（检测技术与自动化装置专业论文）激光二极管群并联驱动电源的研制.pdf

州南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 缎硕士学位论文 摘要 随着半导体激光器在很多领域得到愈来愈广泛的应用，其驱动电源也恁加受 囊入嬲鲍重钱。利翅计算毒琏技寒对激光电源进萼亍控到，能蠢效遮摅藏电源戆蛙戆 价格比，简化激光电源的硬件结构，增强羧机的自动化程度，为熬机功能的扩展 提供有嚣豹条传，鏊予镞羹计算橇豹数字纯控裁能够受有效遗解决睾导体激光器 工作的准确、稳定和可靠性问题。数字化、智能化也是半导体激光器应用的必然 发鼹方向。 我们注意到在用微型计算枫对半导体激光器驱动电源j 皴行控制时，由于计算 机中大部分是共用的，如果添加少艇的硬件电路，丰富补充软件程序，用一个驱 动电源同时驱动若予令激光二投管靼激光二极管群，裁能够进一步提赢电源的性 价比。并且，随着半导体激光器应用的日擞开拓，对半导体激光器的功率鼹求也 越来越太。援是夔麓囊晶纯半导体激毙器输壅臻率熬愈寒愈大，其徐穆毫戏豢数 上升。因此，我们掇出了种方案：用一个驱动电源同时驱动若干个激光= 极管， 并傻其各自能够独立工作，再透过滗纾台宋器将这若干泰激光藕合输出，献两褥 到较大的功率和性价比，特别是对大功率激光二极镑更能照薯地提高性价比。 本文论述了激光二极管群的概念及其驱动电源的研制，主要内容如下： ( 1 ) 论述了磷铡激光二极管麟并联驱动电滚的意义和激光二极管驱动电源 的发展历程与现况。 ( 2 ) 深入分毒嚣半导髂激光器熬原理及箕使用鬓求，损坯援理，提毒了蕈个l d 的等效电路及其对驱动电源的基本蒙求。 ( 3 ) 强出了系统整体龟路结稳，对黎分电路逡行了方案论证与理论分帮亍：飘 半导体激光器损坏机理角度考虑，设计并实现了保护电路和抗干掳电路。 ( 4 ) 编写了较件，对软件编稔中的抗干扰闯题加以了蓬视。 ( 5 ) 进行了计舞机仿真，实验测试与软l 牛调试，强调了在测试过程中霈要注 簿南大学检涮接本与垂动往装鼙专韭2 0 0 2 缓鞭圣学垃论文 意的事项。 暮键谲：激巍二稷管群：繇凌电源；鼙片丰尼 河南大学检测技术与翻动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 a 辩s t & 笺c 譬 w i t ht h em o r ea n dm o r e w i d e l y u s e so ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r si nm a n y f i e l d s ，i t s d r i v e ra l s oh a v eb e e n p a i dm o r ea t t e n t i o n sb ym o l ep e o p l e t h eu s i n go fc o m p u t e rt o c o n t r o lt h el a s e r s o u t p u tp o w e rc a nr a i s e t h ep e r f o r m a n c e - c o s t ( c o s tp e r f o r m a n c e 、 r a t i o no ft h ep o w e re f f e c t i v e l y , s i m p t i f yt h eh a r d w a r es t r u c t u r eo ft h el a s e rp o w e r , s t r e n g t h e nt h ea u t o m a t i cd e g r e eo f t h e w h o l em a c h i n e 。i ti sa l s ob e c o m e e a s yt oe x p a n d i t sf u n c t i o n t h e d i g i t i z e dc o n t r o lb a s e d o nm i c r o c o m p u t e rc a nw o r kt h es e m i c o n d u c t o r l a s e r a c c u r a t e l y ，s t a b l y a n d e f f e c t i v e l y d i g i t i z a t i o n ，i n t e l l i g e n t i st h ei n e v i t a b l e d e v e l o p i n g d i r e c t i o no f t h es e m i c o n d u c t o r l a s e r s p o w e r w eh a v en o t i c e dt h a tw h e nc o n t r o l l i n gt h es e m i c o n d u c t o rl a s e r s p o w e rw i t h m i c r o c o m p m e r , b e c a u s e t h em a j o r i t yi ss h a r e d ，i fw ea d das m a l la m o u n to fh a r d w a r e c i r c u i t si nt h ec o m p u t e r , a n ds u p p l e m e n tt h es o f t w a r em e a n w h i l e 。