（电路与系统专业论文）铷原子能级探测综合实验装置及电路研究[电路与系统专业优秀论文].pdf

铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 摘要 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 专业名称：电路与系统 申请者：郭强 指导老师：孙番典 本论文研究了一种可用于铷原子能级探测的综合实验装置及电路，该原子能 级探测实验原理是用高稳定可调谐恒温半导体二极管激光光源抽运原子样品室 内的气态原子，得到该原子的跃迁光谱，再把该光谱信号放大后显示出来。要得 到跃迁谱线，需要控制实验中相关装置的工作环境和工作状态。本论文的工作中 包含有三个实验装置：( 1 ) 为激励光源及其控制电路装置，装置中设计制作一种 高稳定的半导体激光二极管稳流与恒温控制电路以得到激励光源，该装置中注入 电流稳定度可达1 0 5 ，温度采用内外两级温度控制，温度的稳定可达到0 0 1 ； ( 2 ) 为样品室环境控制电路装置，该装置中采用轴向的稳恒磁场控制电路使磁 场强度稳定度达到0 0 1 t ，样品室的恒温控制采用由a t m e g a l 6 单片机芯片和数 字式温度传感器d s l 8 8 2 0 组成的电路使样品室恒温稳定优于0 1 ；( 3 ) 为信号 检测电路装置，装置中采用p n 结型光电二极管作为探测器，信号输入到差分电 路放大，该信号检测电路装置稳定，能够满足实验要求。 关键词： 铷原子能级探测，半导体激光二极管，稳流电路，恒温电路，稳恒磁场 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 t h ec o m p r e h e n siv es t u d yo ft h ee x p e rim e n t a l a b s t r a c t d e v i c ea n dc ir c u itt od e t e c t r u b i d l u ma t o m l ce n e r g yg r a d e m a j o r ：c k c u i ta n ds y s t e m n a m e ：g u oq i a n g s u p e r v i s o r ：s u nf a n d i a n t h i sd i s s e r t a t i o ni sac o m p r e h e n s i v es t u d yo ft h ee x p e r i m e n t a ld e v i c e sa n d c i r c u i t st od e t e c tr u b i d i u ma t o m i ce n e r g yg r a d e t h i se x p e r i m e n t a ld e t e c t i o no ft h e p r i n c i p l eo fa t o m i ce n e r g yl e v e li sp u m p e db y e x c i t a t i o nl i g h ts o u r c eo fi n d o o r g a s e o u sa t o m i cs a m p l ea t o m s ，w h i c hg e tt h ea t o m i cs p e c t r ao ft r a n s i t i o n sa n dt h e nt h e a m p l i f i e ds i g n a lo ft h es p e c t r u mi sd i s p l a y e d t r a n s i t i o nl i n e s t ob en e c e s s a r yt o c o n t r o lt h ee x p e r i m e n t r e l a t e dd e v i c e si nt h ew o r k i n ge n v i r o n m e n ta n dw o r k i n g c o n d i t i o n t h i sd i s s e r t a t i o nc o n t a i n st h r e ee x p e r i m e n t a ld e v i c e s ：( 1 ) l i g h ts o b r c ：ea n d c o n t r o lc i r c u i td e v i c e ，t h i sd e v i c ei su s e di nt h es e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d et or e p l a c e t h et r a d i t i o n a ls p e c t r u mo fr u b i d i u ma sap u m p i n gl i g h ts o u r c e i nt h i sd e v i c et h eu s e o fah i g h s t a b i l i t ys t e a d yf l o wo fs e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d ew i t hc o n s t a n tt e m p e r a t u r e c o n t r o lc i r c u i ti no r d e rt oo b t a i ni n c e n t i v e ss o u r c eo fl i g h t ，a n dc u r r e n ts t a b i l i t yi s 1 0 s b o t hi n s i d ed e v i c ea n do u t s i d ed e v i c ec o n t r o lt e m p e r a t u r eo fl d t e m p e r a t u r e s t a b i l i t yi so o i 。