（光学工程专业论文）半导体激光器功率稳定性的研究.pdf

哈尔滨理丁j ：学下学硕i ：学位论文 _ i ，。一 一 i ，。，i ，_ _ 鼍_ 半导体激光器功率稳定性的研究 摘要 半导体激光器以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调 制等特点，在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。但在 实际使用中存在的主要问题之一是激光器的输出功率不稳定。 半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件，对于电冲 击和工作温度变化的承受能力很差，由温度引起的微小电流将导致光功率输 出的极大变化和器件参数( 如激射波长，噪声性能，模式跳动) 的变化，这些 变化直接危及器件的安全使用，因而在实际应用中对激光器驱动器的性能和 安全保护有着很高的要求。为了减小环境温度变化和激光器的热效应对激光 器本身及其输出造成的影响，本文将半导体激光器和温度控制装置设计在一 起，使激光器能够在恒温下工作。 随着计算机技术的发展，基于微型计算机的数字化控制能够有效地解决 半导体激光器的准确、稳定和可靠性问题。因此，数字化、智能化是半导体 激光器的必然发展方向。在文中提出了基于单片机设计的控制系统。该系统 分三部分： 1 激光器驱动控制部分。由于半导体激光器是以电流注入的方式来驱 动的，通过控制电流可以达到控制功率的目的。采用光功率闭环反馈的方 式，将光强信号输入单片机，经过c p u 处理后，反馈给电流，通过改变流 实现功率的稳定。同时对激光器提供多种保护措施。 2 温度控制部分。该系统以半导体制冷器( t e c ) 为执行器件，以单片机 为核心，通过软件和硬件相结合的方式设计各部分的电路。在控制方面，通 过数字p i d 计算控制量，采用p w m 来驱动t e c 。 3 显示和按键控制部分。采用l c d 显示激光器的功率，通过按键控制 系统的开始和关闭。 关键词半导体激光器；单片机；驱动电源；温度控制 哈尔滨理下人学1 _ 学硕士学位论文 一_ 。 _ _ - 一。_ _ - - - t h er e s e a r c ho ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e rp o w e ro n t h es t a b i l i t y a b s t r a c t a st h es e m i c o n d u c t o rl a s e ri sh i 曲t r a n s f e r r i n ge f f i c i e n c y , s m a l ls i z e ，l i g h t w e i g h t ，t h eh i g hr e l i a b i l i t y , d i r e c tm o d u l a t i o na n ds oo n ，i ti sw i d e l yu s e di ni n t h ef i e l d so fs c i e n t i f i cr e s e a r c h ，i n d u s t r y , m i l i t a r y , m e d i c a ls e r v i c ea n dm a n y o t h e ra r e a s b u ta sf a ra p p l i c a t i o n ，o n eo ft h em a i np r o b l e mi st h a ti t so u t p u t p o w e ri sn o ts t a b l e s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ei sak i n do fd e v i c ew i t hh i g hp o w e rd e n s i t ya n d s k y h i g hq u a n t u me f f i c i e n c y e v e nw e a kd r i v ec u r r e n ta n dt e m p e r a t u r ec h a n g e w i l ll e a dt oi t sl a r g ec h a n g eo fo u t p u tl i g h tp o w e ra n dd e v i c ep a r a m e t e r s ，w h i c h d i r e c t l yd a m a g et h es a f eu s eo fl a s e rd i o d e a tt h es a m et i m e ，s e m i c o n d u c t o r l a s e rd i o d ei sv e r ys e n s i t i v et ot h et e m p e r a t u r e t h ef l u c t u a t i o no fs u r r o u n d i n g t e m p e r a t u r en o to n l yl e a d st ot h ef l u c t u a t i o no