【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 進(jìn)行激勵(lì)，在半導(dǎo)體物質(zhì)的能帶之間或能帶與雜質(zhì)能級(jí)之間，通過激發(fā)非平衡載流子而實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生光的受激輻射放大。由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性，以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。常用的半導(dǎo)體材料主要有三類：（1）ⅢAⅤA族化合物半導(dǎo)體，如砷化鎵（GaAs）、磷化銦（InP）等。（2）ⅢBⅥA族化合物半導(dǎo)體，如硫化鎘（CdS）等。（3）ⅣAⅥA族化合物半導(dǎo)體，如碲錫鉛（PbSnTe）等。根據(jù)生成的PN結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同，半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)（單、雙）、量子阱等多種類型。半導(dǎo)體激光器波長(zhǎng)覆蓋范圍一般在近紅外波段（920nm—），且半導(dǎo)體激光器易于與光纖耦合、易于進(jìn)行高速電流調(diào)制，因此廣泛應(yīng)用于光纖通信系統(tǒng)。半導(dǎo)體激光器具有能量轉(zhuǎn)換效率高、超小型化、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用壽命長(zhǎng)（一般可達(dá)到十萬至百萬小時(shí)以上）等優(yōu)點(diǎn)。廣泛應(yīng)用于光纖通信、光存儲(chǔ)、光信息處理、科研、醫(yī)療等領(lǐng)域。本章首先介紹了激光器的基本結(jié)構(gòu)，其主要包括激光工作物質(zhì)、泵浦源和光學(xué)諧振腔三部分。激光工作物質(zhì)是指用來實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)并產(chǎn)生光的受激輻射放大作用體系；泵浦源的作用是對(duì)激光工作物質(zhì)進(jìn)行激勵(lì)，將激活粒子從基態(tài)抽運(yùn)到高能級(jí)，以實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，根據(jù)工作物質(zhì)和激光器運(yùn)轉(zhuǎn)條件的不同，可以采取不同的激勵(lì)方式和激勵(lì)裝置；最簡(jiǎn)單的光學(xué)諧振腔是在激活介質(zhì)兩端恰當(dāng)?shù)姆胖脙蓚€(gè)高反射率的反射鏡構(gòu)成，其中一塊是全反射鏡，將光全部反射回介質(zhì)中繼續(xù)放大，另一塊是部分反射、部分透射的反射鏡，作為輸出鏡，兩個(gè)反射鏡的中心位于激光器的光軸上、且鏡面與光軸垂直。其次本章介紹了半導(dǎo)體激光器，半導(dǎo)體激光器是由激光工作物質(zhì)和光學(xué)諧振腔兩部分組成，由于半導(dǎo)體材料本身物質(zhì)結(jié)構(gòu)的特異性，以及半導(dǎo)體材料中電子運(yùn)動(dòng)規(guī)律的特殊性，使半導(dǎo)體激光器的工作特性有其特殊性。根據(jù)生成的PN結(jié)所用材料和結(jié)構(gòu)的不同，半導(dǎo)體激光器有同質(zhì)結(jié)、異質(zhì)結(jié)（單、雙）、量子阱等多種類型。通過本章的介紹，使我們初步的掌握了激光器的基本結(jié)構(gòu)和半導(dǎo)體激光器。優(yōu)秀畢業(yè)設(shè)計(jì)第三章 幾種常用驅(qū)動(dòng)工作原理及PID溫度補(bǔ)償控制原理半導(dǎo)體激光器作為一種新穎的激光光源，因其體積小、易調(diào)制、可選光譜范圍寬（特別是氣體紅外和近紅外的強(qiáng)吸收帶波段）等特點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于通信、醫(yī)學(xué)和工業(yè)計(jì)量等各種場(chǎng)合。