉范围的激光。我们只讨论绿色和红色。在发射和回收作业期间，上层作业人员必须谨慎，确保激光器关闭，因为如果使用高功率激光器，即使是来自海洋表面的反射也可能意外伤害甲板上的人员。

水下激光器通常是IIIa或IIIb类，基于ANSI Z136.1和设备和辐射卫生中心(CDRH)法规21 CFR

IIIa类的功率输出介于1到5mw之间。在适当的条件下，这些激光器可以产生点盲症，主要是与改变光束直径或功率密度的光学系统相结合，但通常是无害的。IIIa类激光器在激光器和/或设备上应有危险标签和输出孔径标签。没有已知的皮肤危险或火灾危险存在。

IIIb类的功率输出从5兆瓦到500兆瓦。不可否认，这是一个广泛的群体。IIIb类激光器被认为是一种明确的眼睛危害，特别是在更高的功率水平，并将导致眼睛损伤。这些激光器必须有一个红色的危险标签和孔径标签贴在激光器上。当车辆固定在甲板上时，建议安装一个孔盖盖。在激光系统的发射和回收过程中必须格外小心。

操作人员和甲板人员在IIIb类激光器附近工作时必须佩戴安全护目镜。一个安全百叶窗设计关闭时，激光离开水是很好的建议。这可能是一个漂浮的聚丙烯球捕获在一个固定在激光的前面。如果激光器在离水的情况下通电，半透明球会落在激光束的路径上，相干光束不会造成伤害。

当使用IIIb类激光器时，安全护目镜可以衰减很大一部分功率，但可以安全地看到光束。

激光功率计

袖珍激光功率计，如Sper Scientific 840011袖珍激光功率计，是理想的实验室，生产，或现场测试的二极管激光器。Sper单元直接读取mW，并在633 nm校准。该装置在400到1100纳米范围内的任何波长上提供精确的功率读数，通过打印在外壳盖内的转换图表，测量调整为真。传感器棒可以扩展以用于远程使用。数字仪表显示数字读数，最小/最大，条形图显示，超量程。

结论

本文简要介绍了二极管激光器在水下应用中令人兴奋和有用的技术。还有很多。APC驱动如何工作本身就是一个很有趣的讨论。有专门研究这个主题的书籍和课程。

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