（检测技术与自动化装置专业论文）半导体激光器串联群驱动电源的研制.pdf

囊 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕二学位论文 tr i l liifi lrli l l liprli r l l fi iri l l y 19 0 9 2 6 6 摘要 半导体激光器已经在很多领域得到越来越广泛的应用，而不同的应用环境可 能对半导体激光器的功率要求不尽相同。本设计采用多个小功率半导体激光器串 联输出得到较大的功率，通过调节半导体激光器的工作个数来实现功率的逐次式 变化，可以应用到不同的工作环境。本文主要针对半导体激光器串联群驱动装置 的研制，保证各个半导体激光器的稳定可靠工作。由于装置用多个同规格的半导 体激光器，我们认为其参数大致相同，即设计中仅对一个半导体激光器进行各种 控制便可实现串联群的稳定工作。 该装置采用f p g a 控制，主要接收a d 转换器产生的数据；接收的数据通过 与设定的参数比较，把处理结果送至d a 转换器；控制l e d 显示器和键盘等接口 电路，实现了系统的可控化。在硬件电路设计中采用模块设计方法，主要有恒流 源电路、m o s 管驱动电路、功率采样电路、v i 转换电路，以及f p g a 与a d 转 换器、d a 转换器、l e d 显示器的接口电路。并且针对半导体激光器的“娇嫩性”， 我们还特别在设计中增加了慢启动电路，保护电路和温控单元，保证驱动装置能 稳定、准确、可靠、安全的驱动半导体激光器串联群的工作。本论文的主要内容 如下： ( 1 ) 分析了半导体激光器的发展历史以及主要应用，让我们对半导体激光器 有了大致了解，并针对本文研究方向对半导体激光器用驱动电源的国内外研究现 状做一简单介绍。 ( 2 ) 深入研究了半导体激光器的工作原理，系统阐述了半导体激光器的损坏 机理，包括内部和外部因素，得出使用半导体激光器时的注意事项。 ( 3 ) 根据半导体激光器对电源的要求，设计出一种半导体激光器串联群的驱 动装置，该装置采用多个小的半导体激光器串联，由m o s 管驱动电路来控制半导 体激光器的工作个数。 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 ( 4 ) 设计系统中硬件模块电路，包括恒流源电路，慢启动电路，m o s 管驱动 电路，功率采样电路，以及v i 转换电路，并对它们进行分析。设计出了温度控制 单元的驱动电路和保护电路，详细分析了系统的抗干扰措施。 ( 5 ) 详细研究了控制核心器件f p g a 及其特点，并对其与a d 、d a 、显示 器、键盘等的连接电路进行设计和分析，其中对使用器件做了简单介绍。 ( 6 ) 介绍了f p g a 的配置方式，用v h d l 语言描述了a d c 0 8 0 9 的状态转换、 d a c 0 8 3 2 的输出控制、显示器的静态显示。分析了温度的p i d 控制算法。 ( 7 ) 根据测试结果进行实验分析，得出结论。 关键词： 半导体激光器；串联群；驱动电源；f p g a i l 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 a b s t r a c t n o w a d a y st h es e m i c o n d u c t o r l a s e rh a sb e e nw i d e l y a p p l i e di nm a n ya r e a s h o w e v e r , d i f f e r e n ta p p l i c a t i o ne n v i r o n m e n t sn e e dd i f f e r e n tl a s e rp o w e r s h e r et h i s d e s i g nc a na p p l i e di nd i f f e r e n tw o r k i n ge n v i r o n m e n t s ，e m p l o y i n gs e r i e so u t p u to f m u l t i - l o wp o w e rs e m i c o n d u c t o rl a s e r st og e th i g h e rl a s e rp o w e r , a n da d j u s t i n gn u m b e r s o ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e rt or e a l i z es u c c e s s i v ec h a n g eo ft h el a s e rp o w e r t h i sp a p e r m a i n l ya i m e d a tm a n u f a c t u r i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e rs e r i e s - w o u n dg r o u p s d r i v i n g d e v i c et oe n s u r e s t a b l y r e l i a b l ew o r ko f t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r s i n c et h e m u l t i s e m i c o n d u c t o rl a s e r su s e di nt h