半導(dǎo)體激光器形成激光的必要條件與其他激光器相同，也須滿足粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、閾值增益等條件，而半導(dǎo)體激光器粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布條件是在結(jié)區(qū)導(dǎo)帶底（即上能級(jí)）被電子占據(jù)的概率大于價(jià)帶頂（即下能級(jí)）被電子占據(jù)的概率；激光器產(chǎn)生激光的前提條件除了粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布之外，還需要滿足閾值條件，即必須使增益系數(shù)大于閾值。半導(dǎo)體中的電子與光子間的相互作用有三個(gè)基本過程受激吸收、自發(fā)輻射和受激輻射，但是這三類電子躍遷發(fā)生在半導(dǎo)體材料導(dǎo)帶中的電子態(tài)和價(jià)帶中的空穴之間，而不像原子、分子、離子激光器那樣發(fā)生在兩個(gè)確定的能級(jí)之間。要了解半導(dǎo)體激光器的工作原理，首先要學(xué)習(xí)幾種常用驅(qū)動(dòng)的工作原理及PID溫度補(bǔ)償控制原理，對(duì)此，分別進(jìn)行介紹。 TEC線性驅(qū)動(dòng)的原理光纖光源組件由超輻射發(fā)光管管芯、半導(dǎo)體熱電致冷器(TEC)、負(fù)溫度系數(shù)(NTC)熱敏電阻及尾纖組成。TEC工作原理是以帕爾帖效應(yīng)（當(dāng)電流流過兩種不同導(dǎo)體的界面時(shí)，將從外界吸收熱量，或向外界放出熱量，這就是帕爾帖效應(yīng)）為基礎(chǔ)，當(dāng)電流流過TEC時(shí)，熱量由TEC的一側(cè)傳送到另一側(cè)，表現(xiàn)為其一端致冷，另一端加熱；如果電流的方向反向，則致冷與加熱的兩端也會(huì)反轉(zhuǎn)。熱敏電阻是由電阻溫度系數(shù)大的半導(dǎo)體材料制成的電阻元件，電阻溫度系數(shù)為負(fù)值，在高精度溫度控制時(shí)，溫度變化很小，熱敏電阻工作在線性區(qū)。溫度控制系統(tǒng)通過對(duì)熱敏電阻的監(jiān)測(cè)，自動(dòng)調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)TEC的電流大小和方向，對(duì)光源模塊加熱或致冷，實(shí)現(xiàn)對(duì)光源管芯溫度控制。圖 光源組件結(jié)構(gòu)框圖 PWM驅(qū)動(dòng)的原理脈沖寬度調(diào)制(Pulse Width Modulation PWM)即指將輸出信號(hào)的基本周期固定，通過調(diào)整基本周期內(nèi)工作周期的大小來控制輸出功率。 PWM 功率轉(zhuǎn)換電路示意圖，該電路主要由4個(gè)功率管(圖中為MOSFET)和4個(gè)續(xù)流二極管組成。根據(jù)對(duì)這4個(gè)功率管的工作狀態(tài)(導(dǎo)通、截止)控制方式的不同，PWM控制有不同的模式：受限單極模式、雙極控制模式、受限單極加阻尼控制模式。圖 H 型 PWM 驅(qū)動(dòng)電路在各種 PWM 控制模式下，電壓平衡方程為 () 式中 u 為電機(jī)端電壓；i為電機(jī)電流；R 為電機(jī)等效電阻；L 為電機(jī)電感；ε為電機(jī)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)。在 PWM 控制下，電機(jī)的電壓、電流、感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)都是不斷變化的，但由于 PWM 的頻率足夠高(通常為20kHz以上)，在一個(gè)開關(guān)周期( ≤50μs)內(nèi)各個(gè)參量的變化都很小，因此可以用一個(gè)周期內(nèi)的平均感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)E、平均電流I 和PWM開或關(guān)時(shí)的平均電流變化率分別替代瞬時(shí)感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)ε、瞬時(shí)電流i和瞬時(shí)電流變化率。