fs u p p l yc u r r e n t ，b u ta l s om a k e s t h r e s h o l dc u r r e n t ，q u a n t u me f f i c i e n c y , o u t p u tw a v e l e n g t ha n do u t p u t l i g h t i n t e n s i t yo ft h el a s e rd i o d ec h a n g eg r e a t l y i no r d e rt or e d u c et h ei n f l u e n c eo ft h e l a s e rd i o d e sh e a te f f e c t ，at h e r m a lc o n t r o ld e v i c ei sd e s i g n e dt om a k el a s e rd i o d e w o r ku n d e ras t a b l et e m p e r a t u r e i nr e c e n t y e a r s ，m a n y r e s e a r c h e r sh a v e b e e n s t u d y i n gi t w i t ht h e d e v e l o p m e n to fc o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h ed i g i t a lc o n t r o l ，w h i c hi sb a s e do n m i c r o c o m p u t e r , c a ns o l v ee f f e c t i v e l yt h ep r o b l e m so fs e m i c o n d u c t o rl a s e ro n a c c u r a c y , s t a b i l i t y , r e l i a b i l i t y t h e r e f o r ed i g i t a la n di n t e l l i g e n tc o n t r o ls y s t e m m u s tb et h ed i r e c t i o no fd e v e l o p m e n tf o rs e m i c o n d u c t o rl a s e r i nt h i sp a p e r , i t i n t r o d u c e sac o n t r o ls y s t e m i ti sb a s e do nm i c r o p r o c e s s o ra n dc o n s i s t so ft h r e e p a r t s ： 1 c o n t r o l l e dd r i v e rp a r to fl d s i n c et h el di sd r i v e nb yi n j e c t i n gc u r r e n t ， s ow ec a nc o n t r o lt h ep o w e rb yc o n t r o lc u r r e n t b yt h ew a yo fc l o s e d l o o p f e e d b a c ko p t i c a lp o w e r ，t h es i g n a lo fo p t i c a lp o w e ri si n p u tt ot h em c u a f t e r t h ec p u ，t h ef e e d b a c ks i g n a li su s e dt oc h a n g et h ec u r r e n ti no r d e rt os t a b i l i z e i i - 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 t h eo p t i c a lp o w e r a tt h es a m et i m e ，i tp r o v i d eaw i d er a n g eo fp r o t e c t i o n m e a s u r e sf o rl a s e r 2 p a r to ft e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 i nt h i sp a r t ，s e m i c o n d u c t o rc o o l e r ( t e c ) i s t h ei m p l e m e n t a t i o no fd e v i c e s ，t h em c ui st h ec o r e s o f t w a r ea n dh a r d w a r ea r e d e s i g n e do fac o m b i n a t i o no fv a r i o u sp a r t so ft h ec i r c u i t w eu s et h ed i g i t a lp i d t oc a l c u l