ed e s i g na r et h es a m es p e c i f i c a t i o n ，w et h i n kt h e i r p a r a m e t e r sa r em o s t l yt h es a m e t h a ti s ，w ec a nr e a l i z et h es t a b l ew o r ko ft h es e r i e s g r o u pb yc o n t r o l l i n go n l yo n es e m i c o n d u c t o rl a s e r t h i sd e v i c em a i n l yr e c e i v e st h ed a t af r o mt h ea dc o n v e r t e rw i t hf p g ac o n t r o l l e r t h er e c e i v e dd a t a ，c o m p a r e dw i t ht h ei n i t i a l i z a t i o n ，t r a n s m i t st h ep r o c e s s i n gr e s u l t st o t h ed ac o n v e r t e r f p g ac a l lc o n t r o lt h ep o r tc i r c u i ts u c ha sl e d d i s p l a y s 、k e y b o a r d t o o ，m a k i n gt h es y s t e mc o n t r o l l a b l e h a r d w a r ec i r c u i td e s i g nm a i n l ye m p l o y sm o d u l a r d e s i g na p p r o a c h e s ，s u c ha sc o n s t a n tc u r r e n ts o u r c ec i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i to fm o s f e t ， p o w e rs a m p l i n gc i r c u i t ，v ic o n v e r s i o nc i r c u i ta n da n dt h ep o r tc i r c u i to ff p g aw i t h a dc o n v e r t e r 、d ac o n v e r t e r 、l e dd i s p l a y s n a y , w ee s p e c i a l l yi n c r e a s e dt h es l o w l y s t a r t u pc i r c u i t 、p r o t e c t i n g - c i r c u i t 、t h et e m p e r a t u r ec o n t r o lu n i ti nt h i sd e s i g na i m i n ga t t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r s “d e l i c a t e l y t h e s ed e s i g nc a ne r l s u r et h ed r i v i n gd e v i c et o d r i v et h es e m i c o n d u c t o rl a s e rs e r i e s - w o u n dg r o u ps t a b l y , w e l la n dt r u l y , r e l i a b l ya n d s a f e l y t h em a i nc o n t e n t so ft h e s i sa r ea sf o l l o w s ： ( 1 ) t h et h e s i sa n a l y z e st h ep r o g r e s s i n gh i s t o r yo ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e ra n di t s m a i na p p l i c a t i o n ，i tm a k e su su n d e r s t a n ds e m i c o n d u c t o rl a s e rh a p l y , a n d s i m p l y i n t r o d u c e sr e s e a r c hs t a t u so ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e rb yd r i v e rp o w e ra th o m ea n d a b r o a d ( 2 ) t h et h e s i sl u c u b r a t e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r i t i i l 河南大学榆测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 e x p o u n d st h ed a m a g em e c h a n i s mo ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e