（光学专业论文）冷原子用外腔半导体激光器特性的研究.pdf

a u t h o r ss i g n a t u r e ： 一 s u p e r v i s o r ss l g n a t u r e ： e x t e r n a lr e v i e w e r s ： s u ic h e n g h u a p r o f e s s o r z h e ji a n gu n i v e r s i t yo ft e c h n o l o g y , w a n gb a i x i a n g a s s o c i a t ep r o f e s s o r z h e ji a n gu n i v e r s i t y , p a n b a i l i a n g k p r o f e s s o r z h e i i a n gu n i v e r s i t y e x a m i n i n gc o m m i t t e ec h a i r p e r s o n ： e x a m i n i n gc o m m i t t e em e m b e r s ： l ux u a n h u i k p r o f e s s o r z h e ji a n gu n i v e r s i t y d a t eo fo r a ld e f e n c e ： 丛垦y 兰! ：2 q q 窆 删 = irllii r l l lj i lr lrillllilr l i l l y 1 8 9 3 8 0 3 浙江大学研究生学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成 果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的 研究成果，也不包含为获得逝姿盘堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材 料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示 谢意。 学位论文作者签名：爱n 澎杰签字日期：2 。9 年，月乡日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解逝姿态堂有权保留并向国家有关部门或机构送交本 论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权逝姿盘堂可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索和传播，可以采用影印、缩印或扫描等复制 手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文作者签名：囱泼杰 导师签名： 签字日期：2 0 0 9兮月岁f 日 签字日期：2 。9 年r 月引日 致谢 感谢我的导师陆璇辉教授：在陆老师的指导下，本文得以顺利完成。陆老师渊博的 知识，开阔的眼界，将使我终身难忘。感谢两年多来，学 - - j 和生活上，陆老师给予我的 帮助。在此，我对陆老师表示衷心的感谢! 感谢黄凯凯、薛大建两位老师对我在实验细节方面的指导和传授。 感谢两位嫡系师兄赵承良博士和陈和博士，感谢他们在理论学习和实验安排上给予 我的帮助和指导。 感谢实验室团队其他成员包括王奎龙、郑松、孙雷等同学在实验合作期间对我的帮 助和支持! 任何一个科研实验过程的完成，都离不开整个团队的合理协作分工 感谢光学所的所有老师对我的授课指导，感谢张璋和王肖隆两位学长对我的帮助! 感谢我的父母和女友的期望与支持! 刘泱杰 二零零九年五月于求是园 摘要 冷原子干涉实验需要用到精密稳频控制的半导体激光器，很多商用激光器指标不能 满足实验需要，并且价格高，不易维护为此自行研制高稳定的半导体激光器系统非常必 要 本文介绍了实验室自制的外腔半导体激光器系统，分别给出半导体激光器的恒流源 和温度控制电路的设计；并且结合实验中遇到的问题，运用矢量衍射理论对外腔中光栅反 馈进行了理论分析 本文从半导体激光器稳频基本原理开始，首先从理论上分析了稳频系统的必要性和 研究意义，然后分别分析了实验室自制恒流源和温度控制电路系统的原理，并使用热沉系 统进行了测量，根据所得测量数据，分析得出恒流源和温度控制电路的基本性能指标 同时，针对冷原子干涉实验中出现的光栅失调外腔反馈性能突变导致激光波长改变 的现象，本文使用严格耦合波分析了光栅方程三维衍射的情况，合理地解释了实验现象 关键词：外腔半导体激光器恒流源半导体制冷器( 热电制冷t e c ) 比例积分微分 ( e l o ) 控制光栅 a b s t r