w i 也o n ep o w e rc a l l w ed r i v es e v e r a ll a s e rd i o d e sa tt h es a m et i m e ，i t st h el a s e rd i o d eg r o u p ，w ec a l l 。t h u s ， w ec a r li m p r o v et h ec o s tp e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rf u r t h e r a n d ，w i t ht h eo p e n * u pd a y b yd a y o ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r su s i n g ，i t so u t p u tp o w e ri sr e q u i r e dl a r g e ra n dl a r g e r b u tw i t ht h el a r g e ra n dl a r g e ro u t p u tp o w e ro ft h es e m i c o n d u c t o rl a s e r s , i t sp r i c e sa r e a l s oh a v i n ga ne x p o n e n t i a lr i s e s s o ，w eh a v ep r o p o s e dak i n do fs c h e m e ：d r i v i n g s e v e r a ll a s e rd i o d e sa tt h es a m et i m ew i t ho n ed r i v e r , m a k i n ge a c ho f i tc a l lw o r ka l o n e ， t h e nc o u p l i n gt h es e v e r a lb e a m so fl a s e r si n t oaf i b e rc o u p l e r , t h e nc a l lw eg e tl a r g e r p o w e ra n d c o s t p e r f o r m a n c e ，e s p e c i a l l y t ot h o s e h i g h - p o w e r l a s e r d i o d e s ，i t i s r e m a r k a b l et oi m p r o v et h ec o s tp e r f o r m a n c e t h i sp a p e rd e s c r i b e dt h ec o n c e p to ft h el a s e rd i o d eg r o u pa n dt h ed e s i g no fi t s d r i v e lt h em a i nc o n t e n t sa sf o l l o w s ： ( 1 ) t h em e a n i n g o f t h ed e s i g no f t h ed r i v e rf o rt h el a s e rd i o d eg r o u pw a sd e s c r i b e d ， t h eh i s t o r yo f t h ed r i v e rf o rl da n d t ss t a t u sq u o w e r ei n t r o d u c e da sw e l l ( 2 ) t h eo p e r a t i o np r i n c i p l eo f t h e s e m i c o n d u c t o rl a s e r , i n s t r u c t i o n sf o ru s e ，a n dt h e d a m a g em e c h a n i s m w e r ea n a l y z e di n t e n s i v e l y , a n dt h e nt h ee q u i v a l e n tc i r c u i tm o d e lo f 海南夫学检测簸本与垂动纯装鬟专鼗2 0 0 2 缀礤士学袋论文 l da n dt h ep r i m a r yd e m a n d so f t h ed r i v e rw e r ed r a w n ( 3 ) t h ec i r c u i ts t r u c t u r eo f t h ep o w e rw a g p r o p o s e d ，t h e na n a l y s e st os o m ec i r c u i t s a n dd e m o n s t r a t i o no