激光技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展

1、激光技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展 一 題目來源 自從1960年發(fā)現(xiàn)激光以來，激光器件、激光技術(shù)及其應(yīng)用均以極快的速度發(fā)展，目前幾乎已滲透到所有的學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域。激光器作為一種優(yōu)越的輻射源，更是被廣泛地使用。目前已研制成功的激光器達數(shù)百種，輸出波長范圍從近紫外一直到遠紅外，輻射功率從幾毫瓦乃至上萬瓦。激光器按工作物質(zhì)可以分為：氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)的日趨成熟，半導(dǎo)體激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調(diào)制等特點，在科研、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。目前半導(dǎo)體激光器在光電子領(lǐng)域中的位置和發(fā)展趨勢，正像電子技術(shù)領(lǐng)域中，當年由電子管向

2、晶體管和集成電路發(fā)展、轉(zhuǎn)化那樣，已經(jīng)起著其它激光器不可取代的地位。但在實際使用中存在的主要問題之一是激光器的輸出功率不穩(wěn)定，而且瞬態(tài)電流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器，近些年來，有不少科研單位從事這一方面的研究。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，基于微型計算機的數(shù)字化控制能夠有效地解決半導(dǎo)體激光器的準確、穩(wěn)定和可靠性問題。二 研究目的和意義 本課題是為了通過光電探測器采樣激光光功率，再通過反饋控制算法實現(xiàn)驅(qū)動電流的控制，使得激光器輸出穩(wěn)定的光功率。半導(dǎo)體激光器是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件,對于電沖擊和工作溫度變化的承受能力很差,靜電、高壓、涌浪電流以及電網(wǎng)沖擊等都會對半導(dǎo)體激光器造成永

3、久性損壞,直接危及激光器的安全使用及整個通信系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。同時半導(dǎo)體激光器對溫度很敏感,環(huán)境溫度的波動不僅能引起供給電流的波動,還會使激光器的閾值電流、量子效率、輸出波長和輸出功率發(fā)生很大的變化,影響輸出激光性能,甚至縮短半導(dǎo)體激光器的使用壽命。因此,半導(dǎo)體激光器電源及可控技術(shù)的研究對獲得高可靠性激光器來說尤為重要。三 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 自1947年晶體管發(fā)明之后，半導(dǎo)體成為蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域。1961年，美國的rca,mit的林肯實驗室，ibm,ge等實驗室都開展了半導(dǎo)體激光器研究。1962年秋天，ge、ibm和林肯實驗室相繼在一個月內(nèi)成功地制造了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。1967年，貝爾實

4、驗室的潘希年和海亞西提出了在砷化鎵中摻鋁的方案，他們在1970年成功地研制出第一個在室溫下連續(xù)運行的algaas半導(dǎo)體激光器。伺候，經(jīng)歷了30多年的發(fā)展，半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由早期的同質(zhì)結(jié)，經(jīng)歷了單異質(zhì)結(jié)，雙異質(zhì)結(jié)，量子阱，應(yīng)變量子阱，直到今天正在發(fā)展的自組裝量子點和量子級聯(lián)的單極性結(jié)構(gòu)。目前半導(dǎo)體激光器的可靠性壽命已達數(shù)百萬小時，波長覆蓋從紅外到近紫外波段，連續(xù)輸出功率從若干毫瓦達到百瓦水平。半導(dǎo)體激光器發(fā)展到今天在諸多領(lǐng)域中，如光纖通信，光盤存儲，全色顯示，激光醫(yī)療，以及軍事領(lǐng)域中的激光武器，測距，制導(dǎo)等方面得到廣泛的應(yīng)用。可以說，半導(dǎo)體激光器發(fā)展速度之快，應(yīng)用范圍之廣，發(fā)展?jié)摿χ笫履壳叭魏?/p>

5、其他激光器所無法比擬的。 激光技術(shù)發(fā)展到今天，已經(jīng)形成了一個產(chǎn)業(yè)。美國，日本，德國三個國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了當今世界激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢。美國在500瓦以下的中、小功率激光器方面占優(yōu)勢，德國在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占優(yōu)勢，而小功率半導(dǎo)體激光器則是日本占優(yōu)勢，占世界市場的70%以上。這表明各個國家的發(fā)展都與他們自己的工業(yè)基礎(chǔ)有關(guān)。美國由于在基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)發(fā)展的支持體系方面的強勢，使它在世界激光產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)方面走在世界的前列。而日本在以制造技術(shù)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)方面的優(yōu)勢，使它在半導(dǎo)體激光器世界市場上占有較大的份額。四 主要研究內(nèi)容與方法1.半導(dǎo)體激光器的功率特性 半導(dǎo)體

6、激光器的一個重要特性是功率-電流特性，也稱作p-i特性，如上圖所示。p表示激光器輸出的光功率，i表示激光器的注入電流。p-i特性既是激光器的輸出光功率隨注入電流的變化情況。由圖可見，當激光器的注入電流逐漸增加時，輸出光功率也逐漸增加。當注入電流增大到某一值時，輸出光功率急劇增加，并且發(fā)光特性也會發(fā)生很大變化，產(chǎn)生極光震蕩。稱這個電流為閾值電流，用ith表示，它是p-i曲線拐點所對應(yīng)的電流。2.半導(dǎo)體激光器光功率控制原理激光器的驅(qū)動電源要提供足夠的電流以驅(qū)動激光器發(fā)光，同時還可以調(diào)整和控制激光器的輸出光功率。在功率控制部分，采用光電二極管對激光器的輸出功率進行檢測，即由激光器給外部控制電路提供一