c ；( 2 ) s a m p l er o o me n v i r o n m e n t a lc i r c u i td e v i c e zt h i sd e v i c ei su s e d i na d d i t i o nt ot h es t a t i ca x i a lm a g n e t i cf i e l dc o n t r o lc i r c u i t ，a n dt h es t a b i l i t yo f i i 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 m a g n e t i cf i e l ds t r e n g t hi s0 o1 t s a m p l er o o mt h e r m o s t a tt oc o n t r o lc i r c u i ti su s e db y t h ea t m e g a l 6c h i pa n ds i n g l e c h i pd i g i t a lt e m p e r a t u r es e n s o rd s1 8 8 2 0 ，a n dt h er o o m t e m p e r a t u r es t a b i l i t yb e t t e rt h a n0 1 ；( 3 ) s i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i td e v i c e ，t h i sd e v i c e i su s e di np nj u n c t i o np h o t o d i o d ea sad e t e c t o ra n dt h e ns i g n a li n p u tt ot h e d i f f e r e n t i a la m p l i f i c a t i o nc i r c u i t t h i ss i g n a ld e t e c t i o nc i r c u i td e v i c ew o r k sw e l l ，a n d t h es t a b i l i t yo ft h i sd e v i c et om e e tt h ee x p e r i m e n tr e q u i r e m e n t s k e yw o r d s ： r u b i d i u ma t o m i ce n e r g yd e t e c t i o n ，s e m i c o n d u c t o rl a s e rd i o d e ，s t e a d yc u r r e n t c i r c u i t ，s t e a d yt e m p e r a t u r ec i r c u i t ，s t e a d ym a g n e t i cf i e l ds t r e n g t h i i i 华南师范大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的研究成果。对本文 的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确的方式标明。 本人完全意识到此声明的法律结果由本人承担。 论文作者签名：静强 日期：2 卯易年6 月箩日 学位论文使用授权声明 本人完全了解华南师范大学有关收集、保留和使用学位论文的规 定，即：研究生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属华南师 范大学。学校有权保留并向国家主管部门或其指定机构送交论文的电 子版和纸质版，允许学位论文被检索、查阅和借阅。学校可以公布学 位论文的全部或部分内容，可以允许采用影印、缩印、数字化或其他 复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的论文在解密后遵守此规定) 保密论文注释：本学位论文属于保密范围，在年后解密适用 本授权书。非保密论文注释：本学位论文不属于保密范围，适用本授权 书。 论文作者签名：却强 日期：加爷6 月多目 导师 日期：印年6 月多日 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 1 1 前言 第一章绪论 弗兰克和赫兹用电子轰击原子的实验，发现其中存在着非弹性碰撞，且原子 仅接受一定量的能量，从而证明原子能级存在。研究原子能级结构的基本思想是 用场或离子作用于原子使原子能级发生变化，利用众多原子发生这种变化的宏观 效应对原子能级进行考察。 1 2 论文课题研究意义 本课题设计制作与研究的铷原子能级探测综合实验装置及电路是需要将现 代电子技术和量子物理学相结合，也是现代电子技术在探测铷原子能级上的应用 之一。