a t et h ec o n t r o lm e a s u r e ，a n da d o p tt h ep w mt od r i v et h et e c 3 d i s p l a ya n dc o n t r o lo ft h ek e y s t h el c d i su s e dt od i s p l a yt h eo p t i c a l p o w e r , t h r o u g hb u t t o nc o n t r o lt h eb e g i n n i n go ft h ec l o s u r eo fs y s t e m k e y w o r d ss e m i c o n d u c t o rl a s e r ，m i c r o p r o c e s s o r , d r i v i n gp o w e r , t e m p e r a t u r e c o n t r 0 1 i i i 哈尔滨理工大学硕士学位论文原创性声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文半导体激光器功率稳定性的研 究，是本人在导师指导下，在哈尔滨理工大学攻读硕士学位期间独立进行研究 工作所取得的成果。据本人所知，论文中除已注明部分外不包含他人已发表或撰 写过的研究成果。对本文研究工作做出贡献的个人和集体，均已在文中以明确方 式注明。本声明的法律结果将完全由本人承担。 作者签名：讶娲叼q日期：伽f 年月日 哈尔滨理工大学硕士学位论文使用授权书 半导体激光器功率稳定性的研究系本人在哈尔滨理工大学攻读硕士学位 期间在导师指导下完成的硕士学位论文。本论文的研究成果归哈尔滨理工大学所 有，本论文的研究内容不得以其它单位的名义发表。本人完全了解哈尔滨理工大 学关于保存、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关部门提交论文和电子 版本，允许论文被查阅和借阅。本人授权哈尔滨理工大学可以采用影印、缩印或 其他复制手段保存论文，可以公布论文的全部或部分内容。 本学位论文属于 保密口，在年解密后适用授权书。 不保密图 ( 请在以上相应方框内打4 ) 作者签名球酮 导师签名： 、 ， 衫l 和 日期加睹年；月f 白 日期：择3 月“日 哈尔滨理t 大学丁学硕七学位论文 一一一。一一一一，- 1 1 课题背景 第1 章绪论 1 9 6 2 年，世界上第一个g a a s 半导体激光器问世。经过四十余年的发展， 半导体激光器已由早期的同质结、单异质结、双异质结发展到量子阱、应变量 子阱及分布式结构和垂直腔结构等，今天的自组装量子点和单级型量子级联结 构也正在蓬勃发展。半导体激光器的出现，不但为光通讯发展奠定了基础，而 且为整个激光技术的发展注入了活力，并在我们日常生产、生活中变成最广 泛、最重要的激光器件。 半导体激光器( s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ，简称l d ) 是利用半导体材料内产 生的受激辐射和谐振腔提供的光反馈制作的一类半导体器件。常用的半导体材 料有砷化钾( o a a s ) 、硫化锅( c d s ) ，磷化锢( i n p ) 、硫化锌( z n s ) 等。激励方式有电 注入、电子束激励和光泵浦三种形式，前一种激励方式的器件也称注入型半导 体激光器或激光二极管，是半导体激光器的主流：后两种激励方式的器件难于 实用化。 近十几年来，半导体激光器的发展更为迅速，已成为世界上发展最快的一 门激光技术。但在实际使用中，半导体激光器受到微小的电流和温度变化的影 响时，将导致半导体激光器输出功率的波动。光源的稳定性影响仪器的精度， 也影响着测量的精度。目前，提高激光器性能的途径主要有两个：一是应用新 的半导体技术来提高激光器器件本身的性能指标；二是提高激光器驱动电源的 特性。通过加强对半导体激光器中载流子和光子的限制，可以降低阈值电流， 同时改进材料生长工艺，从而可以改善半导体激光器自身的性能。由于半导体 激光器是通过注入电流工作的，驱动电流的稳定性对激光的输出有着直接的影 响，同时激光器又是一个温敏元件，温度的变化也会影响激光器的输出功率。 因此，消除电流和温度的影响也是改善半导体激光器性能的一个重要途径。 哈尔滨理- t 大学工学硕士学位论文 1 2 国内外半导体激光器功率稳定性的研究状况 1 2 1 国内对半导体激光器驱动电源的研究现状 我国对半导体激光器研究的起步较晚，对激光器驱动电源的研究在原理上 也是大多继承了国外成熟的理论。尽管如此，在国内科研人员的努力下，我们 还是取得了不少成果。从国内主要期刊的论文情况来看，主要研究方向是控制 激光器注入电流和控制激光器上作温度来实现对激光器输出功率的控制，并结 合两方面的研究成果，在电流和温度两方面对激光器进行综合控制，研制出一 系列多功能的半导体激光器驱动电源。 1 2 1 1 半导体激光器注入电流控制的研究现状由于半导体激光器的输出功率 与注入电流有着直接的关系，因此控制激光器的注入电流从而控制激光器的输 出功率，便成了研究半导体激光器输出功率控制技术中最基本也是最原始的方 法，大多数半导体激光器驱动电路是利用了这个原理来研制的。