ft h es c h e m ew e r em a d e ，a n do nt h eb a s i so f d a m a g em e c h a n i s m ， t h ep r o t e c t i o nc i r c u i ta n da n t i i n t e r f e r e n c ec i r c u i tw e r e d e s i g n e d ( 4 ) s o f t w a r ew a sc o m p l e t e d ，a n dt h ea n t i i n t e r f e r e n c et e c h n o l o g yi nt h ep r o g r a m w a s e m p h a s i z e d ( 5 ) c o m p u t e rs i m u l a t i o n ，e x p e r i m e n tt e s t i n ga n dp r o g r a md e b u g g i n gh a v eb e e n m a d e ，w h i l ea t t e n t i o n sw e r ee m p h a s i z e d i nt h ec o u r s eo f t h et e s t i n g k e y w o r d s ：l a s e rd i o d e g r o u p ；d r i v e r ；o n e - c h i pc o m p u t e r 河街大学检强4 技术与自动化装置专业2 0 0 2 缎硕士学位论文 第一耄绪论 1 1 研究激光二极管群并联驱动电源的意义 自从把固体分为绝缘体、半导体和金属之后，在2 0 世纪，对半导体的研究有 了突飞猛进的进展。2 0 世纪6 0 年代，集成电路由小规模、中规模、大规模，一直 发展到今天的超大规模，而与集成电路兴起的同时，半导体的受激发光也受到了 注意。直到1 9 6 2 年世界上第一个半导体激光器( s e m i c o n d u c t o rl a s e ro rl a s e r d i o d e ，l di nb r i e f ，在本文中对这几种说法不加区分) 诞生。与其他种类的激光 器相比，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， 当年由电子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 1 t 2 1 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“娇”的，在不适当的工作或存放条件下，会造成性能的急剧恶化乃至失 效。1 3 【4 激光二极管在电路装配过程中或工作过程中都极易受电压、电流或静电荷 的浪涌冲击而损坏。例如：工作着的激光器，有时会仅仅由于接在同一电网上的 日光灯的关闭或开启而损坏电网干扰；尚未接入电路的激光管，常会仅仅由 于手的触摸而损坏静电感应：而在焊接过程中的激光器，极易因为烙铁与电 网的连通而损坏2 2 0 v 交变感应而引起的浪涌击穿。【5 l 对于所有的激光二极管， 其驱动电源的工作方式和性能都是共同的问题。如果输出的电压或电流波形质量 不高，又缺乏有效的保护措施，就会使激光二极管性能下降或造成永久性损伤。 因此，需要实用、小型、性能好的激光二极管驱动电源来保证激光二极管的安全、 i 河南火学检襁4 技术与自动化装置专业2 0 0 2 级坝士学位论文 稳定工作。 6 4 q 隧羞半蟹体激巍器在缀多壤域缮裂愈表愈广泛瓣痤震，有关驱动鬯藩熬淘题 也更加受到人们的重视。 9 1 1 1 0 1 初期，对激光二极管电源的研制郝是纯硬件电路系统， 采蠲模毅控秘方式，手动谣节毫滚，翔参考文献孛豹 5 1 1 6 1u 1 2 1 。摄然氇能较好 的驱动激光二极管，但由于只能手动凋节。无法用计算机控制，在很多工业应用 中降低了精度和自动亿程度，也限制了激光的应焉场合。0 3 1 事实上，使鬲微型计 算机对激光电源进行控制，能有效地提高电源的性能价格比( 性价比) ， 9 1 简化激 光电源的硬件结构，增强整机的自动化程度，为整机功能的扩展提供有利的条件， 1 4 1 基予微型计算枧的数字化控裁能够更有效地勰决举导体激巍器工馋豹准确、稳 定和可靠性问题。数字化、镏能化也是半导体激光器应用的必然发展方向。t g l 筏铜注豢到在蠲徽型计舞税黠拳罨锌激毙器驱动毫添逡行控割瓣，由予计算 机中大部分怒共用的如果添加少量的硬件电路，丰富补充软件程序，用一个驱 动邀源同时驱动著予个激光二极管帮激光二缀管群，藏能够邈一步凝高电源豹性 价比。 并且，随着半导体激光器应用的日益开拓，对半导体激光器的功率要求也越 来越大。但是随着商品化半导体激光器输出功率的愈来愈大，其价格也成指数上 升。特别是目前我国生产的大功率半导体激光器与国际先进水平尚有很大的差距， 进口大功率半导体激光器的昂贵也使得其价格问题更加值得关注。因此，我们提 出了一种方案：用一个驱动电源同时驱动若干个激光二极管，并使其各自能够独 立工作，再通过光纤合束器将这若干束激光耦合输出，从砸得到较大的功率和性 价比，特别是对大功率激光二极管更能显著的提高性价比。 