通过研究铷原子光谱，可以了解铷原子的内部结构，认识铷原子内部电子 的运动，从而可以研究包含铷原子在内的若干物理过程，对于研究原子结构及其 性质有着重要意义：对原子能级的深入研究将进一步促进激光技术、微电子学、 核物理学、天体物理等学科的发展。 1 3 论文课题研究内容 本论文设计制作与研究的是铷原子能级探测的综合实验装置及电路，课题研 究内容主要分为三个实验装置： ( 1 ) 激励光源及其控制电路装置：在激励光源及其控制电路装置中，由于半 导体激光二极管的输出波长对其注入电流和工作温度及其敏感。因此，要获得实 验装置所需的高稳定可调谐恒温半导体二极管激光，就必须设计制作激光二极管 的稳流控制电路及其恒温控制电路，使其输出波长满足实验所需的激励光源的要 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 求。 ( 2 ) 样品室环境控制装置：加入轴向的稳恒磁场和射频激励的作用是为了能 够观测到原子的塞曼谱线。因此，需要设计制作轴向稳恒磁场控制电路，射频激 励通过谐振腔和射频信号源提供。同时由于样品室的温度高低对信号大小的影响 较大，温度太低，铷原子蒸汽密度小，信号较弱；温度太高，铷原子与器壁及原子间的 碰撞增加，加强了驰豫作用，使原子偏极化减小。存在一个最佳温度，在此温度下信 号最强。因此，还需要设计和制作样品室的恒温控制电路使样品室的温度维持在 一定的范围内。 ( 3 ) 信号检测电路装置：本部分是实验显示装置，需要把激励出来的跃迁光 谱信号进行差分放大，用示波器显示以便于观察。 2 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 第二章装置的基本原理与构成 2 1 装置的基本原理 通过激励光源及其控制电路装置对半导体激光二极管注入电流和温度进行 精密控制，然后去激励样品室环境控制电路装置中的处于恒温、稳定磁场和微波 场内的气态晒肋原子，最后信号检测电路装置将产生的超精细光谱信号进行放大 显示。 2 2 装置的基本构成 铷原子能级探测综合实验装置的方框图如图2 - i 所示： 电流小调制 l d 注入电流 控制电路 l d 慢扫描 电路 l d 温度控制 电路 稳恒磁场 控制电路 样品室 恒温电路 蛳堑 q 轴向溅场 - 加热层 微波谐振腔 可f 斗电路广 。1 、 品室 盛棉 图2 - 1 铷原子能级探测综合实验装置方框图 整个系统可分成三个主要装置：激励光源及其控制电路装置、样品室环境控 制装置和信号检测电路装置。 2 2 1l d 激励光源及其控制电路装置 这一装置的设计是整个系统的关键。首先是注入电流的电路设计，需要有很 高的电流稳定度，能提供在一定范围内连续可调的工作电流，除此以外，还应该 考虑到激光二极管的波长随温度的增加而增加，所以，在电流电路设计中，还必 须通过设置电源滤波稳压和慢启动来对激光器进行安全有效的保护，以免损坏激 光器，如高压、浪涌冲击等问题。 3 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 其电流电路设计方框图如图2 - 2 所示： 图2 - 2l d 注入电流电路设计方框图 其次是温度，半导体激光二极管工作时，环境温度的变化和自身散发的热量 会使二极管的工作温度改变，而影响l d 的输出波长及稳定性，因此，需要控制 二级管的工作温度，在本系统中采用的是两级温度控制，主要通过半导体制冷器 做为执行器件，利用电桥的平衡来控制温度的变化，用反馈信号来驱动电路，控 制半导体制冷器工作，其电路框图如下所示： 初级温度控制如图2 - 3 所示： 图2 - 3 初级温度控制的电路原理图 次级温度控制如图2 - 4 所示： 4 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 激光管 弋洒i r l v i j 纠 l 温度传感器 l 温度设置恒流源n电流- 电压 l ， 转换电路皇 厂j 南墙诗+ 罂i 低通 1 竺竺至三广 滤波 电路 半导体制冷器| 旧路 l 旧路| t 图2 - 4 次级温度控制的电路原理图 2 2 2 样品室环境控制装置 此装置的作用是用一定频率的激光来激励舒r 6 ，样品室中是气态跖r b ，处在 微波谐振腔中，整个装置处于恒温条件下，并加入了轴向的磁场。 为了使髓尺6 原子处于气态，还需要对其所处温度进行控制。这个温度控制的 精度要求较小，我们采用单片机a t m e g a l 6 芯片和数字式温度传感器d s l 8 8 2 0 构 成的温度控制系统，控制样品室温度并实时采集并显示其温度。电路结构原理图 如图2 5 所示： 图2 - 5 样品室环境温度控制原理图 在外磁场中，原子能级产生塞曼分裂。而微波的作用就是实现粒子在塞曼能 级之间的跃迁。 2 2 3 信号检测电路装置 信号检测电路装置是信号显示装置，通过前面装置的精密的注入电流和温度 控制，首先将半导体激光的工作波长稳定在豁r b 原子的砬线所对应的波长 7 8 0 n m ，然后去激励处于磁场和微波场中的气态髂肋原子泡，这样得到的就是 5 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 籽肋原子的超精细光谱。由于光谱信号十分微弱，还需要在显示之前进行信号 放大，我们利用p n 结型光电二极管作为探测器，为了除去光谱中的各项干扰波， 信号输入到差分电路放大。 6 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 3 1 激光管 第三章激励光源及其控制电路装置 半导体激光二极管( 简称l d ) 是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空 穴的复合来产生受激辐射，具有良好的辐射特性和空间相干性，是光发射机的核 心器件。