在这个研究领 域，国内又分为模拟技术实现和数字技术实现两类。 1 用模拟技术实现激光器电流调制的主要思路是，通过检测电流和软开关 来控制激光器注入电流的大小，当电流值大于预定值时，软开关关闭，注入电 流变小；当电流值小于预定值时，软开关打开，注入电流变大。如此反复，并 将电流控制在允许范围之内，从而实现电流的动态稳定。 2 数字技术调制激光器电流的主要思路是利用单片机或p c 机作为系统的 主机，通过采集电源输出电流并将数据传输给主机进行处理，实现程序化控 制，这样不但能够提高整机的自动化程度，还能为激光器驱动电源性能的提高 和扩展提供有利的条件。 1 2 1 2 半导体激光器工作温度控制的研究现状由于半导体激光器的输出功率 与工作温度有关，因此研究人员也研制了通过调制半导体激光器的工作温度来 对激光器输出功率进行调制的驱动电源。中国科学院上海光机所通过对半导体 结温的调制来实现激光器的光热调制，并能够较为精确的控制半导体激光器的 输出功率以及激光的频率。 1 2 1 3 半导体激光器综合调制技术的研究现状随着注入电流调制、输出功率 调制以及温度调制等各项技术的逐渐成熟和推广，许多研究人员己经将目标转 向半导体激光器综合控制的领域。 哈尔滨工业大学精密仪器专业的老师2 0 0 3 年提出一套半导体激光器综合 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 调制方法，采用一些通用器件研制高稳定度的半导体激光器驱动电路，包括电 流控制模块、温度控制模块以及单片机控制模块，实现了驱动电流、光功率以 及驱动电压的反馈控制( 如图1 1 ) 。该方法不但解决了驱动电源模式单一的问 题，而且具有稳定度高、抗干扰能力强等优点，在国内属于比较先进的半导体 激光器控制和电流调制技术。 图1 1 半导体激光器综合调制 f i g 1 1l a s e rd i o d ei n t e g r a t i v em o d u l a t i o n 吉林大学的光电子实验室也研制出了包含恒温控制、恒功率控制和恒电流 控制的半导体激光器电源系统，实现了输出功率的稳定性和波长的单一性。 1 2 2 国外对半导体激光器驱动电源的研究现状 国外对半导体激光器的电调谐和驱动电源的研究己经取得了不错的成果， 在德国、英国、日本等国家，半导体激光器驱动电源研制技术已经比较成熟， 技术水平明显高于国内的研究水平，尤其在日本，光学杂志( ( o p t i c a lr e v i e w ) ) 中刊登了大量高水平文章，代表了半导体激光器研制技术的发展方向。国外研 制半导体激光器驱动电源的现状列在表1 1 中u 1 。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 表1 1 国外对半导体激光器驱动电源的研究现状 t a b l e1 - 1t h es i t u a t i o no fl a s e rd i o d ed r i v e rd e v e l o p m e n ti nf o r e i g nc o u n t i e s 主要技术研究国主要研究内容 家 电路集成化 德国 i c h a u s 公司研制的半导体激光器控制片i c w k 系列产品己经在很多场合得到了广泛应用，一 个小小的芯片便集成了大量常用的半导体激光器功 率调制电路。该系列产品的主要成员有i c w k ，i c w k l ，i c w k 等，他们能够实现消除纹波，激光器 软启动，输出稳定电流并通过外界信号进行调制等 功能。 半导体激光器恒功率意大利通过检测光电管电流来控制激光器输出功率的 控制方法是激光器恒功率控制的一种传统方法，在很多 国家都有研究，如意大利，他们根据光电管电流的 变化来改变激光器注入电流，直到输出功率稳定在 设定值。 通过采集分析输出激日本， 在日本，y a m a g u c h 等人提出一种通过测量相位 光对驱动电源进行反英国偏移的方法来获得输出激光的特性，然后反馈给计 馈控制算机并进行处理，从而进一步改变激光器的注入电 流，实现激光器的调制( 如图1 2 ) ，使用这种激光器 调制方法的激光干涉仪具有较高的精度和稳定性。 他们还对该方法提出了改进方法，通过压电陶瓷来 接收计算机发出的调制信号，并对干涉仪的位置进 行自动调整，从而得到最佳的光学效果，进一步提 高精度。在英国，h a n c o c k 等人也提出了类似的方 法，利用c c d 和正弦相位调制来对半导体激光器的 输入电流进行调制，使调制后的激光信号具有更高 的精度。 半导体激光器的光热日本，利用光热调制，半导体激光器的方法在美国和 调制美国日本也早有研究，t a k a m a s a 等人通过其他激光器对 半导体激光器进行温度控制，利用干涉仪和c c d 采 集输出的激光。并采用正弦相位调制的方法对激光 器工作温度进行调整，从而实现了半导体激光器的 输出的高精度调制( 如图1 3 ) 。 半导体激光器的机械日本o h t s u b o 等人利用激光器外腔将部分输出光反馈 调制并进行处理，通过改变外腔的长度或者改变其松弛 震荡频率来对半导体激光器进行调制，也取得了不 错的效果。 