【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 電作用。同時(shí)，價(jià)帶中失掉一個(gè)電子，則相當(dāng)于出現(xiàn)一個(gè)帶正電的空穴，這種空穴在外電場(chǎng)的作用下，也能起導(dǎo)電作用。因此，價(jià)帶中空穴和導(dǎo)帶中的電子都有導(dǎo)電作用，統(tǒng)稱為載流子。 2. 摻雜半導(dǎo)體與 pn結(jié)。沒(méi)有雜質(zhì)的純凈半導(dǎo)體，稱為本征半導(dǎo)體。如果在本征半導(dǎo)體中摻入雜質(zhì)原子，則在導(dǎo)帶之下和價(jià)帶之上形成了雜質(zhì)能級(jí)，分別稱為施主能級(jí)和受主能級(jí)。有施主 能級(jí)的半導(dǎo)體稱為 n型半導(dǎo)體；有受主能級(jí)的半導(dǎo)體稱這 p 型半導(dǎo)體。在常溫下，熱能使 n 型半導(dǎo)體的大部分施主原子被離化，其中電子被激發(fā)到導(dǎo)帶上，成為自由電子。而 p型半導(dǎo)體的大部分受主原子則俘獲了價(jià)帶中的電子，在價(jià)帶中形成空穴。因此， n 型半導(dǎo)體主要由導(dǎo)帶中的電子導(dǎo)電； p型半導(dǎo) 體主要由價(jià)帶中的空穴導(dǎo)電。 半導(dǎo)體激光器中所用半導(dǎo)體材料，摻雜濃度較大。 在一塊半導(dǎo)體材料中，從 p型區(qū)到 n型區(qū)突然變化的區(qū)域稱為 pn 結(jié)。其交界面處將形成一個(gè)空間電荷區(qū)。 n型半導(dǎo)體帶中電子要向 p 區(qū)擴(kuò)散，而 p 型半導(dǎo)體價(jià)帶中的空穴要向 n 區(qū)擴(kuò)散。這樣一來(lái) ，結(jié)構(gòu)附近的 n型區(qū)由于是施主而帶正電，結(jié)區(qū)附近的 p 型區(qū)由于是受主而帶負(fù)電。在交界面處形成一個(gè)由 n區(qū)指向 p區(qū)的電場(chǎng)，稱為自建電場(chǎng)。此電場(chǎng)會(huì)阻止電子和空穴的繼續(xù)擴(kuò)散。 3. pn結(jié)電注入激發(fā)機(jī)理。若在形成了 pn結(jié)的半導(dǎo)體材料上加上正向偏壓， p 區(qū)接正極， n區(qū)接負(fù)極。顯然，正向電壓的電場(chǎng)與 pn 結(jié)的自建電場(chǎng)方向相反，它削弱了自建電場(chǎng)對(duì)晶體中電子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的阻礙作用，使 n區(qū)中的自由電子在正向電壓的作用下，又源源不斷地通過(guò) pn結(jié)向 p區(qū)擴(kuò)散，在結(jié)區(qū)內(nèi)同時(shí)存在著大量導(dǎo)帶中的電子和價(jià)帶中的空穴時(shí)，它們將在注入?yún)^(qū)產(chǎn)生復(fù)合， 當(dāng)導(dǎo)帶中的電子躍遷到價(jià)帶時(shí)，多余的能量就以光的形式發(fā)射出來(lái)。這就是半導(dǎo)體場(chǎng)致發(fā)光的機(jī)理，這種自發(fā)復(fù)合的發(fā)光稱為自發(fā)輻射。要使 pn 結(jié)產(chǎn)生激光，必須在結(jié)構(gòu)內(nèi)形成粒子反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，需使用重?fù)诫s的半導(dǎo)體材料，要求注入 pn結(jié)的電流足夠大（如 30000A/cm2）。這樣在 pn 結(jié)的局部區(qū)域內(nèi)，就 能形成導(dǎo)帶中的電子多于價(jià)帶中空穴數(shù)的反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)，從而產(chǎn)生受激復(fù)合輻射而發(fā)出激光。 4. 半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)。其外形及大小與小功率半導(dǎo)體三極管差不多，僅在外殼上多一個(gè)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 。 