半导体激光器实际上是一个极小的芯片。从其电气性能上来看，l d 是 一个p n 结二极管，如图3 1 所示。 p 宙源区 n p 面欧姆接触 n 磷欧姆接触 图3 - 1 半导体激光二极管结构示意图 具体讲它由三层半导体组成，上、下层分别为n 型和p 型半导体。中间层为 发光层，也称有源层，构成了带状的光波导，其宽度为数微米，厚度在l u m 以下， 长度为0 2 m m - o 5 m 左右。这个光波导将光波封闭在光波导的内部，并使光波沿 着纵向传播。 半导体激光工作物质有几十种，目前已制成激光器的半导体材料有砷化稼 ( g a a s ) 、砷化锢( i n a s ) 、氮化镓( g a n ) 、锑化锢( i n s b ) 、硫化镉( c d s ) 、碲化镉 ( c d t e ) 、硒化铅( p b s e ) 、碲化铅( p b t e ) 、铝镓砷( a 1 g a a s ) 、锢磷砷( i n p a s ) 等。 半导体激光器的激励方式主要有三种，即：电注入式、光泵式和高能电子束激励 式。绝大多数半导体激光二极管的激励方式是电注入，即给p n 结加正向电压， 使得在结平面区域产生受激发射。对半导体来说，由于电子是在各能带之间进行 跃迁，而不是在分立的能级之间跃迁，所以跃迁能量不是个确定值，这使得半导 体激光二极管的输出波长分布在一个很宽的范围上。它们所发出的波长在 7 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 0 3 - 3 4 u m 之间，其波长范围决定于所用材料的能带间隙，最常见的是a 1 g a a s ： 双异质结激光器，其输出波长为7 5 0 - 8 9 0 n m 。世界上第一只半导体激光器是1 9 6 2 年问世的，经过几十年来的研究，半导体激光器得到了惊人的发展，它的波长从 红外、红光到蓝绿光，被盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高。其 制作技术经历了由扩散法到液相外延法( l p e ) ，气相外延法( v p e ) ，分子束外延法 ( m b e ) ，m o c v d 方法( 金属有机化合物汽相淀积) ，化学束外延法( c b e ) 以及它们的 各种结合型等多种工艺。其激射阈值电流由几百毫安降到几十毫安，直到亚毫安， 其寿命由几百到几万小时，乃至百万小时从最初的低温( 7 7 k ) 下运转发展到在常 温下连续工作，输出功率由毫瓦级提高到千瓦级( 阵列器件) 。它具有效率高、体 积小、重量轻、结构简单、能将电能直接转换为激光能、功率转换效率高( 已达 l o 以上、最大可达5 0 ) ，便于直接调制、省电等优点，因此应用领域日益扩大。 目前，固定波长半导体激光二极管的使用数量居所有激光器之首，某些重要的应 用领域过去常用的其他激光器已逐渐为半导体激光二极管所取代。 尽管如此，半导体激光二极管也有其自身的缺点，最重要的是激光性能受注 入电流和温度的影响比较大，光束的发散角较大( 一般在几度到2 0 度之间) ，所 以在方向性、单色性和相干性等方面较差。但随着科学技术的迅速发展，这些缺 点已作为半导体激光二极管的研究课题正向纵深方向推进，另一方面正在开发回 避这些问题的方法，使半导体激光二极管的性能不断提高。 3 1 1 半导体激光二极管工作原理 半导体激光二极管是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个 基本条件： ( 1 ) 增益条件：建立起激射媒质( 有源区) 内载流子的反转分布，在半导体中代 表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实 现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低 能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注 入必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。 处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。 ( 2 ) 要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈 而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成 8 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。对法布里 一珀罗( f - p ) 半导体激光器可以很方便地利用晶体的与p n 结平面相垂直的自然解 理面面构成f p 腔。法布里一珀罗( f - p ) 谐振腔如图3 - 2 所示。 部分反射镜 图3 - 2 光学谐振腔示意图 ( 3 ) 为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引 起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场。