rs y s t e m a t i c a l l y ，i n c l u d i n g i n t e r n a lf a c t o ra n de x t e r n a lf a c t o r s ，t h ep o i n t sf o ra t t e n t i o no fu s i n gs e m i c o n d u c t o rl a s e r a leo b t a i n e d ( 3 ) a c c o r d i n gt ot h es e m i c o n d u c t o rl a s e rr e q u i r e m e n t sa b o u tp o w e r ，i td e s i g n s a d r i v i n gd e v i c ea b o u ts e r i e s - w o u n dg r o u po fs e m i c o n d u c t o rl a s e r t h ed e v i c ea d o p t e s s o m es m a l lp o w e rs e m i c o n d u c t o rl a s e r ，w h o s eq u a n t i t yi sc o n t r o l l e db yt h ed r i v i n g c i r c u i to fm o s f e t ( 4 ) t h eh a r dm o d u l ec i r c u i ti nt h ed e s i g ns y s t e m ，i n c l u d i n gc o n s t a n tc u r r e n t s o u r c ec i r c u i t ，s l o w l ys t a r t u pc i r c u i t ，d r i v i n gc i r c u i to fm o s f e t ，p o w e rs a m p l i n gc i r c u i t a n dv ic o n v e r s i o nc i r c u i t ，d o i n gs o m ea n a l y s i sw i t ht h e m 1 1 1 et h e s i sd e s i g n sd r i v i n g 河南大学检测技术与自动化装置孥业2 0 0 5 级硕士学位论文 目录 摘要i a b s t r a c t i i i 第一章绪论l 1 1 本论文研究的目的和现实意义1 1 2 半导体激光器的发展和应用2 1 2 1 半导体激光器的发展历史2 1 2 2 半导体激光器的主要应用4 1 3 国内对半导体激光器驱动电源的研究现状5 1 4 国外对半导体激光器驱动电源的研究现状5 1 5 本论文研究的主要内容6 参考文献8 第二章半导体激光器的工作原理及使用要求1 0 2 1 半导体激光器的工作原理1 0 2 2 半导体激光器的损坏机理11 2 2 1 内部因素11 2 2 2 外部因素1 3 2 3 半导体激光器的使用要求1 4 2 4 本章小结1 6 参考文献17 第三章系统方案的理论分析和硬件电路设计1 8 3 1 半导体激光器对驱动电源的要求18 3 2 系统硬件的理论分析和总体架构1 8 3 3 系统主体电路的分析和实现1 9 3 3 1 恒流源的分析和实现1 9 v 河南大学检测技术0 自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 3 3 2 慢启动电路的分析和实现2 3 3 3 3m o s 管驱动电路的分析和实现2 3 3 3 4 功率采样电路的分析和实现2 5 3 3 5v i 转换及与l d 连接电路的分析和实现一2 7 3 4 控制单元的分析和实现2 8 3 4 1f p g a 器件2 9 3 4 2f p g a 与外围电路的连接分析3 2 3 4 3f p g a 与a d 转化器的接口电路3 3 3 4 4f p g a 与d a 转化器的接口电路3 5 3 4 5f p g a 对l e d 显示器的控制电路3 7 3 4 6 键盘电路3 8 3 5 温控单元的分析和设计3 8 3 6 抗干扰措施及保护电路。4 0 3 6 1 抗干扰措施4 0 3 6 2 保护电路4 3 3 7 本章小结4 4 参考文献4 5 第四章系统软件的设计4 7 4 1f p g a 的工作状态和配置方式4 7 4 2v h d l 语言控制程序4 9 4 2 1v h d l 语言描述a d 转换器状态转换模块5 0 4 2 2v h d l 语言描述d a 输出控制模块5 1 4 2 3v h d l 语言描述l e d 静态显示模块5 2 4 3 温度控制的算法5 3 4 4 本章小结5 5 参考文献5 6 v t 河南大学检测技术与自动化装置业2 0 0 5 级硕上学位论文 第五章结果和分析5 7 5 1 慢启动电路性能测试5 7 5 2v i 转换电路性能测试5 8 5 3a d c 0 8 0 9 状态转换仿真波形图6 0 5 4 本章小结6 0 参考文献6 1 结束语6 2 攻读硕士学位期间主要科研成果。6 3 致谢6 4 v i i 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 第一章绪论 1 1 本论文研究的目的和现实意义 半导体激光器具有十分突出的优点，除了体积小、重量轻、转换效率高、省 电、能直接调制等优点外，半导体激光器的制造工艺与半导体电子器件和集成电 路的生产工艺兼容，因此便于与其它器件实现单片光电子集成，已经在科研、工 业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。