大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用

1、總第72期光電技術(shù)應(yīng)用Series No.72 2003年第4期EL ECTRO-OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TIONNo.4,2003大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用董彥1,梁瓊2,王志剛2(1.鐵通錦州分公司,遼寧錦州121000;2.東北電子技術(shù)研究所,遼寧錦州121000摘要:分析了大功率半導(dǎo)體激光器的特點,對它的發(fā)展現(xiàn)狀進(jìn)行簡要的介紹,并結(jié)合實際應(yīng)用,對大功率半導(dǎo)體激光器的設(shè)計進(jìn)行了闡述。關(guān)鍵詞:大功率;半導(dǎo)體;激光器;緩啟動中圖分類號:T N248.4文獻(xiàn)標(biāo)識碼:AApplication of High Power Semiconductor LaserDON G

2、Yan1,L IAN G Qiong2,WAN G Zhi-gang2(1.China Railcom Jinzhou Subsidiary,Jinzhou121000,China;2.Northeast Research lnstitute of Electronic Technology,Jinzhou121000,chinaAbstract:The characteristics of high power semiconductor laser are analysed in this article,and the devel2 opping situation is present

3、ed.The design of high power semiconductor laser is illustrated based on real application.K ey w ords:high power;semiconductor;laser;slow-action1引言早在1963年就有人提出用波長在800 900nm之間的半導(dǎo)體激光發(fā)射器件作為固體激光器介質(zhì)泵浦源的設(shè)想。但是進(jìn)入八十年代后,隨著高功率激光二極管及其列陣的發(fā)展,特別是MB E、MOCVD生長技術(shù)和量子阱,應(yīng)變量子阱機(jī)構(gòu)的采用,使得單個激光二極管的閾值電流大大降低,轉(zhuǎn)換效率大幅提高,輸出功率成倍增長,使用壽

4、命大大延長,使激光二極管泵浦固體激光器的研究邁上了新臺階,取得了突飛猛進(jìn)的成就。國外在大功率半導(dǎo)體激光器處于領(lǐng)先地位的是美國和德國,美國的相干公司、SL I公司、德國的L IMO公司的大功率半導(dǎo)體激光器的技術(shù)和質(zhì)量都非常好,輸出功率從幾瓦到幾百瓦。該公司研制的微型光學(xué)準(zhǔn)直整形透鏡可提高半導(dǎo)體激光器的出光質(zhì)量。本文對用于泵浦固體激光器的大功率半導(dǎo)體激光器的激勵源設(shè)計進(jìn)行分析。2大功率半導(dǎo)體激光器的激勵源設(shè)計2.1大功率半導(dǎo)體激光器材料與特性通常使用的大功率半導(dǎo)體激光器有以下三種:寬發(fā)射面大功率半導(dǎo)體激光器,列陣式大功率半導(dǎo)體激光器和單片集成的震蕩器。以寬發(fā)射面大功率半導(dǎo)體激光器為例,它與通常的低

5、功率半導(dǎo)體激光器相比,這種大功率半導(dǎo)體激光器的發(fā)射孔徑(即側(cè)向近場尺寸要大得多(1mm。采取側(cè)向折射率限制的寬發(fā)射面激光器可以得到好的縱向和橫向(包括側(cè)向模式,可以得到高功率、高亮度的激光器輸出。由于這種激光器多是用來泵浦固體激光器,故采取G aAlAs/G aAs材料體系,發(fā)射波長為808nm左右,有源層厚度為1m左右,在100500m的有源層寬度范圍內(nèi)的激光器發(fā)射功率幾乎隨收稿日期:2003-08-25作者簡介:董彥(1968-,女,遼寧人,畢業(yè)于遼寧工業(yè)大學(xué),工程師,研究方向為光通訊;梁瓊(1979-,男,遼寧,畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué),助工,研究方向為光電工程。12其線性增加。一般來說,每

6、微米條寬的連續(xù)輸出功率在10mW 左右就認(rèn)為是高亮度。例如,有源區(qū)寬度為100m 的激光器發(fā)射功率1.2W ,有源區(qū)寬度為500m 的發(fā)射功率達(dá)4.0W 。這種材料體系的芯片解理面易遭退化而影響壽命甚至造成“毀滅性破壞(COD ”。故從80現(xiàn)代中期開始研究800nm 波段無Al 成分的激光器,即采取In G aAsP/G aAs 材料體系,并已取得了好的效果。例如分別限制單量子阱(SCH -SQW 材料體系結(jié)構(gòu),在條寬100m 和腔長1mm 時,連續(xù)輸出功率為5.3W ,達(dá)到80%的微分量子效率。與G aAlAs/G aAs 相比,這種類型所表現(xiàn)的高微分量子效率和幾乎接近100%的內(nèi)量子效率,