a c t e x p e r i m e n t so fc o l da t o mi n t e r f e r e n c er e q u i r es e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ew i t he x c e l l e n t f r e q u e n c y - s t a b i l i t y t h e r e f o r e ，w em u s td e s i g na n dm a k es p e c i a ls y s t e m so fs e m i c o n d u c t o r l a s e rd i o d ew i t hg r e a ts t a b i l i t yo fl a s i n gf r e q u e n c y ；f o rc o m m e r c i a lo n e sa r ee x p e n s i v ea n d d i f f i c u l t yt om a i n t a i n t h i st h e s i si n t r o d u c e st h eh o m e m a d es e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e s y s t e mb yo u r l a b o r a t o r y ，a n dg i v e sa n a l y s i so nc u r r e n td r i v e ra n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r m o r e o v e r ，i ta l s o a n a l y s e st h ed i f f r a c t i o np r o p e r t i e so fe x t e r n a l - c a v i t yg r a t i n g w es t a r tf r o mb a s i cp r i n c i p l eo fs t a b l e - f r e q u e n c ys y s t e mf o rs e m i c o n d u c t o rl a s e r , f i r s t l y a n a l y s e si t sr e s e a r c hb a c k g r o u n da n da si n t r o d u c t i o n ，i n t r o d u c e st h es y s t e mo fs e m i c o n d u c t o r l a s e rd i o d eu s e di n e x p e r i m e n ta n di t ss t a b l e - f r e q u e n c yc o n f i g u r a t i o n t h e nw er e v i e w p r i n c i p l e so fc u r r e n td r i v e ra n dt e m p e r a t u r ec o n t r o l l e r , a n dm e a s u r er e l a t e dp r o p e r t i e so f d e s i g n e dc i r c u i t s m e a n w h i l e ，a c c o r d i n gt o t h ed i s a p p e a r a n c eo fe x p e c t e d l a s i n gw a v e l e n g t hd u et o m i s a l i g n m e n to fg r a t i n gp l a n ei ne x p e r i m e n t ，w ee x p l a i ni t sr e a s o nt os o m ec o n t e n t ，t r e a t i n g t h r e e d i m e n s i o n a ld i f f r a c t i o nc a s eo fg r a t i n ge q u a t i o nw i t hr i g o r o u sc o u p l e dw a v e a n a l y s i s k e y w o r d s ：e x t e r n a lc a v i t ys e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ，c o n s t a n