半导体激光驱动器的工作原理及应用

来源:鞍山核心电子技术有限公司 作者:核心电子

  随着科学技术的飞速发展, 半导体激光器技术己深入到国民经济和国防建设的各个领域。在远距离通讯、激光雷达、数字信号的存储和恢复、激光测距、机器人、全息应用、医学诊断等方面都有广泛的应用。但半导体激光器对工作条件要求苛刻, 在不适当的工作或存放条件下, 会造成性能的急剧恶化乃至失效。所以, 使激光器正常工作的激光器驱动电源就显得尤为重要比。

  一、激光器是利用什么原理制造出来的

  激光的含义是光受激辐射,它是利用某些原子受到激发之后,出现暂时的稳定的激发态,这个激发态由于处在高能级状态,具有不稳定性,在某种状态下会发生退激辐射出光子,这就是激光的发生的原理。这里所说的某种状态就是在一定波长的光子作用,就会使得激发态退激,并且放射出光子,放射出的光子由作用于其他的激发态原子,这样呈现链式的退激,在短暂的时间内放出大量的光子,表观就体现出光的放大,达到能量密度极大的光束,这就是激光。激光的能量来源于原子的受激时能量的注入,这一定的时间内,产生大量的暂稳态的受激原子,当某个受激原子发生退激时,辐射出来的光子由引起其他的受激原子退激,释放出更多的光子,这会呈现出几何级数的受激崩溃性退激,短时间内发生出大量的光子。

  具有发生激光作用的物质称之为激光介质,按照介质的形态可分为固体、气体、液体、半导体激光。按照激发能源可分为光致激光、电致激光、化学激光、气动激光等等,世界上第一台激光是红宝石激光。按照上述的划分它属于光致的固体激光器,它的能量是通过在红宝石棒外部的氙气闪光管提供激发能源,红宝石内含有的铬原子是激发原子,激光介质是红宝石,属于固体物质。我们常见的氦氖激光器是气体激光,激光介质是气体,激发能源是电场。我们常见的光盘驱动器里的激光器是采用半导体作为激光介质的,激发能量是电场,它是属于半导体固体激光器。军事上使用的大功率激光,大部分是采用化学能源激发,它就是化学激光器。工业上使用的激光器大多是二氧化碳作为激光介质,电场作为激发能量。一些检测用的激光器是采用的染料作为激光介质,而大多数是液体形态,光作为激发能量。

  二、半导体激光器工作原理

  半导体激光器工作原理是激励方式,利用半导体物质(既利用电子)在能带间跃迁发光,用半导体晶体的解理面形成两个平行反射镜面作为反射镜,组成谐振腔,使光振荡、反馈、产生光的辐射放大,输出激光。

  半导体激光器特点:半导体激光器激光器优点是体积小,重量轻,运转可靠,耗电少,效率高等特点。

  半导体激光器是以一定的半导体材料做工作物质而产生受激发射作用的器件.其工作原理是,通过一定的激励方式,在半导体物质的能带(导带与价带)之间,或者半导体物质的能带与杂质(受主或施主)能级之间,实现非平衡载流子的粒子数反转,当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时,便产生受激发射作用.半导体激光器的激励方式主要有三种,即电注入式,光泵式和高能电子束激励式.电注入式半导体激光器,一般是由GaAS(砷化镓),InAS(砷化铟),Insb(锑化铟)等材料制成的半导体面结型二极管,沿正向偏压注入电流进行激励,在结平面区域产生受激发射.光泵式半导体激光器,一般用N型或P型半导体单晶(如GaAS,InAs,InSb等)做工作物质,以其他激光器发出的激光作光泵激励.高能电子束激励式半导体激光器,一般也是用N型或者P型半导体单晶(如PbS,CdS,ZhO等)做工作物质,通过由外部注入高能电子束进行激励.在半导体激光器件中,目前性能较好,应用较广的是具有双异质结构的电注入式GaAs二极管激光器.

  三、激光器和半导体激光器的区别

  激光器是利用受激辐射原理使光在某些受激发的物质中放大或振荡发射的器件。

  激光工作物质是指用来实现粒子数反转并产生光的受激辐射放大作用的物质体系,有时也称为激光可携式激光器增益媒质,它们可以是固体(晶体、玻璃)、气体(原子气体、离子气体、分子气体)、半导体和液体等媒质。

  激光工作物质的主要要求,是尽可能在其工作粒子的特定能级间实现较大程度的粒子数反转,并使这种反转在整个激光发射作用过程中尽可能有效地保持下去;为此,要求工作物质具有合适的能级结构和跃迁特性。

  半导体激光器是用半导体材料作为工作物质的激光器,由于物质结构上的差异,不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(GaAs)、硫化镉(CdS)、磷化铟(InP)、硫化锌(ZnS)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。 半导体激光器件,可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器室温时多为脉冲器件,而双异质结激光器室温时可实现连续工作。

  半导体激光器的分类

  (1)异质结构激光器

  (2)条形结构激光器

  (3)GaAIAs/GaAs激光器

  (4)InGaAsP/InP激光器

  (5)可见光激光器

  (6)远红外激光器

  (7)动态单模激光器

  (8)分布反馈激光器

  (9)量子阱激光器

  (10)表面发射激光器

  (11)微腔激光器

  四、半导体激光器的分类及应用有哪些

  半导体激光器的分类有多种方法。按波长分:中远红外激光器、近红外激光器、可见光激光器、紫外激光器等;按结构分:双异质结激光器、大光腔激光器、分布反馈激光器、垂直腔面发射激光器;按应用领域分:光通信激光器、光存储激光器、大功率泵浦激光器、引信用脉冲激光器等;按管心组合方式分:单管、阵列(线阵、面阵);按注入电流工作方式分:脉冲、连续、准连续等。

  半导体激光的应用十分广泛,如激光切割,激光焊接,激光打标,激光打孔,激光雕刻,激光医疗,激光美容,激光显示,激光全息,激光照排,激光制冷,激光检测以及激光测量等等。

  近几年来, 激光器应用更加广泛, 品质更加优良的半导体激光器驱动电源的研制势在必行。新型的驱动电源除具备常规驱动器的功能外, 还应该使输出电流更稳定, 对激光器行更加可靠、有效地保护。使用单片机对激光器驱动电源进行程序化控制, 不仅能够有效地实现上述功能, 而且使整机操作简单, 界面友好, 提高了整机的自动化程度。同时, 为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。

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