同时，我们也注意到，就提高激光二极管的性价比来说，这种方案并非从根 本上提高激光二极管的功率，但是即使激光二极管的功率有了根本上的提高，应 用这种方法，仍然能使其得到进步的提高。 本方案对于电源提出了特别的要求，并且l d 本身对电源的要求也很严格， 必须为之设计性能优越的专用电源。 首先，l d 对驱动电源的要求是稳流电流，目前关于稳流电源的研究比较多， 2 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 达到的水平也比较高。但尚没有能同时驱动若干个激光二极管即激光二极管群的 电源。本论文将就这一问题，提出合适的符合要求的稳流电源方案。 其次，半导体激光器是非常容易损坏的，保证半导体激光器稳定可靠的工作， 也是对电源的一个重要要求。要在分析其损坏机理和原因的基础上，考虑电源的 设计及相应的保护措施。 第三，因为要同时驱动若干个激光二极管，所以要保证各个激光二极管之间 不能互相影响，特别是当某个激光二极管损坏的情况下，其它激光二极管也不能 受到影响。 第四，电源系统由很多环节组成，每一个环节都会影响到其整体设计，对于 这一问题应充分考虑，既要从整体角度合理设计，也要分析每一个环节的影响， 仔细设计。 良好的电源将会使激光二极管群稳定高效安全独立的工作，作为整个方案的 重要一部分为方案的成功打下基础。 1 2 论文的主要内容 在对方案目的准确理解的基础上，本论文论述的是在该电激研制过程中的 些关键问题。主黉内容包括以下凡部分； ( 1 ) 深入分叛了半垮体激光器的工作原理及其使用要求、损坏枧理，提出了 对单个l d 驱动电源的基本要求。 ( 2 ) 棱蕹对l d 驱凌邀滚熬基零要蕊，结会系统籀檬，确定凝动毫滚翡主体 电路结构。 ( 3 ) 从实袋电流精发角度考虑，设计并实现离精度、高稳定往静控制系统歉 外围电路。 ( 4 ) 从半导体激光器损坏机理角度考虑，设计并实现商效、可靠的保护电路 及抗于扰电路。 ( 5 ) 进行仿真和实验分析。 塑塑查兰垫型垫查皇! 垫些薹要主些! ! 丝塑堡圭兰些丝壅 参考文献 【1 】1 江剑平，半导体激光器，北京：电子工业出版社，2 0 0 2 2 2 r u s s e l ld a n ，i n t r o d u c t i o nt ot h e d e v e l o p m e n to f t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r , i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，19 8 7 ，2 3 ( 6 ) ：6 51 6 5 7 3 】黄德修，刘雪峰，半导体激光器及其应用，北京：国防工业出版社，1 9 9 9 【4 】s l i n e ydh ，l a s e rs a f e t yc o n c e p t sa r ec h a n g i n g ，l a s e rf o c u sw o r l d ，1 9 9 4 3 0 ( 5 ) ：1 8 5 1 9 2 5 陆耀华，仪器用的高稳定半导体激光电源，电子技术，1 9 9 4 ( 6 ) ：5 7 6 刘舒书，单文涛，一种实用的大功率激光二极管驱动电源，激光与红外，1 9 9 8 ， 2 8 ( 3 ) ：1 5 3 1 5 5 7 】j a n ，h o wp o w e rs u p p l ys e l e c t i o nc a l li m p r o v el a s e rd i o d ep e r f o r m a n c e l a s e r f o c u sw o r l d ，1 9 9 4 ：1 2 9 1 3 7 8 】8 l a s e rd i o d e o p e r a t o r sm a n u a la n dt e c h n i c a ln o t s ，s p e c t r ad i o d el a b s ，1 9 9 4 【9 】邹文栋，高益庆，单片机控制的半导体激光器驱动电源，激光杂志，2 0 0 4 ， 2 3 ( 4 ) ：7 0 7 1 【1 0 d i a n az a n k o w s k y , d i o d e l a s e rd r i v e r sm a i n t a i nc o n t r o l ，l a s e rf o c u sw o r l d ，1 9 6 6 ， 3 2 ( 7 ) ：1 3 1 1 1 】关荣锋，赵军良，实用半导体激光电源的研制，焦作工学院学报，1 9 9 7 ， 1 6 ( 4 ) ：7 1 7 3 【1 2 】m i c h a e ls c a f f e r t ye t a i ，s t a b l ec u r r e n ts u p p l yw i t hp r o t e c t i o nc i r c u i t sf o ra l e a d s a l tl a s e rd i o d e ，r e v , s c i ，i n s t r u m ，1 9 8 9 ，6 0 ( 9 ) ：2 8 9 6 2 9 0 1 【1 3 】吴政敏，黄维玲，马新敏，万慧，激光电源中d s p 数字控制技术的研究，激 光杂志，2 0 0 3 ，2 4 ( 3 ) ：2 2 - 2 3 【1 4 王运谦，激光电源的程序化控制，激光与红外，1 9 9 8 ，2 8 ( 3 ) ：1 4 9 1 5 2 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 第二章半导体激光器原理及其使用要求 2 1 引言 半导体激光器工作的基本原理系基于电磁辐射与半导体( 内部的载流子) 的 相互作用。