4 哈尔滨理t 大学工学硕十学位论文 图1 - 2 通过采集波长的反馈控制法 f i g 1 - 2f e e db a c kc o n t r o lm o d u l a t i o nb yc o l l e c t i n gt h el e n g t ho fl a s e r 1 3 论文的主要内容 图1 - 3 激光器的温度调制 f i g 1 - 3t h e r m a lo fl a s e rd i o d e 本文首先介绍了半导体激光器的发展历程和国内外发展情况。第二章概括 介绍了半导体激光器的工作原理。第三章和第四章分别从对电流控制和温度控 制进行了阐述。第五章是论文的结论。 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 + _ _ _ - 一一一 一 _ 。_ _ - _ _ - _ - 。一- ，一 第2 章半导体激光器的工作原理介绍 2 1 半导体激光器的工作原理 半导体激光器是以半导体材料作为工作物质而产生受激发光的激光器，它 的工作原理是通过一定的激励方式，当高能态的粒子数多于低能态的粒子数， 并且工作电流达到阈值电流时，激光器输出相干的受激光束。 半导体激光器产生激光必须满足三个基本条件： 1 粒子数反转：高能级上的电子数目要超过低能级上的电子数目，半导体 激光器除了有p 区和n 区之外，中间还有一个不参杂的有源区，当p - n 结加 正偏压时，降低了p 区和n 区之间的势垒，电子和空穴分别从p 区和n 区 向有源区注入，形成粒子数反转( 如图2 1 ) 。 r i 呼 i 爱孥一h q qq! 图2 1 粒子数反转 f i g 2 1p a r t i c l er e v e r s e s 2 激励和阈值条件：当光的增益大于损耗时，就形成受激光的阈值条件， 结型激光器提供增益的手段是加正向电流。当正向电流较小时，注入的载流子 较少，增益未能克服腔内的损耗时也能发光，但这是自发辐射；当增益超过损 耗时，腔内建立起振荡模式，发射谱线变尖锐，发射亮度剧增，这时开始发射 激光，此时的注入电流密度称为阈值电流密度( 如图2 2 ) 。 3 谐振腔：在激光器垂自于p n 结平面的两端通过解理产生两个相互平 行的光滑表面，形成谐振腔，在有源区内电子由导带向价带跃迁时，产生一定 波长的光，这些光在两端面上来回反射通过结区，同时又引起新的电子跃迁， 裂擎a l 凇丫疵骅 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 使光强不断增强。 图2 - 2 半导体激光器结构示意图 f i g 2 - 2t h es t r u c t u r eo f t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r 2 2 半导体激光器输出特性 兜 向半导体激光器注入电流i ，其两端会产生正向电压u ，非平衡载流子复 合后将产生光功率p ，激光器的静态工作特性主要是端电压u 和注入电流的 特性曲线，输出光功率随注入电流变化的p i 特性曲线以及光谱特性。半导体 激光器的这一特性可以反映出其p n 结特性的优劣，通过大电流下的正向v - i 特性可估算出串联电阻。图2 - 4 是典型的半导体激光器v - i 特性曲线示意图。 u ( v ) 2 o 1 6 1 2 0 8 0 4 0 5 1 0 图- 3 半导体激光m v - i 特性曲缚 f i g 2 - 3v - ic h a r a c t e r i s t i cc u eo ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r 半导体激光器的p i 特性( 又称l i 特性) ，描述了激光器光功率p o 随注入电流 哈尔滨理t 大学，t 学硕士学位论文 皇量胃宣皇| 暑量量一i i 一 _-h-_-i。-_ 一一 _一一一一 i f 的变化规律，是使用半导体激光器的系统进行设计的重要依据。半导体激光 器只有在其p - n 结上加足够大的正向电压，流入激光器的注入电流足够大时， 才能产生激光，理想的输出p i 特性线如图2 - 4 所示。 p ( 删 o 。 图2 4 半导体激光器p - i 特性曲线 f i g 2 - 4p ic h a r a c t e r i s t i cc u r v eo ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r 从理论上讲，当半导体激光器工作在额定范围内时，输出光功率p 与注入 电流i 应该是严格线性的关系，其一阶微分曲线应该是一条近似水平的直线。 如果在一阶微分曲线上出现了明显的拐点，或者说该曲线不够平滑，那么就认 为该半导体激光器有缺陷。也就是说，当该半导体激光器工作在出现拐点的驱 动电流点时，其输出光功率与注入电流值不成线性比例关系。由于输入电流与 输出光功率呈线性关系，半导体激光器具有易于调制的要特性，即可以通过调 制输入电流，对半导体激光器的输出光强进行直接调制。半导体激光器的光功 率电流调制率，根据半导体激光器的种类的不同而有所差异。 半导体激光器的输出光功率，常用光功率计( o p t i c a lp o w e r m e t e r ) 来测量。 目前市场上较为常见的光功率计表示光功率的常用方法主要有两种形式，一种 是用m w 表示；另一种是用d b m ( 分贝毫瓦) 表示。 