【正文】 的粒子數(shù)反轉，當處于粒子數(shù)反轉狀態(tài)的大量電子與空穴復合時，便產生受激發(fā)射作用。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型二極管，沿正向偏壓注入電流進行激勵，在結平面區(qū)域產生受激發(fā)射。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結構的電注入式 GaAs 二極管激光器。夾著結區(qū)的 p區(qū)與 n區(qū)做成層狀，結區(qū)厚為幾十微米，面積約小于 1mm2。將電子從能量較低的價帶激發(fā)到能量較高的導帶中去。 (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膜，而出光面鍍上減反膜。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，粒子數(shù)反轉程度越高，得到的增益就越大，即要求必須滿足一定的電流閥值條件。 **********大學畢業(yè)設計（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。 圖 半導體激光器輸出功率與溫度的關系曲線圖 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。一般 InGaAsP 的激光器， T0 =50～ 80K； A1GaAs/GaAs 的激光器， T0 =100～150K。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%。當外加正向電流達到某一數(shù)值時，輸出光功率急劇增加，這時將產生激光振蕩，這個電流稱為閾值電流，用 Ith 表示。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。 （ 3）與半導體材料結型有關，異質結閾值電流比同質結低得多。現(xiàn)在已用雙異質結制成在室溫下能連續(xù)輸出幾十毫瓦的半導體激光器。 100K 以上，閾值隨 T 的三次方增加。 **********大學畢業(yè)設計（論文） 第 9 頁 共 30 頁 圖 半導體激光器閾值和溫度 T 的關系 效率 （ 1） 量子效率η＝每秒發(fā)射的光子數(shù)／每秒到達結區(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。 方向性 由于半導體激光器的諧振腔短小，激光方向性較差，在結的垂直平面內，發(fā)散角最大，可達 20176。；在結的水平面內約為 10176。 光譜特性 由于半導體材料的特殊電子結構 ，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。 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。 光電二極管的監(jiān)測電流經差分放大后變成一個電壓量，經高精度 A/D 轉換器采樣量化后送入單片機，與單片機內監(jiān)測電壓參考值（在設定功率條件下，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定值）之間作差，產生電壓的偏差信號，再對偏差信號進行PID 運算，運算結果經 D/A 轉換及電壓－電流 （ VI）變換后，驅動 LD發(fā)光。 單片機閉環(huán)控制系統(tǒng)框圖，如圖 , 所示 圖 LD閉環(huán)控制驅動電路框圖 AT89C51 硬件結構及引腳 **********大學畢業(yè)設計（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 所示： 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。管腳說明： （ 1） P0 口： P0口為一個 8位漏級開路雙向 I/O 口，每腳可吸收 8TTL 門電流。在 FIASH 編程時， P0 口作為原碼輸入口，當 FIASH 進行校驗時， P0輸出原碼，此時 P0 外部必須被拉高。 P1口管腳寫入 1后，被內部上拉為高，可用作輸入， P1 口被外部下拉為低電平時，將輸出電流，這是由于內部上拉的緣故。 （ 3） P2 口： P2口為一個內部上拉電阻的 8位雙向 I/O 口， P2口緩沖器可接收，輸出4個 TTL 門電流，當 P2 口被寫 “1” 時，其管腳被內部上拉電阻拉高，且作為輸入。當 P3 口寫入 “1” 后，它們被內部上拉為高電平，并用作輸入。 P3 口也可作為 AT89C51的一些特殊功能口 。 （ 7） XTAL2：來自反向振蕩器的輸出。 （ 9） /EA/VPP：當 /EA 保持低電平時，則在此期間外部程序存儲器（ 0000HFFFFH），不管是否有內部程序存儲器。在由外部程序存儲器取指期間，每個機器周期兩次 /PSEN 有效。 激光二極管參數(shù)與選擇 常見激光二極管封裝有兩種形式：共陰極與共陽極型（圖 a）。 本課題，我們采用的 655nm 紅光激光二極管，封裝形式為共陽極（ LD 的正極與 PD 的負極連接在一起），其最大輸出光功率為 30mw，閾值電流為 40mA（ 250C），工作電流最大110mA， 光電二極管（ PD）的監(jiān)測電流 Im與激光器的輸出功率 P0在溫度不變的情況下成線性關系（圖 b），這為后面控制電路的設計提供了依據。 轉換器的片選信號、時鐘線及數(shù)據線直接同單片機的用戶口 P1 相連。 14 位轉換器可把 量程的電壓量化成 2 14 份，所以調整差分放大器的增益使其輸出電壓最大值達到 A/D轉換器的滿量程電壓，則理論上對于 光功率變化 1/12 14 均可檢測到，即該驅動電路可以檢測到 %的激光器光功率變化，進而可在單片機中進行調節(jié)。 電壓 /電流轉換 由于上述 D/A 轉換器的輸出無緩沖，故采用運放與場效應管組成的共源放大電路。 圖 電壓 /電流轉換電路 上圖 電路 圖 中 V1 為 D/A 的輸出電壓，場效應管的漏極 源極的電流（即 LD 的驅動電流）為： ) 11(1 kRVI sDS ???? 由上述可見，驅動電流由 V1及小電阻 Rs 決定。由于 LD正常工作時，其壓降為 2V 左右，所以這樣設計驅動電流最大值不會超過 100mA，對 LD 可以起到保護作用。由上式可見，最大驅動電流可以通過調節(jié) Rs的大小來得到，設計靈活性較大 。 差分放大模塊 監(jiān)測電流很小，尤其當激光器輸出功率 10mW 時。 因此在設計中應該消除或減小環(huán)境溫度對 A/D 轉換器輸入的影響。 放大器采用 TI公司的高輸入阻抗精密差分放大器 INA114。放大器的輸出電壓可由下式計算： V0=(IrefIm)R(1+50k/R g) 此外， 單片機系統(tǒng)擴展了 8K外部 RAM， 電路中單片機與計算機間通過 RS232 串行口進行通信，采用的 RS232 收發(fā)器為 MAX3232。存儲器中存放一些設定參數(shù)以及暫存 PID 運算的中間結果 **********大學畢業(yè)設計（論文） 第 16 頁 共 30 頁 4 軟件設計 編程語言的選擇 匯編語言 匯編語言（ Assembly Language）是面向機器的程序設計語言。使用匯編語言編寫的程序，機器不能直接識別，還要由匯編程序或者叫匯編 語言編譯器轉換成機器指令。因此，有時候人們也把匯編語言稱為組合語言。 使用匯編語言必須對某種處理器非常了解，而且只能針對特定的體系結構和處理器進行優(yōu)化，要求編程者具有較高的專業(yè)水平。 （ 2) C 語言的特點 C語言具有以下特點： ①語言簡潔，使用方便靈活。 C 語言的編譯程序便于移植，從而使在一種機器上使用的 C語言程序，可以不加修改或稍加修改即可方便地移植到另一種機器上去。具有豐富地數(shù)據結構類型和多種運算符，可以實現(xiàn)各種復雜數(shù)據結構地運算。 ⑤可以進行結構化程序設計。 ⑦生成的目標代碼質量高。 所以對于 PID 算法、中值濾波程序以及主程序采用 C語言編寫。 實際上 C語言程序與匯編語言程序的相互調用可視為函數(shù)的調用，只不過此時函數(shù)采用不同語言編寫的而已。 當 C語言程序與匯編語言程序需要相互調用，并且參數(shù)的傳遞發(fā)生在參數(shù)傳遞段時 ，如果傳遞的參數(shù)是 char、 int、 long 和 float 類型的數(shù)據，則參數(shù)傳遞段的首地址將由“？functionname？ BYTE”的公共符號（ PUBLIC）確定，傳遞的參數(shù)是 bit 類型的數(shù)據時，參數(shù)傳遞段的首地址由“？ func