可以毫不夸张的说，目前半导体 激光器在光电子技术领域中的位置、应用和发展趋势，正像电子技术领域中，当 年由电予管向晶体管和集成电路发展转化那样，已经起着其它激光器不可替代的 作用。它将是具有划时代意义的重要光源【1 】【2 1 。 随着半导体激光器应用的日益开拓，对其功率的要求也越来越大。单个半导 体激光器获得的连续输出功率是很有限的，一般在数瓦的量级。要使半导体激光 器产生i o w 以上的连续输出功率则采用锁相列阵结构。它是在同一衬底上单片集 成并列的多个激光发射单元( 每个单元相当于一个半导体激光器) ，形成一维或二 维阵列激光器。在各辐射单元之间的光场相互耦合，彼此的相位严格锁定。其结 果是，输出功率不同于各发射单元发射面积之和所对应的宽发射面的情况，也不 同于各发射单元输出功率的总和，而是更好的效果。但这种阵列价格昂贵，且目 前我国在这方面的制造技术比较落后等一系列不利的因素。因此我们希望用多个 小功率的半导体激光器串联并用一个驱动电源进行驱动来获得较大功率的输出， 而不是采用在生产制造时即能产生多路输出的激光器列阵。并且即使其中的一个 损坏也不至于影响到其他激光器的正常工作，它们的输出通过光纤耦合器进行耦 合，从而得到较大的功率输出，而且我们希望激光二极管的数量可以调节，即不 局限于单个的功率输出，可以用于多方面的工作。很大程度上提高了半导体激光 器的性价比，具有一定的现实意义和研究价值。 由于半导体激光器在很多领域得到愈来愈广泛的应用，有关驱动电源的问题 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 也更加受到人们的重视。从近年来的电源技术的发展来看，一方面是大量新型功 率器件的出现和电力电子技术的进步扩展了电源的功率范围，模块化电源应用更 是极大的简化了设计，提高了系统的可靠性和延展性；另一方面引入微处理器进 行控制，从电力电子学的重要国际会议上发表的论文看，许多新型的电源均采用 了微处理器进行控制，这代表了一个趋势。预计今后数字化控制将逐渐取代模拟 控制，将占据电源控制技术方面研究和开发的主导地位。 应用微处理器智能控制和管理，可以简化电路设计，提高系统可靠性和控制 精度，可以大幅度提高集成度，并且还为今后系统的更新升级留下余地。电源系 统数字化实时控制至少具有以下特点：( 1 ) 整个控制系统有望在单个芯片上实现 ( s y s t e mo nc h i p )( 2 ) 使电源控制具有柔性，通过改变设定的程序可以改变控制 参数或控制方案，符合集成电力电子部件模块化趋势；( 3 ) 可以采用效率更高的先 进控制方案而不增加硬件复杂性【3 】。 所以综合考虑，我们采用模块化电源和微处理器控制。我们采用由f p g a 控 制整个电路的工作，并由其对半导体激光器的工作情况进行监控，而电源模块则 采用模拟电路，把反馈信号交于f p g a ，可以保证各个半导体激光器安全、稳定、 持续工作。 1 2 半导体激光器的发展和应用 1 2 1 半导体激光器的发展历史 半导体激光器指以半导体材料为工作物质的一类激光器，亦称半导体激光二 极管，是6 0 年代发展起来的一种新型光源。按照半导体激光器的发展历史和发展 水平，可将其分为三个大的阶段：同质结半导体激光器阶段，一般异质结半导体 激光器阶段和量子阱半导体激光器阶段。 1 2 1 1 同质结半导体激光器阶段 1 9 5 8 年r a i g r a i n 提出了用半导体材料作为激光材料的建议。n g b a s o ve t 2 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 a l ，w s b o y l ee ta 1 也相继提出此建议。1 9 6 1 年m g a b e r n a r d 和g d u r a f f o u r g 给出 半导体中受激发射的必要条件，并建议采用i i i v 族化合物【2 1 作为半导体激光器材 料。 1 9 6 2 年9 月s c h e n e c t a d y 通用电气实验室的r n h a l l 等决定采用由两个镜面构 成的谐振腔，镜面是在g a a s 晶体上抛光的垂直于扩散p - n 结平面的端面，他们看 到了加正偏压的g a a sp - n 结的相干光发射【4 】。根据波长约为8 4 0 n m 的发射光谱变 窄和发射远场图的特点断定是受激发射。当时是采用由单一半导体材料组成的激 光器，称为同质结构激光器。继r n h a l l 等之后，n h o l o n y a k 和s f b e c a c q u a 实 现了时间暂短的注入受激发射【5 】。在证明了同质结构激光器中的p n 结受激光发射 之后，紧接着是一个活跃的时期，但同质结构激光器有一个致命弱点，即室温受 激发射的阈值电流密度特别高，通常 5 0 0 0 0 a c m 2 。只能在低温脉冲状态工作，因 而毫无实用价值。 1 2 1 2 异质结半导体激光器阶段 上述同质结激光器所遇到的矛盾可以采用不同材料做成的异质结构加以缓 解。异质结是由两种不同半导体材料构成的结。在异质结中，要求两种材料的晶 格常数相匹配，以使界面态很少，否则载流子将在界面处复合掉，不能引起注入、 放大和发光的作用【6 】【7 1 。 1 9 5 1 年，a 1 g u b a n o v 在他的几篇文章中首次提出异质结。