这就必须 要有足够强的电流注入，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增 益就越大，即要求必须满足一定的电流阈值条件： p 口) 2 l | 1 r 一1 ( 3 一1 ) p f 3 1 、 式( 3 1 ) 中，为阈值时的增益系数；口为谐振腔内部工作物质的损耗系 数：r 为谐振腔两个镜面的反射率之积。阈值条件说明，激光器的阈值条件只决 定于光学谐振腔内的固有损耗。损耗越小，阈值条件越低，激光器就越容易起振。 当激光器达到阈值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激 光而连续地输出。可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光 发射和光放大过程。 3 1 2 半导体激光二极管的使用要求 ( 一) 、对正向工作电流i 的要求 在3 1 1 中半导体激光二极管的基本工作原理的分析中知道，注入电流决定 着是否满足激光产生的两个条件，同时通过控制载流子的注入程度可以控制半导 体激光二极管输出光功率的大小。 当半导体激光二极管的注入电流发生改变时，其输出特性随之变化如图3 3 9 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 所示： 电流 图3 - 3 半导体激光二极管的光功率一电流特性曲线图 当半导体激光器的调制电流超过阈值电流时，l d 输出的光功率将急剧增加。 而阈值电流越小，则l d 工作的电流越小。阈值以上的部分为l d 的工作区，电流 增加时l d 的输出功率也将增强。当激光二极管电流超过额定值时会出现输出的 饱和区，并产生失真或损坏等现象。所以半导体激光二极管线性输出最大光功率 ( e m ) 对于信号传输系统是一个很重要的指标，调制范围应控制在一定的非线 性失真内。根据用途的不周，要求输出的光功率也不同。对光源的调制信号可以 是模拟信号，也可以是数字信号。下面分析半导体激光二极管的调制电流与输出 调制光之间的关系： 设有源层体积为v ，注入有源层的电流为j 。在忽略自发辐射对光子密度的贡 献的情况下，有源层内载流子密度s 和光子密度n 随时间t 的变化关系为： d s d t j e v s r 一彳岱一s t r ) n d n d t a ( s s t r ) n f 一n r k ( 3 2 ) 式中t 为有源层内载流子的寿命，为光腔内光子的寿命，跏是半导体介质有 源区对光无吸收时的载流子密度；a 是常数，含a 项为受激项：l 是约束因子。 如果注入电流取简谐变化的形式： ，- j 。+ j c o s q t ( 3 3 ) 式中q 为注入的调制电流的角频率。为运算简便，写成复数形式： ，一厶+ 弘船 ( 3 4 ) 1 n 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 有源层内的载流子密度s 和光子密度n 分别为： s s o + & 旺 一o + 妣秘 ( 3 5 ) 运算结果取其实部，利用上式可得： a j _ 矾l e v f ( 3 6 ) 式中 f - q 2 一i ( i r + a n o ) q 一“ ( 3 7 ) 这表明，调制时a _ 的变化特征是：在低频端响应平坦；在q i q 且处取最大值： q o a n o i r r 一1 2 ( 1 r + a n o ) 2 】l ，2 ( 3 8 ) 再后随q 的增大而急剧减小。 综上所述，可以得出： ( i ) 当注入电流大于半导体激光二极管的阈值后，输出光为激光。且随着电流 值的增加，会有模跳变现象发生。任意两个相邻跳模间的线性区域不同，调制系数 不同： ( 2 ) 根据注入调制电流频率的大小，可将半导体激光二极管的输出光频特性分 为线性区和非线性区。理想的线性关系，较大的线性区是所期望的。但半导体激 光二极管的线性区大多都比较小，在阈值以上有多个跳模存在。因此，恰当地选择 线性段，避免跳模的影响是关键； ( 3 ) 注入电流增加，输出光功率增大，谱线宽度变窄，相干长度上升。注入电流 的增加是有一定限制的，最高工作电流不应超过阈值电流的四倍，否则器件会迅 速老化。 ( 二) 、对温度的要求 半导体激光二极管的许多参数都与二极管的结温度有密切的关系。当结温升 高时，激光二极管的禁带宽度变窄，导致激发波长向长波方向移动，移动速率约 为0 2 0 3 n a ，l d 工作的阈值电流也会随温度的升高而增加，一般用经验公 式： l 2 。1 咖1e x p ( t 2 一r , ) r o ( 3 9 ) 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 式( 3 9 ) 中，瓦为常数、互和瓦分别为阈值电流，埔- 和l z 所对应的温度， 如果没有有效的温控系统，在恒定的注入电流下，当环境温度发生变化时，输出 光功率将会有较大的起伏：工作温度还影响l d 的寿命，l d 壳温每升高3 0 ，其 使用寿命约要减少一个数量级。 半导体激光二极管是一个对温度很敏感的器件，它的工作温度对其工作特性 有非常大的影响，图3 - 4 是一种典型的半导体激光二极管在不同温度下的激光输 出功率p 与正向驱动电流i 的关系曲线图。 6 差4 2 o2 04 06 08 0 1 7 认 图3 - 4 输出光功率与驱动电流、温度的关系 从图3 - 4 中可以看出： ( 1 ) 在同一温度下，当电流小于某值时，输出功率p 约为零，而当超过该值 时，p 随电流的增长直线上升，这个电流值称为半导体激光二极管的阈值电流并 用符号i 表示。 ( 2 ) 阈值电流随着温度升高而升高，特性曲线基本上随着温度的变化而平移。 ( 3 ) 如果l d 在恒定的电流下工作，当环境温度发生变化时，l d 输出功率的 变化将是很大的。另外光谱的峰值波长也随着温度的上升向长波长方向漂移，温 度发生细小的变化，那么波长也随之不稳定。 ( 三) 、对l d 安全工作的使用要求 在正常条件下使用的半导体激光二极管有很长的工作寿命。然而，半导体激 光二极管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，由于半导体激光二极管制作工艺的限制，其成本比较高，尤其是大功 1 2 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 率的半导体激光二极管价格是非常昂贵的，对其损坏机理有必要作以分析。 半导体激光二极管的突然失效可由p n 结被击穿或用作谐振腔面的解理而遭 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 导体激光二极管核心也是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。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。 在实际工作环境下，有多种因素如静电、高压、浪涌电流以及电网冲击等都 会对半导体激光二极管造成永久性损坏或缩短其使用寿命。因此，必须采取措施 加以防护。 根据中国科学院半导体所的初步统计，目前国内l d 损坏的原因主要是腔面 污染和浪涌击穿。腔面污染可以通过环境净化来解决，半导体激光二极管突然失 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 导体激光二极管瞬时承受过电压而可使p n 结击穿，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，致使激光二极管发生损坏。 浪涌产生的原因是多方面的，常见的有： ( 1 ) 电源开、关瞬间： ( 2 ) 同一电网中其它用电设备的起、停或工作： ( 3 ) 雷电感应： ( 4 ) 半导体激光二极管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。 除半导体激光二极管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 结静电损伤或击穿。在半导体激光二极管处在非工作状态时， 静电击穿成为主要损伤原因。 1 3 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 3 2 光源的稳流控制电路 由于为激光二极管提供注入电流的稳流控制电路直接影响l d 的输出波长和 频率稳定，因此，稳流控制电路应具有很高的电流稳定度；不同的l d 具有不同 的阈值电流和工作电流，为适应不同激光二极管的需要，还应具有接近从零起调 的精密可调性和在一定范围内连续可调的性能；并能抑制、消除瞬态浪涌电流对 激光二极管的冲击损伤。 电路原理图如图3 - 5 所示： 图3 - 5 激光二极管的稳流控制电路图 图中，带高稳定电压输出的l m 3 9 9 组成的固定基准电压部分及由放大器 u 1 、u 2 、u 3 、u 4 及其精密线绕多圈电位器r l 、r 2 、r 3 组成粗、细电流调节 电路，调节r 1 可实现电流的粗调，调节r 2 及r 3 可实现电流的精细调节。这三 个电流调节电阻共同实现电流的精密可调性，并一起输入到运算放大器u 4 中。 可调基准电压经放大后再与取自流经与l d 串联支路上的采样电阻并经运放放大 后的反馈电压信号相比较，从而产生一个差值信号。利用这个差值信号作为控制 稳流输出调整管场效应管i r f 8 3 0 的门( 栅极) 。由于这个门调整连续流过l d 上的电流，从而实现控制激光注入电流稳定的目的。它的输出电压驱动场效应管 i r f 8 3 0 ，由此给半导体激光二极管供电。同时它还有缓升效果，可以保护半导体 1 4 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 激光二极管。i r f 8 3 0 的漏极输出是流经半导体激光二极管的电流信号的反馈， 经取样放大后反馈给u 5 ，以实现半导体激光二极管工作电流的稳定；输入端串 接r c 滤波电路可避免精密线绕多圈电位器使用过程中可能产生的尖刺干扰。 此外，为了避免开机时浪涌电压对l d 的毁坏，电路中加设了由晶体管2 n 2 2 2 、 4 7l af 电容及i o k 电阻组成的慢启动部分，并以与l d 相并联的反偏压二极管 i n 4 1 4 8 和0 0 4 71 1f 电容防止对l d 的反向冲击。 3 3 光源的恒温控制电路 半导体激光二极管在工作时，腔体、腔内晶体的温度会逐渐上升，而这将对 半导体激光二极管的参数产生很多不良影响： ( 1 ) 波长：半导体激光二极管的输出波长主要由其掺杂浓度、工作电流和工 作温度决定。由于有源层材料的禁带宽度随着温度的升高而变窄，使波长向长波 方向移动，移动量与器件的结构和有源层材料有关，约为0 2 - - , 0 3 n m ，在电 流恒定的情况下，温度每升高1 ，激光波长将增加大约0 2 - - 0 3 n m 。因此需要 将温度控制在半导体激光二极管适合的温度下，并使温度起伏0 0 1 ，这样才 能使半导体激光二极管输出稳定的波长。因此，必需用适当的温度控制装置来控 制半导体二极管的温度，使其波长稳恒输出。 ( 2 ) 寿命：无论半导体激光二极管用于什么领域，总是希望它有较长的使用 寿命。