与光子和原子中的电子相互作用类似，半导体中的电子与光子间的相 互作用亦有三个基本过程受激吸收、自发发射和受激发射。但是，在半导体 中这三类电子跃迁过程不是发生在分立能级之间，而是发生在表征电子能量状态 的能带之间。因此，发生跃迁的可能性大小和特征就与半导体的能带结构以及导 带中电子的态密度( 价带中则为空穴态密度) 的分布有关。【l 。4 】 如果通过电注入使半导体导带中积累一定浓度的电子，在光子的作用下，它 们与价带空穴复合，并辐射出光子，这就是受激辐射复合，所辐射的光子与激励 这一复合过程的光子有完全相同的频率、偏振和相位等特性，激励这一过程的光 子可以是外来光子或内部产生但受到反馈的光子。 要使激光器得到相关的受激光输出，要满足两个条件，即粒子数反转条件与 阙篷条磐。蘸者怒必要条孛，它慧踩羞筏子意簸悫静粒子( 翔半警俸导豢中茨奄 予) 数多于低能态的粒予数，达列这个条件，有源工作物质就具有增益；后者是 充分条件，它要求粒子数必须反转劐一定程度，帮达到南子粒子数反转所产生的 增益能克服有源增益的内部损耗和输出损耗( 激光器的输出对商源介质来说， 也是一种损耗) ，此后增益介质就具有净增益。一旦夜半导体有源介质中实现 粒子数爱转，该余震裁舆有正壤麓，即其有对内部彝外郝斡必予进行谐振敦大 的能力。0 】 本章鼹半导体激惫器瓣藤理骰了奔绥，然鼹半导落激毙器豹莲本工佟豢理的 分析中可以知道半导体激光器的使用要求和损耗机理。浇入电流决定着是否满足 激光产生的两个条件，同时通过控翻载流子的注入程度w 隘控制半善体激光器输 出光功率的大小。了解了这些，髑此也就知道了半导体激光器对供电电源的基本 5 弼南大学检测技术与自动化装置专她2 0 0 2 级颂士学位论文 要求和对保护措施的基本要求。 2 2 半导体激光器的工作原理 任何半撩体激光器的外部结构都包括三部分。都能产生粒子数反转的激光工 作物质，使光子不断反馈振荡从而馊光振荡达到闽傻的光学谐振腔以及激励起粒 子数反转的电源。首先从激光工作物质中电子在能带之间的跃迁来分析，它是产 生激光鲍本源。 2 2 1 半导体中的能带及电子在能带之间的跃迁【5 1 0 】 晶体中的原子紧密相间、周期排列，原子的外层电子与原子核之间库仑作用 力的大小与其距离成反比。各原子相应的一些外层电子运动轨道将发生不同程度 的交叠，或者用量子力学表示为它们的电子波函数发生交叠，其结果是使这些电 子在各原子相应的轨道上发生不同程度的共有化运动，由于受到泡利不相容原理 的限制，各原子相应的电子能级在晶体中分裂为能带，因而就形成一系列允许电 子存在的能带，这些能带统称为允许带，在这些允许带中，由价电子占据的带称 为价带。在绝对零度下，价带全为电子所占据，故又称价带为满带。价带之上的 允许带不存在电子而全为空态，故称空带。空带与满带之间没有允许电子存在的 状态，故称为禁带。禁带宽度用e g 表示，它是决定晶体性质的一个很重要的参量。 一般说，e g 2 e v 的晶体材料呈现绝缘体性质；e g m , 0 的晶体呈现金属性：风在 0 - 2 e v 的之间的晶体材料具有半导体性质。e g 也是决定半导体光电子器件某些重 要性质的参数。 在绝对零度下，半导体也是绝缘体。但在一定温度下，总有一定数量的电子 从满带激发到空带，在满带上留下电子空位( 空穴) 而空带中出现相应数量的电 子。这些载流子( 空穴、电子) 在电场作用下将发生漂移运动而产生传导电流。因而 价带上的第一允许带也称为导带。在几何空间中半导体能带的表示如图2 2 1 。在 k ( 动量) 空间中，或者说在能量( e ) 与动量( 世) 的坐标系中，半导体的能带 结构要比几何空间复杂的多，如果导带底与价带顶对应同一k 值，在光子的作用 6 河南大学检授4 技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 下，电子在这两个能带极饿之间的跃迁，其动量与能量是翻持平衡的，而无需其 毽徽鼹粒予黪参与，鼗臻这秘跃逶j 筵程为蹙接繁羧跃迂，憋这秘半导簿稼为囊接 带隙半导体，如图2 2 2 所示。电子在这种只有光子参与的所谓一级微扰的跃迁过 程中有最大熬跃迂凡率。稳芨，若簿带戆鬃静最小德与份带顶不对瘦司一鬈篷， 在光予作用下，电子在这两个能量极值之间的跃迁必须有声子参与才能保持各跃 迁避程的能薰或动爨守恒，放称这稀半导钵毒于瓣为间接带豫半导体，在这种有毙 子与声子参与的所谓二级微扰的跃迁过程中，电子的跃迁几率缀小。半导体激光 器、半导体发光二极管和半导体放大器均选用直接带隙半嚣体作为有源区材料。 ji e g 1r 导带 禁带 价带 _ 正 。 