1 9 6 7 年，贝尔实 验室的m b p a n i s h 和i h a y a s h i 在当年的半导体激光器会议上获悉a l ，g a l x a s 和 g a a s 的晶格匹配特别好，他们利用液相外延技术在g a a s 上生长a i 。g a l 。a s 外延 层，得到低阈值的激光器，室温阈值电流密度为8 6 x1 0 3 a c m 2 。1 9 6 9 年4 月他们 的结果问世，这种激光器被称为单异质结构( s h ) 激光器。与同质结激光器相比， 其室温下的阈值电流密度降低了一个数量级，但仍然很高的阈值电流密度使它只 能在低温下脉冲工作【羽。他们在研究单异质结激光器的最后阶段，也开展了对双异 质结构( d h ) 的研究，1 9 7 0 年初他们把3 0 0 k 的阈值电流密度降低至2 3 1 0 3 a c m 2 ， 随后又把3 0 0 k 的阈值电流密度降低至1 6 x 1 0 3 a c m 2 ，并在利用热沉的情况下实现 气 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 了热沉温度高达3 l1 k 的连续受激发射。双异质结构半导体激光器再次使室温下的 阈值电流密度大幅度降低，从而实现了半导体激光器在室温下的连续工作嘲。 1 2 1 3 量子阱半导体激光器阶段 1 9 7 0 年，美国i b m 公司的l e s a k i 和r t s u 首先提出，在化合物半导体的合 金组成有一维周期性变化的异质结构( 超晶格) 中，将出现量子效应。接着首次 在g a a s 办公厅上制成了超晶格结构。1 9 7 5 年，j p v a n d e rz i e l 等人首先利用 g a a i a s g a a s 类材料制成了量子阱激光器，当时，该激光器须在液氮温度下才能 较好的振荡。1 9 7 8 年r d i n g l e 等人首次提出调制掺杂以后，半导体超晶格和量子 河南大学枪测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 1 3 国内对半导体激光器驱动电源的研究现状1 1 2 l 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工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 4 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已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。 电路集成化方面，德国的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 列产品已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 n 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控制方面，通过检测光电管电流来控制激光器输出功率 的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 ， 【1 3 】。 户 t 通过采集分析输出激光对驱动电源进行反馈控制方面，在日本，y a m a g u c h i 等人提出一种通过测量相位偏移的方法来获得输出激光的特性，然后反馈给计算 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，使用这 s 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 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【l4 1 。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【1 5 1 。 半导体激光器的光热调制方面，利用光热调制半导体激光器的方法在美国和 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【1 6 1 。 半导体激光器的机械调制方面，日本的o h t s u b o 等人利用激光器外腔将部分输 出光反馈并进行处理，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，也取得了不错的效梨1 。7 1 。 1 5 本论文研究的主要内容 根据半导体激光器对电源的一些要求以及综合国内外在电源方面的研究技 术，我们设计出一种多个半导体激光器串联工作的电源的驱动装置。由于采用同 规格的半导体激光器，所以我们认为其参数大致相同，这样我们仅对一个半导体 激光管进行功率反馈，温度控制即可保证所有半导体激光管正常工作。f p g a 对整 个电源模块进行监控，每个半导体激光管的功率由显示器显示出来，可以方便地 对每个半导体激光管进行控制，如发现它不能正常工作，即功率与参数功率相差 很大，可直接关闭该半导体激光管。我们设计的驱动装置亦可对半导体激光器的 工作个数进行调节，即我们可得到逐次变化的功率值，可以用于不同的工作需求。 本论文的主要内容有以下几点： ( 1 ) 分析了半导体激光器的发展历史以及主要应用，让我们对半导体激光器 有了大致了解，并针对本文研究方向对半导体激光器用驱动电源的国内外研究现 状做一简单介绍。 