除去激光二极管本身的性能因素外，高温是造成器件退化的重要因素。根 据粗略估计，壳温每升高3 0 c ，激光二极管的寿命就减少一个数量级。在激光 二极管正常工作时，热耗很大，约占总功耗的5 0 - - 7 0 。在使用时，若不能及 时散热，就会使芯片温度急剧升高，严重影响使用寿命。 ( 3 ) 输出功率：温度的升高将引起阈值电流增大，使输出功率下降，功率波 动变大。理想情况下，半导体激光器的p - i 关系是线性曲线，温度的变化将引起 p - i 特征曲线的非线性畸变，这对于调制激光二极管很不利，因此，必须给二极 管提供恒定而且能够精密调整的工作温度，才能保证激光二极管稳定地工作。 综上所述，为了使激光二极管有高效稳定的输出，必需对激光管的温度进行 严格控制，保证半导体激光二极管不因自身发热和环境温度的变化而出现较大的 1 5 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 温度波动。 本恒温控制电路装置由内外两级温度控制电路构成，初级温度控制电路如图 3 - 6 所示： 图3 - 6 激励光源恒温电路初级电路原理图 通过调节可变电阻r 设定半导体激光二极管( l d ) 的工作温度，足的阻值可 查阅热敏电阻定标t - r 曲线的拟合公式，计算出相应的具体数值。加载在代：上 的3 0 v 电压，通过p t l 0 0 0 ，代2 分压在i c 块a d 6 2 0 的正输入引脚3 端得到一个固 定的电压。热敏电阻贴在l d 内层以外温控电路的散热片上( 具体位置可在附录 l d 温度控制电路物理结构图查询) 。热敏电阻的阻值会随着温度的变化而变化。 在热敏电阻的阻值没有等于电阻足的阻值之前，i c 块a d 6 2 0 的正负输入端2 、3 脚之间始终有电压差，即a d 6 2 0 始终有输出信号。这个输出信号通过o p 0 7 组成的 电压跟随器隔离之后，再经由o p 0 7 组成的电压比较器来驱动半导体制冷器。这 里要说明下o p 0 7 电压跟随器的作用。当i c 块o p 0 7 正输入端3 脚的输入电压跟 零电位比较，如果2 、3 脚电压差为正，那么电压比较器输出+ 1 5 v ，反之电压 比较器输出一1 5 v 。 1 6 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 激励光源恒温电路次级电路原理图如图3 - 7 所示： 图3 - 7 激励光源恒温电路次级电路原理图 该电路中l m 3 3 4 的输出反应的是当前工作温度，u 7 是电压比较器，u 7 输入 为正电压时，说明环境温度低于预设温度，半导体制冷器处于加热状态，环境温 度升高，l m 3 3 4 外围电阻r s 上的电压随之升高，比较器的输入趋向零，即环境 温度和预设温度趋向平衡。相反，输入为负电压时，说明环境温度高于预设温度， 半导体制冷器会制冷降低环境温度。 比较器u 9 的输出电压经一级电压跟随后，进入p i d 控制部分。为了解决温 度控制系统的动态稳定性与静态精度之间的矛盾，本文采用比例( p ) 一积分( i ) 一微分( d ) 控制器来实现精密温度控制。p i d 温度控制器实际上是一种能自动 调节增益的放大器，动态时，放大系数低，而静态时放大系数高，因而解决了精 度与稳定性之间的矛盾，提高了控制质量，其控制原理主要是按照误差信号的比 例、积分和微分值计算相应控制量，并将其作为输入量传递到控制系统而实现自 动控制。实际的p i d 温度控制电路如图，由上图中的u 2 、u 3 、u 4 、u 5 及与其连 接的电阻电容组成，比例电路的输出端与反相输入端之间通过电位器形成反馈， 对上一级电路的输出电压信号进行比例放大，在温度控制电路通常的工作状态 下，p i d 控制电路中起主要作用的比例电路；积分电路在p i d 控制电路中，起着 1 7 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 对输出电压信号缓慢调节、变化的作用；在p i d 控制电路中，微分电路对于输入 电压突然出现的较大脉冲变化才起作用，平时通常不起作用。在实际操作中，需 要选择适当的电容、电阻分别组成比例、积分和微分电路，以保证整个系统的稳 定性、准确性和快速响应。 电路的最后是半导体制冷器的驱动电路，当u 8 的输出端为负电压时，说明 环境温度低于预设温度，t i p l 4 7 导通，半导体制冷器制热，相反，当u 8 输出为 正电压时，说明环境温度高于预设温度，t i p l 4 2 导通，半导体制冷器制冷。 本恒温控制电路主要工作原理：为了提高输出的灵敏度，将l m 3 3 4 与晶体管 组合放大器；温度工作点设置部分则由l m 3 9 9 、其外围电路和温度点设置电位器 组成。控温电路工作时，由集成温度传感器l m 3 3 4 将探测到的温度转换成与绝对 温度成正比的电流，r ，经放大后与参考电流，相比较，该参考电流与所设置的温 度相关。与，比较后再转换成电压信号( i u ) ，使电路输出电压的波动值与温 度传感器探测到的工作温度波动值成正比，其后经滤波去除非温度波动干扰信号， 然后馈送到p i d 电子自动调节器，由驱动部分控制半导体制冷器( t e c ) 进行制冷 或加热，以控制安装着l d 的热泡的工作温度，从而达到恒定l d 工作温度的目的。 3 4 恒温控制的物理结构 要获得较高的温度控制精度，除了需要设计好的温控电路外，还需要有封闭 的隔热效果极好的保温环境，减少外界环境与温控系统的热交流，降低外界温度 对激光二极管正常工作的影响。 