【正文】 半導體激光器簡介 半導體激光器是以一定的半導體材料做工作物質(zhì)而產(chǎn)生受激發(fā)射作用的器件 。 1954年制成了第一臺微波量子放大器，獲得了高度相干的微波束。 1958 年 把微波量子放大器原理推廣應用到光頻范圍，并指出了產(chǎn)生激光的方法。 1960 年 曼等人制成了第一臺紅寶石激 光器。 1961年 。 1962年 .霍耳等人創(chuàng)制了砷化鎵半導體激光器 被成功激發(fā) 。 在 1970 年實現(xiàn)室溫下連續(xù)輸出。后來經(jīng)過改良，開發(fā)出雙異質(zhì)接合型 激光 及條紋型構(gòu)造的激光二極管等 ，廣泛使用于光纖通信、光盤、激光打印機、激光掃描器、激光指示器（激光筆），是目前生產(chǎn)量最大的激光器 。 半導體激光器工作原理是通過一定的激勵方式，在半導體物質(zhì)的能帶（導帶與價帶）之間，或者半導體物質(zhì)的能帶與雜質(zhì)（受主或施主）能級之間，實現(xiàn)非平衡載流子的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn) 生受激發(fā)射作用。 圖 半導體激光器 PI的關(guān)系曲線圖 半導體激光器的激勵方式主要有三種，即電注入式，光泵式和高能電子束激勵式。電注入式半導體激光器，一般是由砷化鎵（ GaAs）、硫化鎘（ CdS）、磷化銦 (InP)、硫化鋅 (ZnS)等等材料制成的半導體面結(jié)型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結(jié)平面區(qū)域產(chǎn)生受激發(fā)射。光泵式半導體激光器，一般用 N型或 P型半導體單晶（如 GaAS,InAs,InSb 等）做工作物質(zhì)，以其他激光器發(fā)出的激光作光泵激勵 .高能電子束激勵式半導體激光器，一般也是用 N型或者 P型半導 體單晶 (如 PbS,CdS,ZhO 等 )做工作物質(zhì)，通過由外部注入高能電子束進行激勵。在半導體激光器件中，目前性能較好，應用較廣的是具有雙異質(zhì)結(jié)構(gòu)的電注入式 GaAs二極管激光器。 **********大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 6 頁 共 30 頁 半導體激光器結(jié)構(gòu) 半導體激光器的外形及大小與小功率半導體三極管差不多，僅在外殼上多一個激光輸出窗口。夾著結(jié)區(qū)的 p 區(qū)與 n區(qū)做成層狀，結(jié)區(qū)厚為幾十微米，面積約小于 1mm2。 圖 半導體激光器結(jié)構(gòu)示意圖 激光產(chǎn)生條件 半導體激光器是一種相干輻射 光源，要使它能產(chǎn)生激光，必須具備三個基本條件： (1)增益條件：建立起激射媒質(zhì) (有源區(qū) )內(nèi)載流子的反轉(zhuǎn)分布，在半導體中代表電子能量的是由一系列接近于連續(xù)的能級所組成的能帶，因此在半導體中要實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，必須在兩個能帶區(qū)域之間，處在高能態(tài)導帶底的電子數(shù)比處在低能態(tài)價帶頂?shù)目昭〝?shù)大很多，這靠給同質(zhì)結(jié)或異質(zhì)結(jié)加正向偏壓，向有源層內(nèi)注人必要的載流子來實現(xiàn)。將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導帶中去。當處于粒子數(shù)反轉(zhuǎn)狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產(chǎn)生受激發(fā)射作用。 (2)要實際獲得相干受激輻射，必須使受激輻 射在光學諧振腔內(nèi)得到多次反饋而形成激光振蕩，激光器的諧振腔是由半導體晶體的自然解理面作為反射鏡形成的，通常在不出光的那一端鍍上高反多層介質(zhì)膜，而出光面鍍上減反膜。 (3)為了形成穩(wěn)定振蕩，激光媒質(zhì)必須能提供足夠大的增益，以彌補諧振腔引起的光損耗及從腔面的激光輸出等引起的損耗，不斷增加腔內(nèi)的光場。這就必須要有足夠強的電流注入，即有足夠的粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，粒子數(shù)反轉(zhuǎn)程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。當激光器達到閥值時，具有特定波長的光就能在腔內(nèi)諧振并被放大，最后形成激光而連續(xù)地輸出。 **********大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 7 頁 共 30 頁 影響 半導體激光器工作的因素 影響半導體激光器工作的因素有很多，但決定半導體激光器輸出的主要因素是半導體材料、溫度及閾值電流。 半導體材料 半導體激光器件的工作波長是和制作器件所用的半導體材料的種類相關(guān)的。半導體材料中存在著導帶和價帶，導帶上面可以讓電子自由運動，而價帶下面可以讓空穴自由運動，導帶和價帶之間隔著一條禁帶，當電子吸收了光的能量從價帶跳躍到導帶中去時，就把光的能量變成了電，而帶有電能的電子從導帶跳回價帶，又可以把電的能量變成光，這時材料禁帶的寬度就決定了光電器件的工作波長 。 半導體激光器的工作溫度 半導體激光器對溫度很敏感，其輸出功率隨溫度變化而變化。 圖 半導體激光器輸出功率與溫度的關(guān)系曲線圖 溫度變化將改變激光器的輸出光功率，有兩個原因： 一是激光器的閾值電流隨溫度升高而增大。