tc u r r e n td r i v e r , s e m i c o n d u c t o rc o o l e r ( t h e r m o e l e c t r i cc o o l i n g ) ，p r o p o r t i o n a l i n t e g r a l - d i f f e r e n t i a l c o n t r o l l e r , g r a t i n g i i i 目次 致谢i 摘要i i 目次v 1 绪论1 1 1 研究历史回顾1 1 2 半导体激光器稳频理论的相关分析一2 1 3 本文的研究内容及意义一3 2 半导体激光器的恒流源4 2 1 半导体激光器电源原理4 2 1 1 半导体激光器的发光原理一一场致发光4 2 1 2l d 的激光振荡条件5 2 1 3 激光器电源概况一7 2 2 恒流源原理概述8 2 2 1 恒流源的概念8 2 2 2 恒流源的各种表述l1 2 2 3 恒流源构成1 1 2 2 4 恒流源主要质量参数1 l 2 2 5 场效应器件恒流源原理1 4 2 3 恒流源电路的原理分析1 5 2 4 恒流源电路测量记录和分析1 9 2 4 1 实验测量记录2 0 2 4 2 数据分析2 5 3 半导体激光器的温度控制系统2 9 3 1 半导体激光器的温度控制2 9 3 1 1l d 的热稳定性2 9 3 2 半导体制冷器( p e l t i e r 贴片) 的制冷原理3 l 3 2 1 热电效应31 3 2 2 热电制冷原理3 5 v 3 3 比例积分一微分( p i d ) 控制原理3 7 3 4 温控电路分析3 9 3 5 温控电路测量记录及数据分析4 3 4l i t t r o w 外腔半导体激光器中的锥形衍射研究4 8 4 1 光栅方程中三维衍射问题的导入4 8 4 2 光栅方程4 9 4 - 3 寸论5 4 4 4 结论5 6 5 总结与展望5 7 参考文献5 8 附录6 1 附l 恒流源电路输出电流测量原始数据记录 附2a g i l e n t3 4 4 1 0 a 万用表用户指南测量教程 附3a g i l e n t3 4 4 1 0 a 万用表通用特性参数 附4 温控电路原理图 附5 温控电路系统函数及单位冲激响应计算源代码 作者简历 v i 浙江人学f 0 ；! i j 学位论文l 绪论 1 绪论 1 1 研究历史回顾 半导体激光器理论的预测可以追溯到1 9 6 1 年：m ga b e r n a r d 与gd u r a f f o u r g 在那 一年利用准f e r m i 能级概念推导出实现粒子数反转的条件【1 1 1 9 6 0 年5 月t h m a i m a n 制成世界上第一台红宝石激光器( 波长为6 9 4 3 n m ) 之后仅两 年时间，也就是1 9 6 2 年，通用电气( g e n e r a le l e c t r i c ) 研究中心的r o b e r tn h a l l n 队实现半 导体二极管( 后称为激光二极管l a s e rd i o d e ) 的相干光发射，研制出g a a s i n 质结注入型 半导体激光器【列同年，第一台可见光波长的激光二极管研制成功 作为激光器，首要的应用参数是阈值电流密度和工作温度最初2 0 世纪6 0 年代的半导 体激光器对应1 0 0 0 a c m 2 和7 7 k ( 连续激射) 这种激光器工作在室温( 约3 0 0 k ) 时，阈值电流 密度达到1 0 5a c m 2 , 这样高的电流密度无疑对激光器材料存在巨大的光损伤，令半导体激 光器在实际应用中难以为继革新性的想法诞生于5 0 年代中期：美国r c a ( r a d i o c o r p o r a t i o no f a m e r i c a ) 实验室的h e r b e r tk r o e m e r 想到了异质结的构想，区别于从前的同 质结结构3 ，4 1 1 9 6 7 年i b m 公司 w o o d a l l 成功地用液相外延附生技；求( l i q u i dp h a s ee p i t a x y ) 在g a a s 上生长了g a a l a s 这种结构的激光器的阈值电流比同质结激光器降低了一个数 量级，但是仍然不能在室温下工作更为革新的做法是双异质结注入型半导体激光器的构 思：1 9 7 0 年初，前苏联的z h o r e sa l f e r o v 团队( 包括d m i t r iz g a r b u z o v ) 和美国的m o r t o n p a n i s h 和l z u oh a y a s h i 实验上实现了双异质结的连续波长工作一3 0 0 k 下的闽值电流密度 n 2 