绝对功率电平( p d b m ) 的单位是d b m ，它是指相对于l m w 的功率电平值。 在这种情况下，以d b m 为单位的功率是一个绝对功率值，其定义公式见式 ( 2 - 1 ) ： p p d b m = 1 0 l o g i 了 ( 2 - 1 ) l ，玎 在此，特别需要记住一个重要的关系：0 d b m = l m w 。表2 1 列出了其余的 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 单位关系。 表2 - 1d b m m w 单位关系 t a b l e2 1t h er e l a t i o no fd b m w 2 3 半导体激光器的功率特性及温度特性 半导体激光器有这样的特性：半导体激光器的注入电流必须大于临界电流 密度，才能实现有源区载流子反转分布条件而发出激光。临界电流密度与结面 温度有关，并且间接影响效益。高温操作时，临界电流提高，效益降低，甚至 损坏组件。 当半导体激光器注入电流在临界电流密度以下时，发光机制主要是自发放 射，光谱分散较广，频宽大约在1 0 0 到5 0 0 埃( 1 埃= 1 0 1 纳米( r u n ) ，原子直径 的数量级就是几个埃) 之间。但当电流密度超过临界值时，就开始产生振荡， 最后只剩下少数几个模态，而频宽也减小到3 0 埃以下。而且，激光二极管的 消耗功率极小，以双异质结构激光为例，最大的额定电压通常低于2 伏特，输 入电流则在1 5 到1 0 0 毫安之间，消耗功率往往不到2 瓦特，而输出功率达数 十毫瓦以上。 图2 - 6 所示是一种典型的半导体激光器在不同温度下的激光输出功率p 与 正向工作电流歹的关系曲线图，从图中可以看出： 5 4 爹3 点2 l o4 06 08 0 ，( b a ) 图2 6 不同温度下尸与j r 的关系图 f i g 2 - 6t h er e l a t i o no f pa n dii nd i f f e r e n tt e m p e r a t u r e 哈尔滨理工大学工学硕士学位论文 1 在同一温度下，当，小于某一个值时，p 约为零，而当超过该值时，p 随，之增长呈直线上升关系，这个电流值称为半导体激光器的阈值电流。 2 阈值电流随温度升高而升高，整个激光器的特性曲线基本也随温度变化 而平移。 3 如果激光器在恒定的电流下工作，当环境温度发生变化时，激光器输出 功率的变化将是很大的。这一特性给半导体激光器在通用仪器设备上的应用造 成很大麻烦，因为通用产品中的激光器必须做到在一年四季的室内常温下能保 证激光功率高度稳定。 2 3 1 温度对半导体激光器电流密度厶、阈值电流厶的影响 影响半导体激光器阈值特性的主要因素可分为器件结构的影响、材料的影 响、温度的影响。其中前两种是与半导体激光器的制作工艺紧密相连的，在这 里不进行讨论。 温度的变化对半导体激光器的阈值特性产生明显的影响。温度升高，半导 体激光器的阈值电流密度或阈值电流升高，增大的幅度随不同激光器的材料体 系和器件结构而异。因为影响半导体激光器温度特性的因素很多，所以不可能 有一个统一的公式来概括所有影响半导体激光器阈值特性的因素。通过实验证 实，电流密度如与温度r 之间存在的关系如公式( 2 2 ) - 丁一丁 厶( r ) = d 曲( t , ) x e x p 睁) ( 2 - 2 ) o 式中砰一室温； 如仞一在某一温度r 下的阈值电流密度； 如倒一室温乃下的阈值电流密度； 乃广半导体激光器的特征温度； 经证实，对于阈值电流厶，公式( 2 2 ) 同样成立。特征温度是表征半导 体激光器温度稳定性的重要参数，它取决于激光器材料和器件结构。较高的 意味着当温度快速增加时，半导体激光器的阈值电流密度或阈值电流增加不 大。普通g a a l a s g a a s 半导体激光器( 9 2 0 n m ) 的乃为1 2 0 k 左右。而波长较长 的i n g a a s p i n p 半导体激光器的乃一般只能达到6 5 k 左右 2 3 2 温度对输出光功率的影响 半导体激光器的输出光功率会随温度发生很大的变化，其原因主要是由于 哈尔滨理t 大学t 学硕七学位论文 半导体激光器的外微分量子效率和阈值电流随温度发生变化。外微分量子效率 是用于表示激光器件把注入的电子空穴对( 注入电荷) 转换成从器件发射的光子 ( 输出光) 效率的参量，一般其值会随着温度的升高而下降。但外微分量子效率 随温度的变化不是很敏感，以g a a s 激光器为例，在绝对温度为7 7 k 时彻约 为5 0 ，而当绝对温度上升到3 0 0 k 时彻约为3 0 。 对于线性良好的激光器，输出光功率可以表示见公式( 2 3 ) ： t ，王- 1 7 = 丝) - 卫( 如一厶) ( 2 3 ) 式中； 凡一半导体激光器输出光功率t 寿尹外微分量予效率；+ 一一 卜酱朗克常数l ： 一光频率； 孽广单个电子电量： 入电流； 妇一阈值电流。 半导体邀光器的工作温度变化时，即使向激光器注厶恒定的电流。由于阚 值电流随着温度变化而变化，所以激光器的输出光功率发生很大的变化。尤其 是i n g a a s p i n p 长波长半导体激光器，其阈值电流对温度的变化非常敏感，也 就是说在固定驱动电流的情况下，二极管发光功率随着温度的升高而降低。