温控物理结构由恒温控制电路配合与外界良好热绝缘的激光管座( 与半导体 制冷器的一个面，通常为致冷面，良好的热接触) ，由半导体制冷器接散热片后 与激光二极管相连，用绝热材料将激光管密封起来，建立一个恒温环境，同时将 温度传感器l m 3 3 4 放在恒温环境中，用以探测激光二极管的工作温度。 温控物理结构图如图3 - 8 所示： 1 8 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 半导 ? 一 ，br e 传噻器l 曩3 3 4 一 冷器、 散热片 图3 - 8 温控物理结构图 在该温控物理结构中，半导体制冷器( t e c ) 又称为热电制冷器，其基本原 理是p n 结的帕尔帖效应，即当电流流经两个不同导体形成的接点处会产生放热 和吸热现象。其制冷量q c 和散热量q 的大小可以由如下表达式描述： 1 q c - 以一去，2 r - k a t 二 1 q - 蚂+ 去，2 r k a t ( 3 1 0 ) 二 其中：口为热电系数，瓦为冷端温度，瓦为热端温度，为工作电流，r 为 半导体电阻，k 为导热率，a t 为冷热端温差。 当电流由半导体p n 结的n 型半导体流向p 型半导体时，形成电子一空穴对而 吸收热量，相反，则电子一空穴对结合而释放热量，利用半导体的这种特性就可 以实现制冷或加热的功能。其主要特点有： ( 1 ) 功能全，制冷$ u j 热两用，温度调节范围较大，而且调节转换方便。 ( 2 ) 制冷量连续可调，温度升降速度快且调节自由。 ( 3 ) 其体积小、重量轻、结构简单、控制自由简便。 1 9 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 第四章样品室环境控制装置 要得到比较好的原子能级跃迁光谱图，不仅对激励源的有严格的要求外，样 品室环境控制部分也很重要，在本实验装置中，在气泡样品室中是气态髂胎原子， 处在微波谐振腔中，整个伺服装置处于恒温条件下，并加入了轴向的外磁场。微 波由微波信号源产生，波长可调。磁场由电磁铁和线圈产生，要求是稳恒磁场， 需要对磁场线圈进行稳定控制。 4 。1 轴向稳恒磁场的控制电路 在铷原子伺服装置中，加入稳恒磁场的作用是为了使铷原子产生塞曼分裂， 能够探测到铷原子能级谱线。 产生磁场的方式有两种，一种是通过永久磁铁来产生磁场，永久磁铁是最早 使用的一种磁场产生装置，直到现在仍然在生产和科学实验中广泛使用。永久磁 铁通常是由磁轭、永久铁心、磁极组成，磁轭和磁极采用软磁材料，铁心使用永 磁钢。由于永久磁铁是依靠永磁材料来产生稳恒磁场，不需要线圈和外加电源， 因此具有体积小，磁场稳定的优点，特别适用于一些小型设备以及计量工作中作 为固定场强的标准磁场量具。 除了永久磁铁以外，大部分的磁场产生装置是通过电磁转换来实现的。目前 磁场产生装置主要有电磁铁磁场装置和线圈磁场装置两种类型。电磁铁通常由磁 轭、带线圈的铁心和磁极组成，绕在铁心上的线圈通过电流后，就会在其磁极气 隙间产生磁场。而线圈磁场装置主要是由线圈和供电电源组成，线圈通电后可以 在其空间内产生一定大小和分布的磁场。电磁铁能产生较强的磁场，而且比较容 易获得高均匀度的磁场，但电磁铁只能在狭窄的空间气隙内产生磁场，相比线圈 磁场空间范围较小，而且电磁铁在设计时其磁场的分析和计算要难于线圈磁场， 在实际使用时一般需要根据磁场要求选择合适的磁场产生装置。在本实验装置中 采用的是线圈磁场，易于调节和控制。 2 0 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 线圈磁场是由线圈通电产生的，磁场和电场之间是密切相关的。磁场和电场 之间的基本关系可以概括如下：随时间变化的磁场会激发感应电场，随时间变化 的电场会激发感应磁场。电场和磁场互相联系而且在一定的条件下可以互相激 发，即可以互相转化，电场和磁场所形成的统一体叫做电磁场。 稳定的电流可以产生恒定的磁场，此时的磁感应强度不随时间而变化，即 哆名一0 ，称为静磁场，磁感应强度b 仅仅是空间位置的函数而与时间无关。毕 奥一萨伐尔定律可以计算由任意分布的稳定电流所产生的磁场，其表达式 为：百一鲁号笋，其中f 指从电流元指向场点的相对位置矢量，- 指电流元 与场点间的距离，曰指磁感应强度。 毕奥一萨伐尔定律实际上是把任何闭合回路产生的磁感应强度画看成是各 个电流元丽产生的磁感应强度的矢量叠加起来。 在本实验装置中，为了观测样品原子的子能级跃迁，在原子伺服过程中加入 了稳恒磁场。由上面的说明可知，稳恒磁场要求具有高强度、高稳定性和均匀性 好等特点。 本实验装置的稳恒磁场采用稳压电源供电，用一个中空的圆柱体绕上线圈励 磁，把导线均匀的紧密的绕在中空的圆柱体上，接上稳恒电流源，在圆柱体中产 生稳恒磁场，结构如图所示，为了保证磁场的均匀，除了要求励磁线圈的绕线要 均匀，圆柱体的直径要尽量小外，最重要的是磁场电路的电流稳定性好。恒流电 源电路如图4 - 1 所示 图4 - 1 稳恒磁场电流电路 2 1 铷原子能级探测综合实验装置及电路研究 本电路中r l 、r 2 为大功率电阻，经稳压二极管d 1 后，滤波电容两端的电压 为1 8 v ，9 0 1 2 是一个小功率p n p 型三极管，调节集电极电流，使三极管处于饱和 状态，这时集电极的电流输出可视为等于发射极电流，d 2 是一个1 2 v 的稳压二 极管，处于饱和状态的三极管的压降一定，所以输出是一个恒定电流，调节r 2 ， 可得到不同的电流大小。 4 2 样品室的恒温控制电路 由于用于原子能级跃迁激励和信号观测的样品室室温对信号的强弱具有