3 1 0 2 a c m 2 这比单异质结激光器的阈值电流密度又降低了一个数量级p 1 双异质结激光器的问世开创了半导体激光器发展的新时期，甚至可能是纳米技术的 新时期：因为双异质结的生长要求1g m 厚度的控制精度8 0 年代后，由于吸收了半导体物 理研究的新成果，晶体外延生长新工艺，包括分子束外延( m b z ) 、金属有机化学气相沉 积( m o c v d ) 和化学束外延( c b e ) 等取得重大突破，能够精确控制晶体生长厚度达到原子 层的精度室温下，半导体激光器的连续( c w ) 输出功率已由毫瓦级发展到目前的瓦级，工 作波长由最初的0 8 0 9 r t m n 长波长和短波长两个方向发展，目前0 5 7 9 m 到1 6 9 m 波长 范围都有室温连续工作的、功率较大的激光器：通过改变有源层和包层的材料，出现了 分布反馈激光器( d f b ) ，分布b r a g g 反射激光器( d b r ) ，垂直腔面反射激光器( v c s e l ) ， 1 浙江人学坝l j 学位论文l 绪论 外腔反馈激光器( e c d l ) ，以及量子阱、多量子阱激光器：这些激光器通过各种工艺实 现单频、窄线宽、波长可调】 半导体激光器具有体积小、效率高和容易进行功率调制和频率调谐等优点；因而得到 广泛应用在量子频标，原子物理等基础研究领域，它也发挥越来越重要的作用，不仅要求 窄线宽，而且要求较大范围的频率可调外腔半导体激光器应运而生1 ”可调谐外腔半导体 激光器通常由外部光栅和半导体激光器构成谐振腔，通过改变谐振腔的结构尺寸或形状 进行波长调谐，而不是通过改变温度或注入电流来调谐半导体激光器通过外腔将激光二 极管( 内腔) 部分的输出光再反馈回二极管，使之与有源区进行作用外腔反馈加强了特定 频率的受激辐射，进而抑制了自发辐射，使激光线宽获得进一步压窄；还降低了激光器的相 位噪声和强度噪声，从而改善了半导体激光器输出光的质量外腔更重要的作用在于波长 选择的灵活性1 9 8 0 年，r l a n g 等第一次将外腔反馈技术应用到半导体激光器上，实 现了半导体激光器谱线宽度的压窄和输出波长的调谐【8 i 此后，外腔反馈半导体激光器的 研究逐渐活跃起来：在超冷原子物理研究领域，要求用于冷却的激光器具有功率高、频率 稳、线宽窄等特性；外腔半导体激光器在超冷原子物理领域也有着广泛的用途【6 1 1 2 半导体激光器稳频理论的相关分析 稳频技术始终是激光器使用的关键内容比如使用高气压加纵向非均匀磁场获得单 频自稳频h e n e 激光器【9 i ，称为z e e m a n 效应稳频方法自由运转的激光器，由于温度、振 动、气流噪声的扰动，激光波长不稳定为此，需要引入外部的稳频措施 设谐振腔长度为，腔内介质折射率为，? ，光波在腔内一次振荡的光程为2 n l ，对应相位 差a q o 可以表示为 4 缈：2 万三兰：2 刃，( 1 1 ) q 为纵模级次从而有 y = 轰( 1 2 )2 刀l 、7 和 一d v ：d n _ d l ( 1 3 )一= 一 l y刀l 可见折射率和腔长的变化都将导致激光频率的漂移，而环境温度变化、外界振动都影响折 射率和腔长 浙江大学硕十学位论文l 绪论 而注入电流对波长的影响就复杂一些，注入电流不仅改变二极管的温度；而且改变载 流子密度，这直接影响有源层的介质折射率，这同样改变激射波长 半导体激光器体积小、寿命长、光能量大，广泛应用于通信、存储等行业但由于半 导体内部激活层折射率对温度和注入电流变化的高灵敏度，使得半导体激光器自由振荡 运转时出现频率起伏实现半导体激光器的稳频控制，可以从温度和注入电流的控制入手 文献【l o 指出使激光束通过具有鉴频特性的频率基准器，被光电探测器吸收，光电探 测器的输出信号用作频率控制的误差信号，再输入温差制冷器控制激光器的散热装置；同 时可以由误差信号改变半导体激光器电流源，使注入电流得到迅速改变其中注入电流法 式得到较高频率控制能力的最简单和有效的方法，可以得到的最高频率稳定度为10 2 量 级 本文试图从独立的恒流源电路入手，首先追求独立的电路电流稳定性，并加以精密的 p e l t i e r 温度电路控制，来达到初步实现半导体激光器稳频的目的；后续工作打算加入激光 锁相技术来实现进一步的深度稳频 最初实验设定目标：恒流源交流电流值达到5 0 n a ，温控电路控制精度达到l m k 1 3 本文的研究内容及意义 本文介绍了实验室自制的半导体激光器系统( 主要是电路控制部分) ，分别给出半导 体激光器的恒流源和温度控制电路的设计介绍以及外腔半导体激光器的光栅衍射性能 的分析 第一章为绪论，概要介绍本文实验所使用的半导体激光器系统原理； 第二章给出激光器恒流源电路的设计和测量结果； 第三章给出激光器温度控制电路的设计和测量结果； 