e d ，、 图2 2 1 在几何空间中半导体能带结构图图2 2 2 在占一f 空间中能带示意图 概括来说，半导体能带之间的电子跃迁可以获得以下几种效应： ( 1 ) 在光予作用下，且光子能量h v e g ，则价带电子跃迁到导带，分别在 导带与价带中产生电子与空穴，这一过程称为受激光吸收。这种光生载流子就能 在外电路形成光电流，各种半导体光探测器就是基于这一原理的。 ( 2 )如果通过电注入使半导体导带中积累一定浓度的电子，它们将自发地与 价带空穴复合，以光子的形式释放出等于或大于禁带宽度的能量，此即为自发发 射过程。半导体发光二极管是基于这一原理工作的。 ( 3 )如果上述复合过程不是自发的，而是在光子的作用下进行的，这就是受 激辐射复合，所辐射的光子与激励这一复合过程的光予有完全相同的频率、偏振 和相位等特性，激励这一过程的光子可以是外来光子( 如半导体激光放大器或注 入锁定激光器的情况) 或内部产生但受到反馈的光子( 如半导体激光器的情况) 。 7 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 缎硕士学位论文 2 2 2 半导体激光器的基本工作原理【1 1 】 藏基本簇理蔼谂，半导俸激光器鞫其它嶷型懿激光嚣没商根本的嚣羽，帮都 是基于受激光发射。疆使激光器得到相关的、受激光输出，疆满足两个条件，即 粒子数反转条件与阂值条件。前者怒必要条件，它意昧着处予商能态的粒子( 如 半导体导带中的电子) 数多予低能杰的粒子数。达到这一条传，有源工作物质就 具有增益，磁者是充分条件，它要求粒子数必须反转到一定程度，即达到由于粒 子数爱转所产生鲍增夔能克服骞源增薤鲍内郄损耗秘输爨攫糕( 激必器的竣爨对 有源介质来说，也是一种损耗) ，此后增益介质就具有净增赫。 一里在半等侮蠢深奔震中实襞救子数爱转，该分震就爨毒歪增益，鄯其鸯对 内部和外部的光子进行谐振放大的自& 力。有源介质的增益系数可表示为： g ( h y ) = 兰旦忍，；o p v ( l 一工) 尸( h y ) ( 2 2 1 ) c g m = o i + 。t ( 2 2 2 ) 式中，f 为模场限制因子，工为电子在导带的占据几率，工为电子在价带的 占据几率。如果五 z 时，增益系数为正值，因此增益系数并非有源介质本身 的属性，它是与半导体激光器的注入电流或注入载流子浓度相关的。如不考虑增 益色散而取线性近似，可以将增益系数表示为： g p = a ( j s o ) ( 2 2 3 ) 式中，为增益系数，它代表材料增益系数与注入电流密度线性相关的斜率， 其值依材料不同而异；s o 为透明电流密度。 要使激光器开始产生相关辐射输出，必须使粒子数反转达到一定的程度，即 达到由激光器的增益和损耗决定的阈值，即 g m = q + o f o 。t ( 2 2 2 ) 式中，g 。为阈值增益；口为增益介质的内部损耗，主要来自于光子在增益介 河南大学检测技术与自动他装置专业2 0 0 2 缀硕士学位论文 质内部遭受的吸收和散射损耗；。是激光器的输出损耗。 除了阙壤增益以夕 ，激光器在滚篷点蕨对应敬蒸它参数( 热注入电流、注入 载流子浓度等) 均称为阈值：由于电流易被测量，敞阈值电流是表征半导体激光 器鬣藿铙劣的一个羹要参数。 超过闽值后注入电流的进一步增加，粒子数反转程度受到抑制，增益系数也 相应地被“钳制”在闽值增益上。对处于撇荡状态的半导体激光器，在闽值以后 所增加的注入载流予用来增加所需的输出功率。因此，应将式( 2 ，2 + 2 中搿。理解 为在谐振腔内建立振荡( 即光子在谐振腔内来回一周的环路增益为1 ) 所引起的输 出攘耗( 嚣不惫摆激建器在溺毽嚣豹辕爨) ，哭与港缀麓匏长度，腔囊反蒜辜寿关。 2 3 半导体激光器的使用要求 2 3 1 半导体激光器的技术指标 表2 3 1a l 6 5 0 t 3 0 激光二极管技术指标 参数名称极限值( t 。= 2 5 c )单位 寿命 5 0 0 0小时 光功率 3 0m w 工作温度一l o + 5 0 发光波长6 5 0 1 0呦 输出光功率( c w ) 3 0m w 阈值电流 4 5m a 工作电流1 0 0 m a 工作电压 2 - 2v 监视电流 0 1i l l a 实验中选用的是重庆航伟光电科技有限公司的a l 6 5 0 t 3 0 激光二极管。其 一 要登查兰竺! ! 整查兰! 垫些茎矍妻些! ! 丝璧堡主兰垒燕壅 具体技术指标如表2 3 1 所示。电流w 输出光功率关系特性曲线如图2 3 1 所示。 e ( 瓤谨) 3 0 图2 3 1 半导体激光嚣电流输出光功率菇系特性曲线 ( m a ) 对一般的半导体激光器，其前届端面都有楣同的激光输蹬，因此有些半导体 激光器在与菸后端猫毗邻处设置一个光电二檄管( p d ，p h o t od i o d e ) ，供用户作为 自动功率控联( a p c ，a u t op o w e rc o n t r 0 1 ) 或跟踮半导体激光器的运每馕况。嚣 此可根据该光电二极管的光电流或外部光探测器的摄示情况来判定激光器的运行 揍魏，努罄2 3 ，2 爨添。噼我弱选鬟瓣a l 6 5 0 t 3 0 激光二极营羲是这撵静。 hv ：厂 多；。， ) 】 、一j号l dl ： j 图2 3 2 利用半导体光探洲器监控半导体激光器 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 2 。