6 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕卜学位论文 ( 2 ) 深入研究了半导体激光器的工作原理，系统阐述了半导体激光器的损坏 机理，包括内部和外部因素，得出使用半导体激光器时的注意事项。 ( 3 ) 根据半导体激光器对电源的要求，设计出一种半导体激光器串联群的驱 动装置，该装置采用多个小的半导体激光器串联，由m o s 管驱动电路来控制半导 体激光器的工作个数。 ( 4 ) 设计系统中硬件模块电路，包括恒流源电路，慢启动电路，m o s 管驱动 电路，功率采样电路，以及v i 转换电路，并对它们进行分析。设计出了温度控制 单元的驱动电路和保护电路，详细分析了系统的抗干扰措施。 ( 5 ) 详细研究了控制核心器件f p g a 及其特点，并对其与a d 、d a 、显示 器、键盘等的连接电路进行设计和分析，其中对使用器件做了简单介绍。 ( 6 ) 介绍了f p g a 的配置方式，用v h d l 语言描述了a d c 0 8 0 9 的状态转换、 d a c 0 8 3 2 的输出控制、显示器的静态显示。分析了温度的p i d 控制算法。 ( 7 ) 根据测试结果进行实验分析，得出结论。 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 参考文献 【1 】黄德修，刘雪峰编著半导体激光器及其应用【m 】，北京：国防工业出版社，1 9 9 9 【2 】李方正编著激光原理与技术基础【m 】，开封：河南大学出版社，1 9 9 6 【3 陈元娣，刘淳单片机控制脉冲激光器高频开关电源的研究【j 】湖北工学院学 报，2 0 0 1 ，1 6 ( 2 ) ：1 3 1 5 【4 r n h a l le ta 1 p h y r e v l e t t 19 6 2 ( 9 ) ：3 3 6 【5 】b l s h a r m a ，r k p u r o h i t s e m i c o n d u c t o rh e t e r o j u c t i o n s m o x f o r d ：p e r g a m o np r e s s l t d 1 9 7 4 【6 】h c 凯西，m b 帕尼什异质结构激光器【m 】，北京：国防工业出版社，1 9 8 3 【7 】王守武半导体器件研究与进展【m 】北京：科学出版社，19 91 【8 m b p a n i s h ，1 h a y a s h i ，s s u m s k i ，i e e e j q u a n t n m e l e c t r o n ，19 6 9 ( 5 ) ：210 【9 】范安辅，徐天华激光技术物理【m 】成都：i 四) 1 1 大学出版社，1 9 8 1 【1 0 】高鼎三，石家纬半导体超晶格的光电特性【j 】半导体光电，1 9 8 0 ( 4 ) ：l 【11 】王德，李学千半导体激光器的最新进展及其应用现状【j 】光学精密工程， 2 0 0 1 ，9 ( 3 ) ：2 8 0 - - 2 8 4 【1 2 】宋传磊半导体激光器驱动电源及其调控【j 】哈尔滨工业大学，硕士论文2 0 0 6 ： 2 - 6 【13 】t u l l i om a r i a n i ，c a r l of r e d i a n i ，c e s a r e a s c o l i s i m p l e ，l i n e a r , a n ds a f e l i g h t c o n t r o lf o rl a s e rd i o d e s j r e v s c i i n s t r u m 19 9 7 ，6 8 ( 6 ) ：2 5 9 4 2 5 9 5 【1 4 】j i y u a nl i u ，i c h i r o uy a m a g u c h i f r i n g el o c k i n gi nal a s e rd i o d ei n t e r f e r o m e t e r b y o p t i c a lf e e d b a c kd u r i n gm o d u l a t i o no fi n j e c t i o nc u r r e n t j o p t i c a lr e v i e w 19 9 9 ，6 ( 2 ) ： 1 0 0 - 1 0 3 【l5 】gh a n c o c k ，v k a s y u t i c h ，g r i t c h i e w a v e l e n g t hm o d u l a t i o ns p e c t r o s c o p yu s i n ga f r e q u e n c y d o u b l e dc u r r e n t m o d u l a t e dd i o d el a s e r j a p p l i e dp h y s i c s b ，2 0 0 2 ( 7 4 ) ： 5 6 9 5 7 5 【16 】x u e f e n gz h a o ，t a k a m a s as u z u k i ，o s a m is a s a k i p h o t o t h e r m a lp h a s em o d u l a t i n g l a s e rd i o d ei n t e r f e r o m e t e r j o p t i c a lr e v i e w ，2 0 0 2 ，9 ( 1 ) ：13 17 r 河南大学榆测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕上学位论文 