半導(dǎo)體激光器的光學(xué)諧振腔是利用與 pn結(jié)平面相垂直的自然解理面（ 110 面）構(gòu)成，已足以引起激光振蕩。若需增加反射率可在晶面上鍍一層二氧化硅，再鍍一層金屬銀膜，可獲得 95%以上的反射率。一旦半導(dǎo)體激光器上加上正向偏壓時(shí)，在結(jié)區(qū)就發(fā)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)而進(jìn)行復(fù)合。 半導(dǎo)體激光器的選型 型號(hào)： DB63553(5) 外形尺寸： Ф16179。45mm 輸出波長(zhǎng)： 635nm 工作電壓： DC 3V 或 5V 工作電流： ≤70mA 光束發(fā)散度： 出瞳孔徑： Ф7mm 出瞳功率： 3mW 工作距離： 10m(可調(diào)焦距 ) 光學(xué)系統(tǒng)：光學(xué)鍍膜玻璃透鏡 光斑形狀： 點(diǎn)狀光斑 導(dǎo)線： 2179。100mm( 或者插頭線 ) 工作溫度： 10℃ ～ +40℃ 存儲(chǔ)溫度： 40℃ ～ +80℃ 使用壽命： ≥5000 小時(shí) 可選附件： LPS LPS LPS5 激光器專用電 源 四象限探測(cè)器及其處理電路 光電探測(cè)器是一種用來(lái)探測(cè)光輻射的器件。它通過(guò)把光輻射轉(zhuǎn)換成易于測(cè)量的電學(xué)量來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)光輻射的測(cè)量。當(dāng)光輻射到光電材料上時(shí)，光學(xué)材料發(fā)射電子或其電導(dǎo)率發(fā)生變化，或產(chǎn)生感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)，這種現(xiàn)象稱為光電效應(yīng)。光電效應(yīng)實(shí)際上是入射光輻射與物質(zhì)中束縛 于晶格中的電子或自由電子的相互作用所引起的。按是否發(fā)射電子，光電效應(yīng)分為內(nèi)光電效應(yīng)和外光電效應(yīng)。內(nèi)光電效應(yīng)包括電導(dǎo)效應(yīng)、光伏效應(yīng)、光子牽引效應(yīng)和光磁效應(yīng)等。在光輻射作用下，材料發(fā)射電子的現(xiàn)象稱為外光電效應(yīng)。 在探測(cè)過(guò)程中，光電探測(cè)器的作用是發(fā)現(xiàn)信號(hào)、測(cè)量信號(hào)，并為隨后的應(yīng)用提供必要的信息，本設(shè)計(jì)選用的是四象限光電探測(cè)器。 四象限探測(cè)器工作原理 四象限探測(cè)器是根據(jù)光波強(qiáng)度檢測(cè)理論，使用光電探測(cè)器將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流或電壓信號(hào)，在實(shí)際的光纖傳感技術(shù)中，由于傳輸?shù)男盘?hào)一般較弱，通常還要送到前置放大器中進(jìn) 行處理。當(dāng)入射光照的感光面位置不同，所得的電信號(hào)也不同，從輸出的電信號(hào)我們可以確定入射點(diǎn)在感光面的位置 [12]。 一維工作原理如圖所示： 圖 一維工作原理 光入射到 M點(diǎn)，當(dāng)光敏面表面理想均勻，則阻值與長(zhǎng)度成正比，從而有： I1／ I=（ 2LX）／ 2L ⑴ I2／ I=X2L ⑵ 由（ 1），（ 2）得： X=LL（ I1I2）／（ I1+I2） ⑶ 當(dāng)以中心為原點(diǎn)，則 M的坐標(biāo)為： X=L（ I1I2）／（ I1+I2） ⑷ 一般為： X=K（ I1I2）／（ I1+I2） ⑸ K是與材料有關(guān)的常數(shù)。 同樣可得二維時(shí)： X=K（ I1I2）／（ I1+I2） ⑹ Y=Kˊ（ I3I4）／（ I3+I4） ⑺ 而四象限就是在同一個(gè)芯片上做出四個(gè)探測(cè)器，這四個(gè)探測(cè)器具有相同的基本參數(shù)，并分別稱為 A， B， C， D 四個(gè)象限，四象限探測(cè)器就是通過(guò)測(cè)量來(lái)自激光束的光斑中心的位置變化來(lái)確定光斑在 X， Y兩個(gè)方向上的偏移量 。 