3 。2 拳导体激先器鑫馨等效耄路 不同型号半导体激光器等效电路视熟器件缩构不同丽异，如结面积的大小、 内弓l 线与芯片连接方式等均会影响电路分布参数的大小，即使怒阊一型号的半静 体激光器其等效魄路参数也有很大的离散性。因此本文只给出基本的原理性等效 电路，如图2 3 3 所示。图中，s 、r s 、蕊都是很小的量。c s 和r s 分别蹙半导体 激光器魏鸯生电襄( l p f ) 彝电疆( 一般建鼗欧姆，主婺寒澡予接皴电疆，在委 向偏置下有源区的电阻 1 n ) ，l s 为引线电感( 12 n i l ) 。1 6 爨2 1 3 3 半导体激兜器的等效电路 2 3 。3 连续工佟方式下半导体激蠢器对供毫电源豹基本爰求 在半导体中注入的非平衡载流子( 电予、空穴) 复台以光予形式放出复合所 产生的能量称辐射复合。黹主煞带之间的受激辐射复合形成半昏体激光秣的工作 艨理，激励这一过程的光子可以是外来光子或内部产生懊受到反馈的光予。前糟 鼹属于半导体激光放大嚣或锁定激光器的情况，用半导体激光器泵浦固体激光嚣 朗激聚方式则属予嚣者。 在2 2 2 中半导体激光器的基本工作原理的分析中知道，注入电流决定着是谮 瀵足激光产生翡嚣令条件，露时逶过控臻载滚予懿注入程凄可敬控蠲半蹲藩激光 器输出光功率的大小，遮一点也可以从图2 3 1 半导体激光器韵工作特性曲线上得 列验证。激光器静电流遮到阙蕊箍，有激先输密，激光器进入工作区域，琵螽辕 出功率几乎随电流的增加而直线上升。 l 河南大学检测技术与自动化装置专业2 0 0 2 级颂士学位论文 个激光器在制成后，其内部工艺结构的定型，决定了宦的功率效率也随着 定燮。遣藏怒说对予一个残暴激党爨，宅静功率效率是一定豹。 因为： e 产民f y f i f ( 2 3 1 ) 2 v , + l s r ， ( 2 3 - 2 ) 且在闽值以上结电压矿维持不变( = e g e ) ，所以： 晶2 廓l = 耳( 巧+ ，足) 0 ( 2 3 3 ) 式中，昂为功率效率：r 为半导体激光器的串联电阻。 由于功率效率和串联电阻均为定值，故电流是直接控制半导体激光器输出光 功率的因素。而要使半导体激光器输出光功率在直流工作方式下输出光功率稳定， 稳定的电流供电则是主要要求。 2 4 半导体激光器的损坏机理 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 也是很容易被损坏的，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，尤其是大功率的半导体 激光器价格是非常昂贵的，对其损坏机理有必要作以分析。 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到破 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，它的核心也是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。r 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。 统计表明，半导体激光器突然失效，有一半以上的几率是由于浪涌击穿。浪 涌是一种突发性的瞬态电脉冲，是半导体激光器瞬时承受过电压而可使p n 结击 弼南大学检澳4 技术号自动化装置专业2 0 0 2 级颁士学位论文 穿，在瞬态过电压下的正向过电流所产生的光功率可以使解理面损伤。 渡涎产生的露溅是多方嚣懿，紫觅载鸯： ( 1 ) 半导体激光器驱动电源在接通电路时，会在电路中形成个过渡过程， 繇奁开癌对，驱动滚流鑫躐柩度缀大豹造狰，陵磊经过过渡过程矛趋于稳定。这 种驱动电流的过冲易使p n 绺遭受电击穿，使解理面遭受损伤或破坏。 ( 2 ) 半导体激光器驱动电路与激光器楣联的电容遭大，剜在关新电源时，电 容的放电可弓l 起半导体激光瓣过电流，使其p n 结发生击穿，解理颡损坏。 ( 3 ) 与半导体激光器驱动电源并联的外电路的浪涌( 如驱动电路接入照明 线，露菜一与之并联螅荧光灯舞关鲢，会产生1 0 0 0 v 左右瓣渡灞电雁) 串入驱动 电路，造成激光器击穿。 ( 4 ) 撩镧毫黯戆偶然失效毽会嚣致半嚣俸激毙器豹损嚣，鲡鸯熬电路搜蘑奄 位器调节激光器驱动电流或输出功率，若电位器滑动触点在滑动过程中出现机械 或尘藩弓| 起的接麓不蘸，剐会导致浚涌，危鬻激光器。 除半导体激光器在浪涌冲击下可能遭受损伤外，在场强超过某一限值时静电 场也会产生p n 结静电损伤缄击穿。在半导体激光器处在菲工作状态时，静电击穿 成为主要损伤原毽。 2 5 本章小结 本章介绍了半导体激光器的基本原理，并在分析其原理的基础上提出了半导 体激光器的使用要求、损耗机理、对供电电源的基本要求以及对保护措施的基本 要求。 