【1 7 】s h u - y i n gy e ，j u n j io h t s u b o e x p e r i m e n t a li n v e s t i g a t i o no fs t a b i l i t ye n h a n c e m e n t i ns e m i c o n d u c t o rl a s e r w i t ho p t i c a lf e e d b a c k j o p t i c a lr e v i e w ，1 9 9 8 ，5 ( 5 ) ：2 8 0 2 8 4 9 河南大学检测技术与自动化装置争业2 0 0 5 级硕士学位论文 第二章半导体激光器的工作原理及使用要求 2 1 半导体激光器的工作原理1 1 3 l 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，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。与其他激光器一样，要使其产生相干辐射，也必须具备三个基 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 物质在泵浦源的作用下，处在粒子数反转分布状态，自发辐射产生的光子由于受 激辐射不断放大，产生的光子在谐振腔中经过反射镜多次反射，在谐振腔中沿非 轴线方向的光予很快逸出了腔外，而沿轴线方向的光子往复传输，不断被放大， 且方向性、增益不断改善，最后从反射镜输出即为激光。 隆输出 反射镜 工作物质部分反射镜 图2 1 激光器构成原理示意图 2 2 半导体激光器的损坏机理1 1 l 在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。然而，半导体激光器 也是很容易损坏的。即在不适当的工作条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失效。 由于半导体激光器制作工艺的限制，其成本比较高，尤其是大功率半导体激光器 价格是非常昂贵的，对其损坏机理及原因有必要作以分析。 半导体激光器的突然失效可由p n 结被击穿或用作谐振腔面的解理面遭受破 坏而造成，视其击穿或破坏程度而表现为输出功率减小或无输出。实际上半导体 激光器又被称为激光二极管( l d ) ，它的核心p n 结具有和普通电子学中的二极管 相似的二极管特性。一旦p n 结被击穿，则无法产生非平衡载流子和辐射复合。超 过破坏阈值的光功率可以使解理面局部或全部损伤，而导致激光输出功率的下降 或变成二极管，乃至失效。下面介绍几种常见的损坏模式。 2 2 1 内部因素s l 随着工作时间的增加，半导体激光器的工作性质将会恶劣，最明显的变化是 1 1 河南大学检测技术与自动化装置弩业2 0 0 5 级硕士学位论文 在保持电流不变的情况下，发射功率和效率都会下降，有时还会发生突然失效的 灾变性损坏。对半导体激光器来说，其本身的、内部的因素是造成其退化损坏的 根本原因。主要的内部因素有： 2 2 1 1 暗线缺陷 暗线缺陷是激光器工作时形成的位错网络，这些缺陷一旦侵入光腔有源区， 将会增加载流子非辐射复合速率，形成强烈的光吸收，使阈值电流不断增加，光 转换效率下降，发射功率下降。暗线缺陷的形成除了材料衬底、外延生长和工艺 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 5 级硕士学位论文 生长现象是常见的退化模式【8 】。另外，作为v 族复合半导体，对电极材料间热 膨胀和热匹配的要求是很高的，热应力导致的损伤比其他电子器件更常见。由于 电极远离器件的有源区，电极退化对器件特性的影响一般在老化或工作一定时间 后再表现出来。 2 2 2 外部因素 2 2 2 1 浪涌电流对半导体激光器的影响1 9 j 所谓浪涌，是一种突发性瞬态电压或电流脉冲它的脉冲宽度甚至可以短到纳 秒数量级，瞬时幅值可达到几万伏或几百安培。半导体激光器的核心是p n 结，如 果它承受的反向电压超出其允许值，将会发生击穿损坏 1 0 1 ；如果承受的正向电流 超出了它的允许最大电流值，重则立即烧毁，轻则性能受到影响，发光暗淡，无 法正常使用。那些被浪涌击穿损坏的半导体激光器如果用万用表检测其正、反向 电阻，表头反映的现象大多与普通二极管的正常情况相似，难以判断其好坏，但 它发出的激光功率却大幅下降，有时甚至逐级下降，直至完全不发光。这是因为 浪涌击伤的激光管的激活层中央部分受到了损伤。 在以下情况会产生浪涌： ( 1 ) 电源开、关瞬间；( 2 ) 同一电网中其他用电设备的起、停或工作；( 3 ) 雷电感 应；( 4 ) 半导体激光器或其他电子元件管脚接触不良( 如虚焊或插头连接松动) ，造成 电源时通、时断；( 5 ) 器件带电插拨；( 6 ) 电子元件参数突变；( 7 ) 示波器等检测设备 在使用时探头带电；( 8 ) 电烙铁、人体静电。 2 2 2 2 静电对半导体激光器的影响 在场强超过某一限值的静电场内也会发生p n 结静电损伤或击穿【l l 】。因此高 可靠半导体激光器需按照例行试验规范经过15 0 v 以上静电场的例行考核。人体也 是储藏静电荷的容器，相当于容量为2 0 0 p f 的电容器。依人和环境条件的差异， 人体上的静电电压可能达数千乃至上万伏。当用人体触及半导体激光器的电极时， 人体的静电可使半导体激光器的p n 结击穿。为此，从事半导体激光器的工作者应 穿戴防静电的工作服( 能在一定程度上释放人体静电的，具有一定导电性的工作 1 3 河南大学检测技术