如圖所示： 圖 四象限探測(cè)器與光斑 每個(gè)象限相當(dāng)于一個(gè)光電管，當(dāng)激光垂直入射時(shí)，經(jīng)聚焦的光斑照在四象限的中心位置上，四個(gè)區(qū)域因受光照的面積相同，輸出相同的光電流。當(dāng)光目標(biāo)上下移動(dòng)時(shí)，圓形光斑的位置就在四象限光敏面上有相應(yīng)的偏移，四個(gè)探測(cè)器因受照光的面積不同而輸出不相等的光電流。設(shè)四個(gè)光電管產(chǎn)生的電信號(hào)分別為： I I I I4，則光斑的偏移量（Δ x、Δ y）、相對(duì)功率 P可用下列公式 表示 其中，∑I=I1+I2+I3+I4， k 是標(biāo)定系數(shù)， s是探測(cè)器的相應(yīng)度。 K 和四象限探測(cè)器的孔徑大小有關(guān)，在實(shí)際系統(tǒng)中， K的選取應(yīng)使 X， Y的最大值處在四象限探測(cè)器的邊緣。利用四象限加減法得到的光斑的偏移 量與光斑中心實(shí)際位置并非成完全的線形關(guān)系，其線形程度與光斑的大小關(guān)，光斑的增大使的光斑的位置偏移量與光斑中心的實(shí)際位置曲線斜率變緩，但其線形區(qū)域較寬。綜合各種因素考慮，當(dāng)四象限光敏面的半徑為 R，光斑半徑為r時(shí)，應(yīng)取 r=R/2[13]。 高精度放大器 傳感器的輸出信號(hào)是弱電流信號(hào)，因此設(shè)計(jì)了電流輸入型前置放大器進(jìn)行放 。 其原理如圖所示： 圖 電路應(yīng)用了電流 電壓轉(zhuǎn)換原理，并選用高精度放大器件，較好地解決了傳感器暗電流的 影響。處理后的信號(hào)就可以經(jīng)過(guò) A/D 轉(zhuǎn)換、處理器、 D/A 轉(zhuǎn)換。計(jì)算機(jī)把四路信號(hào) II I I4換算成位置信號(hào) x、 y 和功率信號(hào) P，這三路信號(hào)經(jīng) D/A 轉(zhuǎn)換送出 [14]。 本設(shè)計(jì)所選用的四象限探測(cè)器 在本設(shè)計(jì)中選用的四象限探測(cè)器是 QP50— 6SD，它是把四象限探測(cè)器和電流電壓轉(zhuǎn)化及放大電路做在一塊版子上，使用時(shí)直接可以把 X， Y 和光電流的功率 P 這三路信號(hào)由數(shù)據(jù)采集卡和計(jì)算機(jī)連接，不需要再進(jìn)行信號(hào)放大處理 [15]。 實(shí)物圖如下： 圖 QP50— 6SD 內(nèi)部電路圖如下： 圖 QP50— 6SD結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖 在 QP50— 6SD中所用的放大器是 BB公司生產(chǎn)的 OPA4131NJ[16]。 管腳圖如下： 圖 OPA4131NJ管腳圖 QP50— 6SD 工作參數(shù) [17]： 工作電壓： 177。 177。 18V 此探測(cè)器有 PAD1， PAD2， PAD3， PAD4， PAD5， PAD6， PAD7 共七路信號(hào)輸入輸出。其中： PAD1 加偏置電壓，實(shí)驗(yàn)時(shí)選擇 +5V。 PAD2 為（ V3+V4）－（ V1+V2）的輸出 PAD3 為（ V2+V3）－（ V1+V4）的輸出 PAD4 為（ V1+V2+V3+V4）的輸 PAD5 加 +15V PAD6 接地 PAD7 加－ 15V 工作電壓 Vs：最小177。 。最大177。 18V；推薦電壓：177。 15V 偏置電壓： 0— +Vs. 加在 Pad1. 最大輸出電壓： +Vs3V。 Vs+3V 工作溫度： 0— 70℃ 注意：不能給 Pad加負(fù)電壓。 當(dāng)光束照四象限探測(cè)器，每一個(gè)獨(dú)立的信號(hào)區(qū)都會(huì)產(chǎn)生電流 [18]。由于探測(cè)器是單塊集成電路，每一個(gè)象限的反應(yīng)都是相同的。通過(guò)比較產(chǎn)生的電流，我們能夠決定光束