高精度半导体激光器控制系统的设计与实现_开题报告

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1、高精度半导体激光器控制系统的设计与实现_开题报告题目：高精度半导体激光器控制系统的设计与实现报告人：保密导师：隐私教授开题报告提纲：一、基本概念与原理二、研究意义三、控制对象四、设计内容五、进展计划六、参考文献一、基本概念与原理1.1半导体激光器的概念及发展半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的激光器。半导体激光器相比于其它种类的激光器，还具有单色性强、光谱集中、可高速直接调制、便携性、价格便宜、性能稳定等众多优点；因而常被用作光学仪器中的光源部分，并广泛应用于物质检测、环境监测、成份分析、计算机、通信、医疗、机械加工、航天和国防等领域，更是光电子学研究

2、中不可或缺的器件之一。1962年，美国的克耶斯[1]（Keyes）等人发现砷化镓（GaAs）材料具有光发射现象。随后第一台同质结GaAs半导体激光器由美国的霍尔[2]（Hall）发明，至此揭开了半导体激光器发展的序幕。80年代初期，分子束外延、气相沉积等技术作为超薄层材料生长方法相继问世，电子束曝光和离子束刻蚀在超微细结构加工领域活跃，这些技术不仅促进了激光器的商品化，还为分布反馈（DFB）和垂直腔面发射（VCSEL）等新一代半导体激光器的诞生提供了条件[3]。早期的半导体激光器工作环境非常苛刻，只能在超低温下才能实现微秒脉冲工作。时至今日，半导体激光器的

3、发展经历了半导体生长技术的提升和工作物质的更新换代，其腔体结构不断改进、性能不断优化，在短短的几十年内取得了如下令世人瞩目的成就：a、工作环境从超低温发展到常温[4]；b、阈值电流从几百毫安降至几十毫安，甚至亚毫安级别，并向着无阈值方向发展；c、波长范围从红外波段发展到蓝绿光波段[5]；d、光电转换效率不断提高，已优于60%以上[6]；e、使用寿命从几百小时发展到百万小时[7]；f、大功率半导体激光器、阵列激光器问世。1.2半导体激光器工作原理增益介质、泵浦源和谐振腔是构成任何一款激光器的必要条件[8]。半导体激光器通过向PN结注入一定大小电流产生反转粒子

4、的积累，并使之发生受激辐射；再通过谐振腔对光强的正反馈，使光子在谐振腔内产生激光振荡；最后，在满足产生激光的三个必要条件下，激光器在末端采用光纤耦合的方式，将产生的激光输出。1.3半导体激光器的特性1.阈值特性光子在谐振腔内出现振荡时所达到的条件称为阈值条件。如图1-1所示，采用半导体激光器的输出功率来表示其阈值特性。开始时，由于PN结的注入电流较小，半导体激光器的发光效率很低，主要以反转粒子的自发辐射为主，产生荧光。进一步增大注入电流，输出功率会随着电流的增大陡然上升，这时工作物质的增益大于损耗，光子在谐振腔中震荡产生激光。图1-1半导体激光器阈值特性2

5、.温度特性半导体激光器的温度特性主要表现为：激光器从开始启动到某一时间内，其各项特性会由于内部增益介质的温度升高而改变，然后趋于稳定。图1-2半导体激光器的P-I特性曲线如图1-2所示，半导体激光器在10～130℃范围内每间隔10℃的P-I特性曲线。图中表明随着半导体器件温度的增高，其阈值电流不断增大且增大幅度越发明显。由此可以看出半导体激光器是一个热敏元件，对温度特别敏感。如果工作温度不稳定，那么温度会对其各项指标都会产生影响，如阈值、波长、输出功率在不同温度下都有比较明显的改变。实验表明，工作温度每增加25℃，它的使用寿命便减少一半；每摄氏度温度的变化

6、会引起约0.2~0.3nm输出波长的改变[9]。3.调制特性半导体激光器具有快速波长调制的特性，这一特与光谱学结合发展成为调制光谱技术，被广泛应用于气体浓度痕量领域。半导体激光器的调制方法分为波长调制和频率调制。其基本原理都是通过改变载流子浓度、电场强度、温度和压力等，来改变工作物质的折射率和峰值增益，从而改变所对应的波长。二、研究意义2.1半导体激光器控制系统的国内外研究现状初期的驱动设备采用模拟控制方式的纯硬件电路。此种电路精度欠佳，驱动控制设备性能较差，功能比较单一，一般只有电流驱动功能，温度控制则需要另外配置，在很多应用场合中受到限制。然而，随着计

7、算机技术的发展，驱动控制设备自动化进程也不断向前进步。单片机、DSP等集成控制芯片的出现，使驱动控制设备的可操作性和自动化程度得到增强，扩大了半导体激光器的应用范围[10]。如今，半导体激光器控制系统大多使用模拟电路与数字电路搭配，通过综合控制方式，实现对电流、温度等电路的整体控制。目前，欧美一些发达国家处于激光器控制仪器制造业的领先地位，我国虽然起步比较晚，但也取得了不少成果。主要代表产品如下：美国WavelengthElectronics公司产品系列众多，其产品主要是低廉小型化、模块化的高性能激光器驱动器及温度控制器（如图2-1）。abc图2-1Wav

8、elengthElectronics公司三大系列产品美国ILXLi