同時(shí)假設(shè)電機(jī)的平均轉(zhuǎn)矩和負(fù)載轉(zhuǎn)矩相同，即系統(tǒng)工作在宏觀穩(wěn)定狀態(tài)，因此PWM開和關(guān)時(shí)電流的變化量ΔI 相同。另外，在PWM驅(qū)動(dòng)模式下，可能會(huì)出現(xiàn)電流斷續(xù)現(xiàn)象。但理論分析可知，在PWM頻率為20kHz、電機(jī)電感為1mH的條件下，受限單極模式下電流斷續(xù)時(shí)的最大平均電流為堵轉(zhuǎn)電流（將電機(jī)軸固定使其不轉(zhuǎn)動(dòng)，通電，這時(shí)候的電流就是堵轉(zhuǎn)電流）% ，%，都很小。因此文中不對(duì)電流斷續(xù)時(shí)的電機(jī)工作情況進(jìn)行單獨(dú)分析，認(rèn)為斷續(xù)時(shí)電流為0。 受限單極模式受限單極模式是目前廣泛采用的PWM控制模式。此模式下有兩個(gè)控制方向(見圖 )，在一個(gè)方向上，b、c管截止，a管導(dǎo)通，d管在PWM控制下導(dǎo)通或截止(或d管導(dǎo)通，a管由PWM控制)；在另一個(gè)方向上，a、d管截止，b管導(dǎo)通，c管由PWM控制(或c管導(dǎo)通，b管由PWM控制)。由于受限單極模式的兩個(gè)控制方向完全對(duì)稱,因此只分析一個(gè)方向上電路的工作情況,并規(guī)定此時(shí)電壓和電流的方向?yàn)檎?。受限單極模式下電機(jī)電壓u表達(dá)式: ()式中Us 為蓄電池電壓：t 為時(shí)間；α為占空比；T 為PWM周期。將式()帶入式()，并考慮上述假設(shè)，得: () 可解得 E 和 的關(guān)系為 ()將式()中的占空比看作常數(shù)，可得不同占空比下電流和感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)之間的關(guān)系。 雙極控制模式雙極模式下，a、d為一組，b、c為一組；同一組中的兩個(gè)功率管同時(shí)導(dǎo)通、同時(shí)截止，第二組功率管在PWM控制下交替導(dǎo)通和截止，即一種情況下，b、c管導(dǎo)通，在PWM控制下a管導(dǎo)通，d管截止(或在PWM控制下d管導(dǎo)通，a管截止)；在另一種情況下，b、c管截止，在PWM控制下a管導(dǎo)通，d管截止(或在PWM控制下d管導(dǎo)通，a管截止)。雙極PWM控制可以使電機(jī)的工作范圍布滿4個(gè)象限,采用這種控制方式，轉(zhuǎn)向回正過程易于控制且穩(wěn)定。但雙極控制模式的最大缺點(diǎn)是同側(cè)對(duì)管狀態(tài)切換時(shí)存在同時(shí)導(dǎo)通(即短路)的可能，需要在切換時(shí)加入延時(shí)，這會(huì)使系統(tǒng)實(shí)際工作特性和理論分析有差別，也使得電路復(fù)雜，可靠性降低 。因此，這種控制方式實(shí)際應(yīng)用的不多，也不適用于對(duì)可靠性要求很高的EPS系統(tǒng)。 受限單極模式加阻尼控制文獻(xiàn)在受限單極模式的基礎(chǔ)上，增加了一種阻尼控制模式，即有兩個(gè)控制方向，在一個(gè)方向上，b、c管截止，a管導(dǎo)通，d管在PWM控制下導(dǎo)通或截止(或d管導(dǎo)通，a管由PWM控制)；在另一個(gè)方向上，a、d管截止，b管導(dǎo)通，c管由PWM控制(或c管導(dǎo)通，b管由PWM控制)。在這兩個(gè)控制方向上增加了一種阻尼控制模式，這種控制方式也能使電機(jī)工作于回饋制動(dòng)狀態(tài)，但在控制過程中需要在兩種狀態(tài)之間進(jìn)行切換，在電流過零時(shí)還需對(duì)占空比進(jìn)行調(diào)整，因而該控制方法實(shí)現(xiàn)起來較復(fù)雜。因此，對(duì)受限單極模式加阻尼