7、使得有源層和解理面上有低的溫升或小的熱阻,因而減少了位錯的產(chǎn)生及遷移的幾率,表現(xiàn)出慢的退化特性。美國TRW 公司用這種材料體系研制出能用于材料加工的千瓦量級大功率半導(dǎo)體激光器。選用的大功率半導(dǎo)體激光器的材料特性決定了大功率半導(dǎo)體激光器的功能特性,而設(shè)計該激光器的激勵源時必需考慮這些特性,才能使大功率半導(dǎo)體激光器發(fā)揮其應(yīng)有的效能。本文以波長為808nm 的連續(xù)大功率半導(dǎo)體激光器為例,說明其激勵源設(shè)計方案下面是波長為808nm 的連續(xù)半導(dǎo)體激光器的一些主要性能參數(shù):Po =1.02(W 額定功率Ith =0.38(A 閾值電流Io =1.80(v 額定電流Ep =40.2(%轉(zhuǎn)換效率Rd =0.1

8、5(內(nèi)阻=803.8(nm 中心波長=1.7(nm 光譜寬度=5.4(deg 平行方向束散角=48(deg 垂直方向束散角Tc =25(額定工作溫度該激光器的能量分布與波長變化的關(guān)系如下圖所示:2.2激勵源電路設(shè)計(1振蕩器振蕩器電路如圖3:(2單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器電路如圖4:電阻為1.3K ,電容為3300PF ,積分型單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器將脈沖進(jìn)行壓縮,使占空比變小 。圖2輸出能量隨出光波長的變化(3緩啟動電路緩啟動電路如圖5:r3為1.3K ,C2、C3均為22F 。(4整流電路由整流橋,大的濾波電容和7805穩(wěn)壓塊組成。(5主電路主電路如圖6:通過改變可變電阻來調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器上的電流。(

9、6溫度控制電路半導(dǎo)體激光器對溫度的要求非常高。一般22總第72期光電技術(shù)應(yīng)用圖4單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器高出額定溫度5,激光器的性能將大幅下降,并且這種損傷是永久性的。所以在半導(dǎo)體激光器的電路設(shè)計中一定要考慮溫度控制電路。2.2半導(dǎo)體激光器電源在正常條件下使用的半導(dǎo)體激光器有很長的工作壽命。然而,在不適當(dāng)?shù)墓ぷ骰虼娣艞l件下,會造成性能的急劇惡化乃至失效。統(tǒng)計表明,半導(dǎo)體激光器突然失效,有一半幾率是由于浪涌擊穿。因此,在電路設(shè)計和調(diào)試一定要考慮和注意。光纖通訊系統(tǒng)中大量使用的半導(dǎo)體激光器的工作電流一般只有十幾到幾十mA,結(jié)電壓小于1V;然而,對大功率半導(dǎo)體激光器,它的工作電流可達(dá)數(shù)十安以上,結(jié)電壓相應(yīng)增加。

10、對半導(dǎo)體激光器的電源基本要求是:(1半導(dǎo)體激光載流子注入電流的穩(wěn)定性對激光器的輸出有直接的、明顯的影響。因此,要求半導(dǎo)體激光器的電源是一個恒流源,應(yīng)當(dāng)具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數(shù),否則激光器的工作狀態(tài)就會受到影響。(2半導(dǎo)體激光器作為一種結(jié)型器件,對于電沖擊的承受能力很差(尤其是大功率半導(dǎo)體激光器,有時甚至?xí)H僅由于同一電網(wǎng)中的日光燈在開關(guān)時而損壞。因此,半導(dǎo)體激光器的電源32董彥等:大功率半導(dǎo)體激光器應(yīng)用2003.2 圖6主電路中必須具有特殊的抗電沖擊措施和保護(hù)電路。(3體積小,耗電量低,電源中無高壓,安全性好。2.3半導(dǎo)體激光器的安全使用在半導(dǎo)體激光器的使用過程中,出現(xiàn)比較多的電沖

11、擊是開啟或關(guān)斷電源時產(chǎn)生的電壓、電流浪涌沖擊和工作過程中由于電網(wǎng)波動或其他大功率電器啟動而產(chǎn)生的電壓、電流浪涌沖擊。為了消除這些電沖擊對半導(dǎo)體激光器的破壞作用,除了采用進(jìn)線濾波和型濾波網(wǎng)絡(luò)外,還要有一些特殊的防護(hù)措施。(1短路保護(hù)開關(guān)將一個接觸電阻很小的開關(guān)與半導(dǎo)體激光器并聯(lián)在一起即構(gòu)成短路保護(hù)開關(guān)。當(dāng)半導(dǎo)體激光器需要啟動時,首先將短路保護(hù)開關(guān)閉合。實踐證明,這種對于消除開關(guān)電源時產(chǎn)生的浪涌沖擊是行之有效的。(2浪涌電流消除電路短路保護(hù)開關(guān)雖然可以有效地消除電源開或關(guān)時產(chǎn)生的浪涌沖擊,但無法消除外電路產(chǎn)生的浪涌沖擊的影響。外電路產(chǎn)生的浪涌沖擊通常具有如下特點:a.浪涌電流是由外界因素產(chǎn)生的,因