这 和实验结果是吻合的。所以要补偿功率变化，就应该随温度改变驱动电流i f 。 图( 2 7 a ) 给出了乃值较低的波长为1 3 1 0 n m 的g a l n a s p i n p 半导体激光器在 2 5 7 0 范围内的p i 特性曲线。可以看出，室温下激光器阈值电流约8 m a ， 注入电流等于4 0 m a 时，输出光功率p d 可达1 0 m w ；随着温度的升高，激光器阈 值电流随之升高，温度为7 5 时，激光器阈值电流如约为2 0 m a ，注入电流后同 为4 0 m a 时，输出光功率只能到达4 m w 左右。可以看出工作温度升高，会导致 p i 特性发生劣化。图( 2 7 b ) 给出了波长为9 8 0 n m 的o a i n a s o a a s 半导体激光器的 在2 5 9 0 范围内的p i 特性曲线，可以看出如随温度的升高而增大，但其增 幅小于前述的半导体激光器。 哈尔滨理t 大学t 学硕。l ：学位论文 一_。一o一。 o20d l o 8 6 2 o l咄1吐 图2 7 半导体激光器的p i 特性随温度变化情况 f i g 2 - 7t h ep lc h a r a c t e r i s t i c so fl dc h a n g e dw i t ht e m p e r a t u r e 2 3 3 温度对半导体激光器输出光波长的影响 半导体激光器输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工作温度决定。器 件的温度上升，会使激光器材料的折射率和带隙发生变化，导致光谐振腔尺寸 增大，带隙变窄，使得激光器输出光的峰值波长发生红移( 如图2 8 ) 。一般，波 长为1 2 0 0 n m 和1 3 0 0 n m 的g a l n n a s 激光器波长温度变化率在0 4 n m c 左 右，波长为1 3 0 0 n m 的i n g a a s p 激光器波长一温度变化率在o 4 - 卸7 n m c 范围 内。 富 i 鲻 骝 掌 器件溢废( 叼) 图2 8 温度对l d 发射波长的影响 f i g 2 - 8t e m p e r a t u r eo nt h ee m i s s i o nw a v e l e n g t ho fl d 对于一个指定的半导体激光器其波长一温度关系基本呈线性，因此可以通 过精确地控制半导体激光器的工作温度，把激光器的发射波长调节到特定波长 值之上，以满足不同的应用要求。 一加8 6。 哈尔滨理下火学工学硕上学位论文 综上所述，半导体激光器作为高效率的电子光子转换器件，却不可避免 地存在各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，使其外微分量子效 率比较低，这意味着相当部分的注入电功率将转化为热量，引起激光器温度升 高。通过温度特性分析可知，升温会导致半导体激光器的输出功率随之下降、 阈值电流增大、发射波长向长波长方向漂移( 即红移现象) 、甚至可能引起跳 模。此外，长期在高温下工作还能导致器件寿命的缩短，试验表明温度每增加 2 5 ，其器件寿命减少一半。因此，为了保证器件使用寿命及输出性能稳定 性，应将激光器的工作温度稳定在室温附近。这就要求为带有温度控制功能的 半导体激光器驱动器，设计温度控制模块。 2 3 4 半导体激光器结构 常见的半导体激光器一般由两部分组成：激光二极管( l d ) 和光电管 ( p d ) ( 如图1 9 ) 激光二极管的作用是根据注入电流而产生激光，光电管的作用 电源 图1 - 9 半导体激光器结构 f i g 1 9s t r u c t u r eo fl a s e rd i o d e 是检测激光器发出激光的功率，产生检测电流，为激光器驱动电路的设计和功 率控制提供一个可利用条件。 根据光电效应公式，光电流大小与照射光的强度成正比，因此，光电管的 电流就可以反映激光器输出激光的强度，当输出电流增加时，说明输出激光功 率在变大；当输出电流减小时，说明输出激光的功率变小；当输出电流恒定不 变时，说明输出功率不变。在绝大多数半导体激光器驱动电路中，都是通过采 集和检测光电管的输出电流，来判断激光器输出功率的变化，从而进一步调整 哈尔滨理工大学工学硕 ：学位论文 激光器的注入电流大小，来实现激光器输出功率的稳恒控制和调节。这是研制 恒功率输出的半导体激光器驱动电源的基本原理。 2 4 本章小结 本章在分析了半导体激光器的工作原理、p v i 特性、温度特性、分类和封 装肜弋丛础上，得出半导体激光器具有易于调制的基本特性，正是根据半导体 激光器的这一特性，实现用单片机去控制半导体激光器，实现其功率的稳定、 准确输出，为本设计的研究提供了理论依据。 哈尔滨理丁大学工学硕士学位论文 第3 章系统的硬件组成结构 3 1 系统电源部分 在前面的分析中我们提到过，电流的变化会改变半导体材料的折射率，从 激光器输出功率与注入电流的关系曲线中我们也可以看到，当注入电流发生变 化时，激光器的输出功率线性变化。因此，半导体激光器对电源的第一个要求 是注入稳定的电流或者提供稳定的电压。 要使得注入电流稳定，就要在电源电路的设计中尽量降低纹波系数，滤除 电路中的交流分量，消除电源电路中存在的噪声和纹波干扰。