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1、激光技术及其应用发展华中科技大学 孟悦一 题目来源自从 1960 年发现激光以来，激光器件、激光技术及其应用均以极快的速度发展，目前几乎已渗透到所有的学科和应用领域。激光器作为一种优越的辐射源，更是被广泛地使用。目前已研制成功的激光器达数百种，输出波长范围从近紫外一直到远红外，辐射功率从几毫瓦乃至上万瓦。激光器按工作物质可以分为：气体激光器、固体激光器、染料激光器和半导体激光器等。 随着半导体技术的日趋成熟，半导体激光器以其转换效率高、体积小、重量轻、可靠性高、能直接调制等特点，在科研、工业、军事、医疗等领域得到了日益广泛的应用。目前半导体激光器在光电子领域中的位置和发展趋势，正像电子技术领域
2、中，当年由电子管向晶体管和集成电路发展、转化那样，已经起着其它激光器不可取代的地位。但在实际使用中存在的主要问题之一是激光器的输出功率不稳定，而且瞬态电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器，近些年来，有不少科研单位从事这一方面的研究。随着计算机技术的发展，基于微型计算机的数字化控制能够有效地解决半导体激光器的准确、稳定和可靠性问题。二 研究目的和意义本课题是为了通过光电探测器采样激光光功率，再通过反馈控制算法实现驱动电流的控制，使得激光器输出稳定的光功率。半导体激光器是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,对于电冲击和工作温度变化的承受能力很差,静电、高压、涌浪电流以及电网冲击等都会对半
3、导体激光器造成永久性损坏,直接危及激光器的安全使用及整个通信系统的稳定工作。同时半导体激光器对温度很敏感,环境温度的波动不仅能引起供给电流的波动,还会使激光器的阈值电流、量子效率、输出波长和输出功率发生很大的变化,影响输出激光性能,甚至缩短半导体激光器的使用寿命。因此,半导体激光器电源及可控技术的研究对获得高可靠性激光器来说尤为重要。三 国内外研究现状和发展趋势自 1947 年晶体管发明之后，半导体成为蓬勃发展的领域。1961 年，美国的 RCA,MIT 的林肯实验室，IBM,GE 等实验室都开展了半导体激光器研究。1962 年秋天，GE、IBM 和林肯实验室相继在一个月内成功地制造了砷化镓半
4、导体激光器。1967 年，贝尔实验室的潘希年和海亚西提出了在砷化镓中掺铝的方案，他们在 1970 年成功地研制出第一个在室温下连续运行的 AlGaAs 半导体激光器。伺候，经历了 30 多年的发展，半导体激光器结构由早期的同质结，经历了单异质结，双异质结，量子阱，应变量子阱，直到今天正在发展的自组装量子点和量子级联的单极性结构。目前半导体激光器的可靠性寿命已达数百万小时，波长覆盖从红外到近紫外波段，连续输出功率从若干毫瓦达到百瓦水平。半导体激光器发展到今天在诸多领域中，如光纤通信，光盘存储，全色显示，激光医疗，以及军事领域中的激光武器，测距，制导等方面得到广泛的应用。可以说，半导体激光器发展速
5、度之快，应用范围之广，发展潜力之大事目前任何其他激光器所无法比拟的。激光技术发展到今天，已经形成了一个产业。美国，日本，德国三个国家激光产业的发展代表了当今世界激光产业的发展趋势。美国在 500瓦以下的中、小功率激光器方面占优势，德国在 500 瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占优势，而小功率半导体激光器则是日本占优势，占世界市场的 70%以上。这表明各个国家的发展都与他们自己的工业基础有关。美国由于在基础理论研究和工业发展的支持体系方面的强势，使它在世界激光产业的产品研发方面走在世界的前列。而日本在以制造技术为基础的半导体产业方面的优势，使它在半导体激光器世界市场上占有较大的份额。四 主
6、要研究内容与方法1.半导体激光器的功率特性半导体激光器的一个重要特性是功率-电流特性，也称作 P-I 特性，如上图所示。P 表示激光器输出的光功率，I 表示激光器的注入电流。P-I特性既是激光器的输出光功率随注入电流的变化情况。由图可见，当激光器的注入电流逐渐增加时，输出光功率也逐渐增加。当注入电流增大到某一值时，输出光功率急剧增加，并且发光特性也会发生很大变化，产生极光震荡。称这个电流为阈值电流，用 Ith 表示，它是 P-I 曲线拐点所对应的电流。2.半导体激光器光功率控制原理激光器的驱动电源要提供足够的电流以驱动激光器发光，同时还可以调整和控制激光器的输出光功率。在功率控制部分，采用光电