12、此隨機(jī)性強,無法預(yù)測;b.浪涌電流和電壓一般表現(xiàn)為尖峰脈沖,脈沖寬度很窄,但峰值較高。消除這種浪涌沖擊的方法在于提高電源的整流濾波電路的性能。因此除了要求電源能有效地消除浪涌沖擊外,還必須保證激光器兩端不能突然加上階躍電壓。因為這種上升沿很陡的階躍電壓,即使幅值很低(約1V ,也會對激光器產(chǎn)生不良影響。這就要求電源開機(jī)后,電流放大器的調(diào)整管應(yīng)完全關(guān)斷。然而實際電路中要做到這一點是比較困難的,為此采用緩啟動的方法解決這個問題。所謂緩啟動就是穩(wěn)流電源開機(jī)后,工作電壓V 不是突然加在整個穩(wěn)流電路上,而是從零開始逐漸上升到預(yù)定值。這樣就從根本上保證了半導(dǎo)體激光器不會受到電源開啟或關(guān)斷時而產(chǎn)生的電沖擊的

13、影響。2.5半導(dǎo)體激光器的光耦合技術(shù)半導(dǎo)體激光器的光學(xué)系統(tǒng)一般分為兩部分:準(zhǔn)直-整形和會聚。光束準(zhǔn)直方法很多,歸納起來有三大類:(1面或非球面組合透鏡準(zhǔn)直。所用透鏡焦距在2nm 以下,加工精度高,系統(tǒng)成本昂貴,透鏡組的裝配和調(diào)整也較復(fù)雜;(2焦透鏡準(zhǔn)直。采用自聚焦準(zhǔn)直透鏡的優(yōu)點在于簡單、小巧和成本低廉,缺點是準(zhǔn)直性能不如其它方法。準(zhǔn)直光斑的大小取決于自聚焦準(zhǔn)直透鏡的數(shù)值孔徑,數(shù)值孔徑越大對準(zhǔn)直越有利;(3柱面透鏡或正交柱面透鏡對準(zhǔn)直。柱面鏡是軸不對稱光學(xué)系統(tǒng),不僅在子午面、弧矢面內(nèi)產(chǎn)生一般像差,而且產(chǎn)生非對稱性的柱面像差。采用兩個正交柱面鏡可以很好地校正橢圓像散光束,使之成為圓形橫截面光束。也

14、有采用一個球面透鏡和一個柱面透鏡來補償半導(dǎo)體激光在垂直和平行兩方向上的發(fā)散角的差異。對于前兩種方法來說,準(zhǔn)直后的平行光仍為橢圓形橫截面光束,因而還需要進(jìn)行整形。常用的整形方法是單棱鏡、雙棱鏡對,甚至還可用高精度的三棱鏡系統(tǒng)。如果采用L IMO 的半導(dǎo)體激光器自帶的微42總第72期光電技術(shù)應(yīng)用型光學(xué)透鏡,以上步驟不必考慮。3結(jié)束語隨著激光器件技術(shù)的發(fā)展,大功率半導(dǎo)體激光器將逐步成為光通訊,光信息存儲,激光器泵浦等應(yīng)用中的關(guān)鍵設(shè)備。由于在應(yīng)用中對環(huán)境的苛刻要求,所以使用中必須十分注意。本文介紹的應(yīng)用是大功率半導(dǎo)體激光器的基本應(yīng)用,在進(jìn)一步的使用中還需要把握其特點,以求獲得最佳效果。參考文獻(xiàn)1江劍平

15、.半導(dǎo)體激光器M.北京:電子工業(yè)出版社,20002 鄧仁亮.光學(xué)制導(dǎo)技術(shù)M.北京:國防工業(yè)出版社,19923黃德修,劉雪峰.半導(dǎo)體激光器及其應(yīng)用M.北京:國防工業(yè)出版社,1995(上接第3頁4.2結(jié)論圖6為用傅立葉變換紅外光譜儀測量的按一定比例混合的A,B,C,D四種物質(zhì)的混合物和其他添加物的遠(yuǎn)紅外吸收譜,測量的吸收譜取得了令人滿意的效果。圖6氣懸體的遠(yuǎn)紅外吸收譜參考文獻(xiàn)1吳鍵,樂時曉.隨機(jī)介質(zhì)中光傳播理論M.成都:成都電訊工程學(xué)院出版社,19882Bohren,Absorption and Scattering of Lightby Small Particles,John Wiley&Son,N Y,19833張幼文.紅外光學(xué)工程M.上海:上?？萍汲霭嫔?19