第四章针对冷原子干涉实验中出现的光栅面略微失调时，激光器输出波长突变的现 象，使用严格耦合波分析了光栅方程三维衍射的情况，合理地解释了实验现象； 第五章是对全文的总结和展望 浙沮大学坝十：学传论文2 、 ，导体激丸器的恒流源 2 半导体激光器的恒流源 2 1 半导体激光器电源原理 2 1 1 半导体激光器的发光原理一一场致发光 场致发光时半导体激光器的发光原理解释场致发光首先需要解释p n 结的载流子分 布情况图2 1 简并半导体p n 结在不加外电场时的能带图是简并( 重掺杂) 半导体构成的 p n 结在不加外电场时的能带图结区建立了自建电场，同时载流子已经耗尽p 区能带相对 于n 区提高了p 能级e ，p = e 州= e ，是无载流子宏观流动的标志显示p 区价带上有足 够多的空穴，但导带上的电子数目极少；而n 区导带上有足够电子，但价带上的空穴数目极 少p n 结内既缺少导带电子，价带上又没有空穴 嚣；l o 一 参 oo 图z1 简并半导体p n 结在不加外电场时的能带图 浙i l 大学硕十学位论义2 半导体激光器的恒流源 喳益撵尹盱一下驴y i 毒禹穰两碧再生蜘 图2 2 简并半导体p n 结在加外正向偏压时的能带图 加上正向偏压的情况如所示外加电场与自建电场方向相反，使势垒降低，原来的平衡 被打破，扩散运动处于优势，空间电荷区扩大如果外加电压恒定，半导体中将出现有p 区向 n 区的稳定电流这时f e r m i 能级不再处处一致，分为准f e r m i 能级，且有 e f n 一= p 瓯( 2 1 ) 筒并半导体在正向电压足够大时，载流子注入使能带图发生质的变化如图2 2 示 意，p n 结导带上电子较多，同时价带上又出现了较多空穴，在结区的一段区间内形成了粒子 数反转状态，这就是有源层的形成在有源层内，导带电子跃迁入价带，电子空穴对复合的 同时伴随着光子的发射这个过程称为场致发光 2 1 2l d 的激光振荡条件 上述正向注入形成了有源区，有源区内的带一带激光跃迁将导致光发射的受激放大图 2 3 为人们最初研究的注入式l d 结构示意图有源区体积为 v = l w t ( 2 2 ) 式中，三为腔长，即l d 管芯长度；肜为有源区宽度；f 为有源区宽度 浙i l 大学f j j ；! + 学位论文2 、1 7 导体激光器n i 流源 空渊 电搿l x 鲁篡善两端衙为 t j | 线j 矿曲端啤 。1 0 0 ) 解删丽 j - 源l | ? ： 。上7 品 图2 3 最初研究的注入式l d 结构示意图 出现光增益的前提是有源区的导带有电子，同时价带上又留有空穴也就是，要求导带 底附近被电子占据的几率必须大于价带顶附近被电子占据的几率运用f e r m i d i r a c 能量 分布律，即 厂( 巨) f ( e ，) 11 1 + e 坤了- e f n 7 l + e x p 盐k t 1 尼丁 1 e f u 一瓦r e e = 最( 2 3 ) 式( 2 3 ) 臣l j 为形成粒子数反转的条件，再根据式，反转条件可以写成 驴 ( 2 4 ) 即只有外加正向偏压大于禁带宽度与电子电荷的比值时，才能形成粒子数反转物理意义 可理解成，只有外部激发能量大于禁带宽度时才可能将价带电子抽运到导带 在稳态条件下( 温度不变，外加电压不变) ，半导体的注入电流为 ，= + 凡= ( 每秒注入的载流子对数) p ( 2 5 ) 设2 表示有源区中导带底电子总数，l 表示价带顶电子总数，复代表电子- 空穴对全部 自发复合完成所需时间；则每秒发射的光子数为丝计算l d 的内量子效率定义为有源区 6 浙i l 大学硕十学位论文 27 f 导体激光器的恒流源 内发射光子数与注入电子一空穴对数之比，有 仍2 等4 e2 眨6 ，艇 f 复 注入电流密度应为 兰万i2 面e n 石2 ( 2 7 )aw lr l j t 。i 、 其中a 表示有源层截面积 经过适当计算，可以得出l d 的闽值电流密度表达式 z = 等( 口一i 1 i n 厕；( 2 8 ) ，砸2：ij。、7。1。2，+。：5 其中y 为辐射场模式的频率，行为有源区折射率，av 为半高全宽口为平均损耗系数，足 和b 分别表示镜面反射率 因而注入电流的电流源是半导体激光器的重要供能装置 21 3 激光器电源概况 激光器电源是激光器装置的重要组成部分激光器的泵浦方式有多种，有光激励、放 电激励、化学激励、核能激励等如果采用光激励和放电激励，激光器必须配有一台相适 应的供电电源1 2 1 对于半导体激光器，它需要时不变的电流源作为电激励源我们冷原子 实验中使用的半导体激光器的稳流源电路，工作在直流连续状态，工作电流在数十毫安到 数安培 半导体激光器是指以半导体材料作为工作物质的激光器它的驱动方式是p n 结注入 式常见十分成熟的半导体激光器是g a a s 注入式激光器从半导体激光器工作机理上看， 它的量子跃迁发生在能带之间而不是分立的能级之间，故单色性较差；又由于谐振腔反射 镜较小，故而光束发散角也较大 其伏安特性，与普通二极管类似正向偏置时，工作区是近似线性区，动态电阻约零点几 欧使得半导体激光器产生激光所需的最小电流叫阈值电路虽然半导体激光器输出光功 率与泵浦电流并非呈线性关系但是其中一段也近似于线性，即输出光功率与泵浦电流成 正比。