7、二极管对激光器的输出功率进行检测，即由激光器给外部控制电路提供一个激光检测电流信号，经外部电路处理后，通过电压器控制，调节送给驱动电源，自动调节激光器偏置电流，从而达到调整输出光功率，使输出光功率达到稳定的目的，使激光器稳定工作。激光器的功率控制电路包括光电检测电流，检测信号外部电路和控制电路。光电检测电路完成由光信号到电信号的转换：检测信号外部转换电路主要完成由电流信号到电压信号的转换，控制电路是数字信号控制激光器的偏置电流的大小。3.功率控制电路的设计光电检测电路：光电检测电路的转换模式为:由光信号转换为电流信号。在光电检测电路中，光电转换元件一般采用光电二极管，通过对光电二极管微弱光电流
8、的检测，来获取光信息或其它信息(如位移、张力、压力、温度等)，其原理是把调制到光载波上的有用信号解调出来，实现光信号到电信号的转换。光电检测器件的选用：光电二极管作为此系统的光电检测器件。光电检测电路： 检测信号外部转换电路：激光器给出的光电检测信号为电流信号，在进行外部处理时需要将其转换为电压信号，这就要求在检测外部电路中有电流/电压转换电路。可控式半导体激光器自动功率控制部分采用美国 Xicor公司的 x9313 型数字电位器26，它的输入信号为数字信号，所以转换电路中还应包含一个模/数转换电路，本设计中采用的是 ADO809 芯片。其中，电流电压转换：激光器给出的光电检测信号为电流信号，
9、激光器输出功率变化 lmw 时，激光器内部光电二极管检测电流变化 10mA，检测电流信号在进行外部处理时需要将其转换为电压信号。电流/电压转换电路是将光电检测器的接收电流转换成电压，通过光电转换接收模块引出，形成监控电流，该电流与光电检测器的入射光功率成正比。电流/电压转换电路是将光探测器的接收电流 转换成电压，通过光电转换接收模块引出，形成监控电流，该电流与光探测器的入射光功率成正比。电压信号可以经由电压比较器器件转换成控制电压信号进行控制，但是电流不能直接由 A/D 转换器转换。在应用中，先将电流转变成电压信号，然后进行电压比较。电流/电压转换在工业控制中应用非常广泛。电流/电压转换最简单
10、的方法是在被测电路中串入精密电阻，通过直接采集电阻两端的电压来获得电流。模数转换电路：本系统中模数转换电路采用的芯片是 ADC0809，它是一种逐次逼近式的 A/D 转换器，它能分时地对 8 路模拟信号进行 A/D 转换，结果为 8 位二进制数据。ADC0809 是采用逐次逼近的方法完成 A/D 转换的。由单一的+5V 电源供电，片内带有锁存功能的 8 路选 1 的模拟开关，由C、B、A 的编码来决定所选的通道。0809 完成一次转换所需的时间为100us，绝对误差为 ILSB，功耗为 1.5mw。输出具有 TTL 三态锁存缓冲器，可直接连到数据总线上。通过适当的外接电路，0809 可对 05
11、V 的模拟信号进行转换。控制电路：半导体激光器给出了两个管脚为外部控制电路提供一个激光器检测电流信号，由外部控制电路进行处理控制后送给激光器驱动电流源，从而达到自动调整激光器输出光功率，使其保持稳定的目的。五 可能存在的问题及解决的方法1.由于激光器的阈值电流会随温度和器件的老化而变化，因此必须采用附加控制措施。可以控制激光器的偏执电流，使其自动跟踪阈值变化。2.光电检测电路中可能存在噪声，可以通过电容耦合的方式来消除噪声。集成运放的失调电压和失调电流也会造成一部分噪声，虽然失调电压和失调电流能在电路调整时加以补偿，但它们会随温度变化产生漂移，在电路输出端产生噪声，因此要选择失调电压和失调电流低的运算放大器。3.外微分量子效率均会随温度和器件的老化而变化，控制激光器调制电流幅度，使其自动跟踪外微分量子效率的变化，从而保持输出光脉冲信号的幅度不变。4.A/D 器件只能转换一定范围的电压信号，所以在电流/电压转换过程中，需要选择合适阻值的精密电阻。如果电流的动态范围较多，还必须在后端加入放大器进行二次处理。经过多次处理，会损失测量的精度。