7、個激光檢測電流信號，經(jīng)外部電路處理后，通過電壓器控制，調(diào)節(jié)送給驅(qū)動電源，自動調(diào)節(jié)激光器偏置電流，從而達到調(diào)整輸出光功率，使輸出光功率達到穩(wěn)定的目的，使激光器穩(wěn)定工作。 激光器的功率控制電路包括光電檢測電流，檢測信號外部電路和控制電路。光電檢測電路完成由光信號到電信號的轉(zhuǎn)換：檢測信號外部轉(zhuǎn)換電路主要完成由電流信號到電壓信號的轉(zhuǎn)換，控制電路是數(shù)字信號控制激光器的偏置電流的大小。3.功率控制電路的設(shè)計 光電檢測電路：光電檢測電路的轉(zhuǎn)換模式為:由光信號轉(zhuǎn)換為電流信號。在光電檢測電路中，光電轉(zhuǎn)換元件一般采用光電二極管，通過對光電二極管微弱光電流的檢測，來獲取光信息或其它信息(如位移、張力、壓力、溫度等)

8、，其原理是把調(diào)制到光載波上的有用信號解調(diào)出來，實現(xiàn)光信號到電信號的轉(zhuǎn)換。 光電檢測器件的選用：光電二極管作為此系統(tǒng)的光電檢測器件。 光電檢測電路： 檢測信號外部轉(zhuǎn)換電路：激光器給出的光電檢測信號為電流信號，在進行外部處理時需要將其轉(zhuǎn)換為電壓信號，這就要求在檢測外部電路中有電流/電壓轉(zhuǎn)換電路?？煽厥桨雽?dǎo)體激光器自動功率控制部分采用美國xicor公司的 x9313型數(shù)字電位器26，它的輸入信號為數(shù)字信號，所以轉(zhuǎn)換電路中還應(yīng)包含一個模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路，本設(shè)計中采用的是ado809芯片。其中，電流電壓轉(zhuǎn)換：激光器給出的光電檢測信號為電流信號，激光器輸出功率變化lmw時，激光器內(nèi)部光電二極管檢測電流變化10

9、ma，檢測電流信號在進行外部處理時需要將其轉(zhuǎn)換為電壓信號。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路是將光電檢測器的接收電流轉(zhuǎn)換成電壓，通過光電轉(zhuǎn)換接收模塊引出，形成監(jiān)控電流，該電流與光電檢測器的入射光功率成正比。電流/電壓轉(zhuǎn)換電路是將光探測器的接收電流 轉(zhuǎn)換成電壓，通過光電轉(zhuǎn)換接收模塊引出，形成監(jiān)控電流，該電流與光探測器的入射光功率成正比。電壓信號可以經(jīng)由電壓比較器器件轉(zhuǎn)換成控制電壓信號進行控制，但是電流不能直接由a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換。在應(yīng)用中，先將電流轉(zhuǎn)變成電壓信號，然后進行電壓比較。電流/電壓轉(zhuǎn)換在工業(yè)控制中應(yīng)用非常廣泛。電流/電壓轉(zhuǎn)換最簡單的方法是在被測電路中串入精密電阻，通過直接采集電阻兩端的電壓來獲得電流。

10、模數(shù)轉(zhuǎn)換電路：本系統(tǒng)中模數(shù)轉(zhuǎn)換電路采用的芯片是adc0809，它是一種逐次逼近式的a/d轉(zhuǎn)換器，它能分時地對8路模擬信號進行a/d轉(zhuǎn)換，結(jié)果為8位二進制數(shù)據(jù)。adc0809是采用逐次逼近的方法完成a/d轉(zhuǎn)換的。由單一的+5v電源供電，片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選1的模擬開關(guān)，由c、b、a的編碼來決定所選的通道。0809完成一次轉(zhuǎn)換所需的時間為100us，絕對誤差為ilsb，功耗為1.5mw。輸出具有ttl三態(tài)鎖存緩沖器，可直接連到數(shù)據(jù)總線上。通過適當?shù)耐饨与娐罚?809可對05v的模擬信號進行轉(zhuǎn)換?？刂齐娐罚喊雽?dǎo)體激光器給出了兩個管腳為外部控制電路提供一個激光器檢測電流信號，由外部控制電路進行處理控制后送給激光器驅(qū)動電流源，從而達到自動調(diào)整激光器輸出光功率，使其保持穩(wěn)定的目的。五 可能存在的問題及解決的方法1.由于激光器的閾值電流會隨溫度和器件的老化而變化，因此必須采用附加控制措施。可以控制激光器的偏執(zhí)電流，使其自動跟蹤閾值變化。2.光電檢測電路中可能存在噪聲，可以通過電容耦合的方式來消除噪聲。集成運放的失調(diào)電壓和失調(diào)電流也會造成一部分噪聲，雖然失調(diào)電壓和失調(diào)電流能在電路調(diào)整時加以補償，但它們會隨溫度變化產(chǎn)生漂移，在電路輸出端產(chǎn)生噪聲，因此要選擇失調(diào)電壓和失調(diào)電流低的運