如果电源中出现 浪涌，不但会对激光器的输出造成影响，还会损坏半导体激光器，因此消除浪 涌也是激光器驱动电源设计中一个重要环节，。系统采用新型单片开关电源 ( + 1 2 v ，2 a ) 。 单片开关电源集成电路具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性 能指标、能够成高效率无工频变压器的隔离式开关电源等特点。目前，单片开 关电源已形成了几十个系列、数百种型号。 图3 1 是一种简单的串联型开关稳压电源的方框图。快关管v l 串接在输 入电压u i 和输出电压u o 之间，当脉冲调宽电路输出的开关脉冲信号加到开关 管v l 基极上时，开关管v l 被周期性的处于开关状态，即交替处于饱和和截止 状态。若不考虑开关管v l 的开关损耗，即v 1 为理想开关，则v l 导通饱和 时，其集电极一发射极之间的电压降为零，输入电压u i 经v l 到输出端，即 u o = u i 。反之，开关管v i 截止时，u 0 = o 。这样一来，开关管v i 周期性的开 关，使得输出电压为一脉冲电压，经滤波电路成为平滑的直流电压。因为输出 电压u o = u i ( t o 。t 。) ( 其中t o n 为开关管v l 导通时间，即脉冲宽度。t 。开关管v l 工 作周期，即脉冲周期) ，所以，串联开关稳压电路可以通过改变开关脉冲的占 空比来控制输出电压。若开关脉冲频率固定不变，脉冲周期t s 不变，只要改 变脉冲宽度t o n 便可控制输出电压u o 。这是脉宽调制器。反之，若开关脉冲的 宽度t o n 不变，只要改变脉冲周期t s 也能达到控制输出电压u o 的目的。这是脉 频调制器。 哈尔滨理t 大学t 学硕上学位论文 3 2 系统结构 图3 1 串联型开关稳压电源的方框图 f i g 3 1d i a g r a mo fs e r i e ss w i t c h i n gp o w e rs u p p l y 系统由单片机控制实现。单片机选用m s p 4 3 0 系列的f 1 6 9 ，其内部集成 1 2 位加和1 2 位的d a 转换器。加有6 路外部通道，d a 有两路通道口1 。 在激光器内集成了一个光电二极管，激光器的输出信号采用光电二极管检测， 其信号经放大后，输入到单片机的加模块，经c p u 处理后，通过d a 端口 输出控制恒流源。温度采用体积很小的热敏电阻采样，通过比例放大电路将信 号放大后，输入到单片机的a d 模块，通过p i d 计算控制量。温度由半导体 制冷器( t e c ) 控制，并采用p w m 驱动器来控制t e c 。系统原理如图3 2 。 3 3 恒流源及保护电路 为保证半导体激光器输出功率的稳定，首先驱动电源应为一种高稳定、高 可靠的恒流源；另外，由于半导体激光器长期运用之后，外微分量子效应将发 生变化，从而影响输出特性：以及每个激光管的特性曲线不完全一致，相同的 工作电流驱动下的输出功率并不相同。为此，本系统设计了光功率闭环反馈控 制电路。考虑到实际工作中静电、高压、浪涌电流以及电网冲击等会对半导体 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 激光器造成永久性损坏或缩短使用寿命，系统设计了功能齐全的保护电路【4 1 。 其电路如图3 3 。 3 3 1 恒流源工作原理 图3 2 系统原理框图 f i g 3 - 2s y s t e mp r i n c i p l eb l o c kd i a g r a m 场效应管受温度影响小，所以采用场效应管驱动半导体激光器。其电路主 要由m o s f e t 管q 1 、运放a 1 a 、电流取样电阻r 9 7 组成。r 9 7 采用标准精度 为0 2 5 的5 0 q 的电阻。r 9 7 与l d 串联，电阻两端电压的变化就反应了负 载电流的大小和变化。由a 1 a 组成的加法电路，控制激光器的功率。p 6 6 是 单片机的一路d a 输出端，输出固定电压；p 6 7 为单片机的另一路d a ，用于 光功率反馈控制。 哈尔滨理工大学t 学硕士学位论文 i p 3 o | 一 l 、 ： i r 岁 眦牛c 1 5 1 ；i 陟卅 a ( ha r i i 一 3 3 2 保护电路 图3 3 恒流源及保护电路 f i g 3 3s t a b l ec u r r e n ts o u r s ea n dp r o t e c tc i r c u i t 保护电路由d 1 2 、c 1 5 、k 2 、q 5 等组成。d 1 2 为普通二极管，可以防止 反向浪涌；c 1 5 为一滤波电容，可以消除浪涌冲击；继电器k 2 是常闭继电 器，在激光器不工作时，防止积累的静电击穿激光管1 3 j 。 由于浪涌在开机时大量出现( 如图3 4 ) ，通过控制q 1 和l q 的开关顺序和 时间，就可以避免浪涌对激光器的冲击。系统开始时，k 2 关闭，大约0 5 s 过 后打开k 2 ，激光器开始工作，系统进入慢启动过程；在关闭激光器时，过程相 反。而且，通过程序设计，系统采取慢启动和慢关闭措施，使电源开关和引起 激光器工作的电流为缓慢过程，也可有效避免浪涌电压晦1 。 图3 - 4 开机时的浪涌电流 f i g 3 - 4b o o t - s t r a ps u r g ec u r r