故而可以用信号电流直接调制光输出 我们实验所用的连续式( c 半导体( 区别于脉冲式) 激光器，通常在阈值附近加直流 浙江大学坝j 卜学位论文 2 、| ，导体激光器的恒流源 偏置，再加调制电流使之工作由于半导体激光器的显著不足在于输出光功率对驱动电流 和温度变化敏感，为了实现连续激光器的稳定工作的良好特性，需要加入专门的负反馈与 偏振技术 进一步说，对于连续半导体激光器的电源，可以采用光反馈和电反馈两种方式如果电 源兼有这两种反馈，称为多功能电源，如图2 4 所示可以通过反馈回路中的电信号进行优 化处理，并将反馈信号同时加载到激光电流和反馈光栅的压电陶瓷上，使半导体激光器的 频率锁定灵敏度和长期稳定性都得到很大提高1 3 1 2 2 恒流源原理概述 2 2 i 恒流源的概念 图2 4 多功能电源框图 我们把能够向负载提供恒定电流的电源成为匣流源”所谓恒流只是一种习惯的说 法，并不是电流值绝对不变只是这种变化相当小，在一个规定的工作范围内保持足够的稳 定性 恒流和稳压的关系十分密切，许多特性相互对应，并且两者可以相互转化用恒定电流 通过精密电阻可以获得稳定的基准电压，尤其是其他情况难以获得的低电压基准用恒流 源和稳压管组成的简单稳压器，其稳压性能可以得到极大的改善串联负反馈稳压电源的 许多环节中均可以使用恒流源，它对提高稳压电源的稳定性、减小温漂、缩短预稳时间和 简化电路结构等方面都有显著作用 恒流源原则上指这样一种稳定电源：它输出的电流与其外部影响无关实际上，由电子 电路实现的恒流源，仅当外部条件在一定范围内变化时，才能保持输出电流基本不变 一个理想的直流恒流源将产生一个与其两端电压无关的恒定电流理想直流恒流源 的符号如图2 5 所示图2 6 为其伏安特性，即一条平行于电压轴的直线，并且截电流轴于 8 浙江大学硕：卜学位论义 2j r 导体激光器的恒流源 于不论恒流源两端电压数值有多高，其电流值始终确定为，因为理想恒流源的等效内 图2 5 理想恒流源的符号 图2 6 理想恒流源的伏安特性 阻为无穷大；或者说，可以输出无穷大的电压类似于理想电压源，理想恒流源并不存在，设 计者只能试图接近这种特性实际恒流源的等效内阻必然只能为有限值，输出电压也是有 限的；只能在一个规定的电压范围内以恒流源方式工作图2 7 是一个实际恒流源的电路 模型其中厶为理想恒流源的输出电流，= 鲁为其内部流动的电流，接上负载后的输入 电流为 l = 以一 ( 2 9 ) 9 浙i l 大学硕一l ：学位论义 2 、 导体激光器的吐流源 - l ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 图2 7 实际恒流源的电路模型 根据( 2 9 ) 式画出的实际恒流源的伏安特性如图2 8 所示它不再和电压轴平行，其倾斜程 度和恒流源的等效内阻有关由( 2 9 ) 式可得 c 参，m s = 0 - - 亿呐 图2 8 实际恒流源的伏安特性 可见，内阻越大，伏安特性曲线的斜率越小，曲线趋于水平 大多数实际恒流源都是用电子电路来实现的，并称为“电子恒流器”，如图2 9 所示 1 0 浙江大学硕十学位论义2 r 导体激光器的恒流源 图2 9 实际恒流源电路 由图2 9 可见，黄色线框内直流输入电压u 。和恒流器件( 或恒流电路) 构成实际的恒流源， 从输出端处输出恒定电流l 其中恒流器件可以是镇流管、半导体恒流管等恒流电路可 用恒流器件、电子管、晶体管、集成运放、集成稳压器和其他电子元件构成如果负载电 阻尺，可以固定，就可以将其直接跨接在稳压源输出端来获得恒流电流；然而实际负载， 如本文实验中使用的半导体激光器，其等效内阻在工作过程中一直变化因此，必须另行 设计 2 2 2 恒流源的各种表述 恒流源还可以表述为电流源或者稳流源大多数实际恒流源是用电子电路实现，并被 称为“电子恒流器”或“恒流器” 2 2 3 恒流源构成 根据电路理论，一个独立电源的端钮电压或端钮电流是不变的，与外部影响无关； 从属电源则只有当独立电源驱动网络时，才被激发，且其端钮电压或端钮电流取决于独立 电源在电路的其他元件中所建立的电压或电流恒流源的基本作用是消除或削弱电源电 压、负载电阻和环境温度变化对输出电流的影响 2 2 4 恒流源主要质量参数 浙江大学硕：卜学位论文 2 1 7 导体激光器的恤流源 