溫度對閾值電流的影響，可用下式描述 ： 0/0 TTth eII ?**********大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 8 頁 共 30 頁 式中， I0表示室溫下的閾值電流， T表示溫度， T0稱為特征溫度（表示激光器對溫度的敏感程度）。一般 InGaAsP 的激光器， T0 =50～ 80K； A1GaAs/GaAs的激光器， T0 =100～150K。 二是外微分量子效率隨溫 度升高而減小。如 GaAs激光器，絕對溫度 77K時， η d約為50%；當絕對溫度升高到 300K時 , η d只有約 30%。 閾值電流 半導體激光器的輸出光功率通常用 PI曲線表示。當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產(chǎn)生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用 Ith 表示。 當注入 pn結(jié)的電流較低時，只有自發(fā)輻射產(chǎn)生，隨電流值的增大增益也增大，達閾值電流時， pn結(jié)產(chǎn)生激光。影響閾值的幾個因素： 圖 半導體激光器的光功率特性曲線圖 （ 1）晶體的摻雜濃度越大， 閾值越小。 （ 2）諧振腔的損耗小，如增大反射率，閾值就低。 （ 3）與半導體材料結(jié)型有關(guān)，異質(zhì)結(jié)閾值電流比同質(zhì)結(jié)低得多。目前，室溫下同質(zhì)結(jié)的閾值電流大于 30000A/cm2；單異質(zhì)結(jié)約為 8000A/cm2；雙異質(zhì)結(jié)約為 1600A/cm2。現(xiàn)在已用雙異質(zhì)結(jié)制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導體激光器。 （ 4）溫度愈高，閾值越高。 100K 以上，閾值隨 T 的三次方增加。因此，半導體激光器最好在低溫和室溫下工作。 **********大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 9 頁 共 30 頁 圖 半導體激光器閾值和溫度 T 的關(guān)系 半導體 激光器的工作特性 效率 （ 1）量子效率η＝每秒發(fā)射的光子數(shù)／每秒到達結(jié)區(qū)的電子空穴對數(shù) 77K時， GaAs激光器量子效率達 70％－ 80％； 300K時，降到 30％左右。 （ 2）功率效率η 1＝輻射的光功率／加在激光器上的電功率 由于各種損耗，目前的雙異質(zhì)結(jié)器件，室溫時的η 1最高 10％，只有在低溫下才能達到 30％－ 40％。 方向性 由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結(jié)的垂直平面內(nèi)，發(fā)散角最大，可達 20176。 30176。；在結(jié)的水平面內(nèi)約為 10176。左右。 光譜特性 由于半導體材料的特殊電子結(jié)構(gòu)，受激復合輻射發(fā)生在能帶（導帶與價帶）之間，所以激光線寬較寬， GaAs 激光器，室溫下譜線寬度約為幾納米，可見其單色性較差。 **********大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 10 頁 共 30 頁 圖 低于閾值時的熒光光譜 注入電流達到或大于閾值時的激光光譜 伏安特性 半導體激光器的伏安特性與一般二極管相同，也具有單向?qū)щ娦?，如圖所示。 圖 激光器的伏安特性曲線圖 激光器系正向運用，其電阻主要取決于 晶體電阻和接觸電阻，雖然阻值不大，但因工作電流大，不能忽視它的影響。 **********大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 11 頁 共 30 頁 3 硬件設(shè)計 系統(tǒng)的組成 LD 激光器的光功率控制是通過光電二極管檢測 LD 的背光光功率從而進行控制來實現(xiàn)的。 光電二極管的監(jiān)測電流經(jīng)差分放大后變成一個電壓量，經(jīng)高精度 A/D 轉(zhuǎn)換器采樣量化后送入單片機，與單片機內(nèi)監(jiān)測電壓參考值（在設(shè)定功率條件下，監(jiān)測電流差分放大成的電壓量的數(shù)字表示，也即是在電路參數(shù)不變的情況下，一個確定的監(jiān)測電壓參考值對應一個確定的激光器輸出光功率設(shè)定值）之間作差，產(chǎn)生電壓的偏差信號，再對偏差信 號進行PID運算，運算結(jié)果經(jīng) D/A轉(zhuǎn)換及電壓－電流（ VI）變換后，驅(qū)動 LD發(fā)光。 PID調(diào)節(jié)是為了使激光器輸出功率穩(wěn)定、精度準確。 單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，如圖 , 圖 LD閉環(huán)控制驅(qū)動電路框圖 控制元件簡介 AT89C51 硬件結(jié)構(gòu)及引腳 **********大學畢業(yè)設(shè)計（論文） 第 12 頁 共 30 頁 AT89C51系列單片機有 4種型號： AT89C51,AT89C52,AT89C1051,AT89C2051,我這里所使用的是 AT89C51系列單片機，如圖 ： 圖 單片機 AT89C51引腳圖 AT89C51引腳圖 除程序存儲器由 FPEROM取代了 87C51的 EPROM外，其余部分完全相同。89C51的引腳與 87C51的引腳完