河随大学检攫4 技术与自动化装置专业2 0 0 2 级硕士学位论文 参考文献 1 】江剑平，半导体激光器，北京：电子工业出版社，2 0 0 2 2 】2 b m r o z i e w i c ze t a 1 t r a n s l a t e db yj k r a u z e ，p h y s i c so fs e m i c o n d u c t o rl a s e r s ， a m s t e r d a m ：n o r t h h o l l a n d ，1 9 9 1 【3 】j a f p r i ts i n g h ，s e m i c o n d u c t o ro p t o e l e c t r o n i e s ，p h y s i t s a n d t e c h n o l o g y ， m c o r a w - h i l li n c o m p ，1 9 9 5 4 g h b t h o m p s o n ，p h y s i c so f s e m i c o n d u c t o rl a s e rd e v i c e s ，n e wy o r k ：j o h nw i l e y & s o n si n c 1 9 8 0 5 】叶良修，半导体物理学，北京：高等教育出版社，1 9 9 8 6 】黄德修，刘雪峰，半导体激光器及其应用。北京：国防工业出版社，1 9 9 9 7 r u s s e l ld a n ，i n t r o d u c t i o n t ot h e d e v e l o p m e n t o f t h es e m i c o n d u c t o rl a s e r , i e e e j ， q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 8 7 ，2 3 ( 6 ) ：6 51 6 5 7 【8 】s u e m a t s uy a n da d a m sa r ，h a n d b o o ko fs e m i c o n d u c t o rl a s e r sa n dp h o t o n i c i n t e g r a t e dc i r c u i t s l t d ，1 9 9 4 9 】a s a d am a n ds u e m a t s uy d e n s i t y - m a t r i xt h e o r yo fs e m i c o n d u c t o rl a s e r sw i t h r e l a x a t i o nb r o a d e n i n gm o d e l g a i na n dg a i ns u p p r e s s i o ni ns e m i c o n d u c t o rl a s e r s i e e ej q u a n t u me l e c t r o n ，1 9 8 5 ，2 1 ( 5 ) ：4 3 4 - - 4 4 2 【l o 】h c 凯西，m b 坤自尼什，杜宝勋译，异质结激光器( 上册) ，北京：国防工 业出版社，1 9 8 3 【1 1 】周复正，陈有明，胡文涛，王之江，半导体激光固体激光器的新进展和应用 前景，中国激光，1 9 9 4 ( 5 ) ：3 5 4 3 6 0 1 2 h t t p ：w w w a o e c q c o m p i n d e x h t m 1 4 河獭大学检羽 技术与自动化装置专地2 0 0 2 级硬士学也论文 第三章方案论证与理论分析 3 1 引言 本章首先简要论述了半导体激光器疆霸电源静发展历稷和现况。在上一章中 分析了半导体激光器的工作原理以及它对驱幼电源提出的基本要求。本章中给出 半导体激光器在使嗣过程中对驱动电源提出的其体技术指标。提出了实现遮些指 标的大体电鼹结构撼图，针对墓中主要和关键部分黪瞧路进行了方熬的筛选论证， 并作了必要的理论分析。 3 2 半导体激光器驱动电源的发展历程和现况 初期，半导体激光器的电源都是纯硬件电路系统，采用模拟控制方式，手动 调节电流。随着技术的发展，单片机引入了对驱动电源的控制，使用单片机对激 光电源进行控制，能有效地提高电源的性价比，简化激光电源的硬件结构，增强 整机的自动化程度，为整机功能的扩展提供有利的条件，基于微型计算机的数字 化控制能够更有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性问题。数字化、 智能化也是半导体激光器应用的必然发展方向。 在此，了解半导体激光器的发明和发展以及集成电路和单片机的发展历史对 清楚地理解半导体激光器驱动电源的发展历程和现状是非常有益的。 3 2 1 半导体激光器的发明与发展【1 半导体激光器的出现和发展是许多研究工作者共同智慧的结晶。 2 0 世纪5 0 年代和6 0 年代初，冯衄曼( j o h n v o n n e u m a n n ) 、巴丁( j b a r d e e n ) 、 e c s l en o r m a l es u p e r i e u r e 的p i e r r ea i g r a i n 、苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫 ( b a s o v ) 等、腊克斯( l a x ) 、贝尔实验室的布莱( b o y l e ) 和汤姆逊、伯纳德( b e r n a r d ) 与杜拉福格( d u r