表征恒流源性能的参数可以分为两部分一部分是特性参数：如输出电流或输出电流 调节范围、最大输出电压、负载变化范围等另一部分是质量参数，反映恒流源性能的优 劣，如稳流系数( 或电压调整率) 、输出电阻( 或负载调整率) 、温度系数、纹波电压( 或 纹波系数) 等，对高精度恒流源还有噪声、漂移等参数 考虑恒流源在实际使用中处于环境状态中，如图2 1 0 所示其中u ，是整流滤波电压 或预稳直流电压，相对于恒流源的输出通常是不稳定的，负载电阻r ，在设计范围内任意 变更此外，由于环境温度和自身工作状态的影响，温度弛不确定为定量上述各项扰动对 恒流源输出电流影响的程度，引入下述几个主要质量参数 趸 + 图2 1 0 恒流源的环境状态图 定义： 实际恒流源的输出电流通常是输入电压u 、负载电阻r 和温度t 的函数，表示为 1 0 = 厂( u ，置，t ) ( 2 11 ) 在恒流条件下，输出电压以可由负载电阻吼值决定，即有u o = i o n l ，因而输出电流对负 载电阻吼的依赖关系可以用输出电流对输出电压的关系来表示，则( 2 1 1 ) 式可以改写 成 l = 厂( u ，u ，t ) 。( 2 1 2 ) 当输入电压、输出电压和环境温度发生微小变化时，输出电流的变化量表示为 a l o = 参么u + 轰么虬+ o 扩i o 咒( 2 1 3 ) 1 2 浙江大学硕十学位论义 2j f 7 导体激光器的i i 一流源 其中：，r j _ 输出电流的变化量； a u , 岫入电压的变化量； 虬- 输出电压的变化量； r - 环境温度的变化量 而静，薏，盟a t 成为标匣赫陛能的主要质量缄分别说明如下： 稳流系数：相应a u , 前的系数称为稳流系数，定义为在负载和环境温度保持不变的条 件下，输出电流的变化量与输入电压的变化量之比，记作s ( 单位：s ) ： s 兰参= ( 参k 胛一o ( 2 1 4 ) 实用中常以电压调整率来表示电源电压变化对输出电流影响，定义为：负载和环境温度为 定值时，输出电流自身的相对变化量与输入电压的相对变化量之比值，记作s 。： 耻( 器l 凡犯柳 s 。是一个无量纲参数，其值越小，输入电压对输出电流的影响越少，恒流源性能越好 通常以输入电源电压波动1 0 时，输出电流的相对变化量来计算电压调整率 输出电阻：在输入电源电压和环境温度保持不变的条件下，输出电流的变化量和 输出电压的变化量之比的倒数。即为等效内阻，用r d 表示，其表达式是 r 。= 一 c 静以一o ，肌。c 参k o ，水。 的数值越大，说明内阻越大，负载变化引起输出电流的变化越小，恒流源的性能越好 注意这和稳压电源的情况恰恰相反 负载调整率：电源电压和环境温度不变时，输出电流自身的相对变化量与输出电压 ( 即负载电阻) 的相对变化量之比，记作西： 驴( 箍k = o ，船。= ( 箍k 一( 2 1 7 ) 浙江大学硕：l 学位论义2 半导体激光器的恒流源 电流温度系数：在输入电源电压和负载电阻保持不变的条件下，输出电流的变化量 和环境温度的变化量之比称为恒流源的电流温度系数，以口，表示： 口，= ( 等匕，：蚴n = o = ( 等l 州( 2 1 8 ) 电流温度系数的单位是a v 有时用相对电流温度系数，即平均每升高一度，输出电流相 对变化的百分数来定义，即 听= 刍等，o o c 2 听5 石彳1 u 蝴( 乙w ) 口，越小，输出电流随温度变化越小，恒流源温度稳定性越高1 根据上述定义，( 2 1 3 ) 式n 以改写成【5 l 以= s 4 一去4 虬坳( 2 2 。) 2 2 5 场效应器件恒流源原理 本文使用的恒流源电路，属于 表面】场效应器件恒流源，并适当加以辅助分立器件， 构成集成恒流源其核心器件为一种p 沟道增强型表面场效应管 金属氧化物半导体场效应管( m o s f e t ) 利用半导体表面的电场效应进行工作，也称 为表面场效应管由于栅极处于绝缘状态，故输入电阻较结型场效应管( j f e t ) ( 1 0 6 1 0 9 q ) 大为提高，最高达1 0 h q m o s f e t 简称m o s 管，分为n 沟道和p 沟道两类，其中每一 类又可分为增强型和耗尽型两种耗尽型即当v g s = 0 时，存在导电沟道，i d o ；增强型就 是= 0 时，没有导电沟道，i d = 0 1 4 图2 1 1p 沟道增强型m o s f e t 的电路符号 j 一1 浙江大学硕十学位论文2 半导体激光器的恒流源 p 沟道增强型m o s f e t , 电路符号如图2 1 l 所示p 沟道增强型m o s 管沟道产生条件为 ( 吁 乏 6 0 o 4 0 0 2 0 ：4 6 ：5 4 02 1 ：0 3 ：3 4 0 2 1 ：2 0 ：1 4 0 2 1 ：3 6 ：5 4 o t i m e ( h h ：m m ：s s ) 附图1 2 测试结果2 表2 2 附图1 2 测试结果2 印制电路板测试数据统计表 n o u n i tn t o t a jm e a ns t a n d a r dd e v i a t i o nm i n i m u mm e d i a nm a x i m u m 2a a c4 2 8 01 0 9 7 6 7 e 0 63 5 7 4 2 6 e 一0 71 0 8 4 9 0 e 0 71 0 6 9 2 7 e 0 62 1 4 8 9 8 e 0 6 浙江大学坝十学位论义 27 ，| 导体激光器的恒流源 4 2 6 0 4 2 5 5 4 2 5 0 乏 g4 2 4 5 4 2 4 0 4 2 3 5 1 40 9 ：1 301 4 ：1 7 。3 3 01 4 。2 55 301 43 4 ：1 3 01 4 ：4 2 ：3 4 0 1 4 ：5 0 ：5 4 01 4 ：5 9 1 40 一 t i m e ( h h ：m m ：s s ) 附图1 6 测试结果5 表2 3 附图1 6 测试结果5 印制电路板测试数据统计表 n ou n i tn t o t a lm e a ns t a n d a r dd e v i a t i o nm i n i m u mm e d i a nm a x i m u m 5a d c3 8 1 68 5 2l0 0 e 一0 23 4 5 0 0 0 e 0 38 4 6 9 0 0 e 0 28 5 0 8 0 0 e 一0 21 9 0 3 3 0 e 一0 i 一 2 0 0 8 1 2 0 4 第二次p c b 割板成功，测试 浙江大学帧_ ：位论文2 半导体激光器的f 流源 1 5 ：4 95 3 01 5 ：5 2 ：2 9 01 5 ：5 50 601 5 ：5 7 ：4 201 60 01 801 6 + 0 25 4 0 t i m e ( h h ：m m ：s s ) 附图1 1 1 测试结果1 0 表2 4 附图1 1 1 测试结果1 0 印制电路板测试数据统计表 n 0u n i tnt o t a lm e a ns t a n d a r dd e v i a t i o nm i n i m u mm e d i a nm a x i m u m 1 0a a c3 4 61 6 7 7 5 4 e 0 75 8 4 5 2 0 e 0 70o2 9 514 0 e 一0 6 2 4 1 ，5 7 9 4 1 5 7 9 2 1 5 7 9 0 言1 ，5 7 8 8 o 1 5 7 8 6 1 5 7 8 4 1 5 7 8 2 0 0 ：1 6 ：4 9 00 3 ：0 3 ：2 9 00 5 ：5 0 ：0 9 0 0 8 ：3 6 ：4 9 0 t i m e ( h h ：m m ：s s ) 附图1 1 3 测试结果1 2 0 o o 0 o 0 o o o o 侣 似 坦 伯 8 6 4 到 翻 n o 浙江大学坝， 学位论文2 中导体激光器的恒流源 表2 5 附图1 1 3 测试结果1 2 印制电路板测试数据统计表 n ou n i tnt o t a lm e a n s t a n d a r dd e v i a t i o nm i n i m u mm e d i a nm a x i m u m 1 2a d c2 1 3 3 93 15 8 0 0 e 0 2 4 0 7 7 2 0 e 0 63 15 7 0 0 e 0 23 15 8 0 0 e 一0 23 15 9 0 0 e 0 2 2 4 2 数据分析 根据这些不同测量条件下数据的分析，可以得出以下4 个基本的结论 ( 1 ) 印制板电路质量在加入铺地后，恒流源的输出稳定度提高 表2 6 印制电路板直流电流测试数据统计量对比表 n o u n i tnt o t a lm e a nm i n i m u mm e d i a n m a x i m u m m a x m i n 6a d c7 2 2 09 3 2 5 0 0 e 0 29 2 2 9 0 0 e 一0 29 3 2 4 0 0 e 一0 29 4 0 8 0 0 e 一0 21 7 9 0 0 e 一0 3 1 2 a d c2 1 3 3 93 15 8 0 0 e 一0 23 1 5 7 0 0 e 一0 23 15 8 0 0 e 0 23 i5 9 0 0 e 一0 22 0 0 e 0 5 三次测量，从实验板到两次印制电路板，恒流源电路的恒流效果得到明显提高其原因 可以9 3 结为，印制板自身较之实验板的稳定性，杂散电容较少；且第二次印制板制板加入大 面积铺地，稳定了电位分布 ( 2 ) 不同电压源的电源