《激光型光电开关》word版

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1、激光型光电开关摘要：激光型光电开关与目前常用的非相干光型光电开关虽同属光电开关一类，但由于它是由相干性极强的半导体激光器制成，与后者相比，有着检测距离远、探测位置精度高、可供选用的波长范围宽，即从可见光到红外波段多达十余种品种等显著的优点，因而有着十分广阔的新的应用领域。 关键词：半导体激光器；光电开关;光电二级管中图分类号：TP212.14    文献标识码： A  一、前言   半导体激光器是利用半导体晶体材料产生激光的器件，它和其他激光器一样，具有相干性好、方向性强、发散角小、亮度高等特点，并且还有着体积小、效率高、调制方便等独特的优点。因而，这

2、一产品在集成光学、光纤通信、光纤传感、激光测距、光贮存、激光印刷、军事工程等领域有着广泛应用。利用半导体激光器制作光电开关，是其在光电传感技术方面的一个成功用例。本文将就半导体激光型光电开关的简单工作原理，它独具的特点及其应用实例作一简单的介绍。 二、激光型光电开关工作原理1、半导体激光二极管的工作原理   为了了解激光型光电开关的工作原理，首先对半导体激光二极管的工作原理及其特点作一简单的介绍。   半导体激光二极管的基本结构如图1所示，垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里——珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其余两

3、侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。   半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式如下：λ=hc/Eg           (1)   式中：h—普朗克常数；c—光速；Eg—半导体的禁带宽度。   上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子—空穴对附近，就能激励二者复合，产生新光

4、子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时，就可从PN结发出具有良好谱线的相干光——激光，这就是激光二极管的简单原理。   随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。图2为日本三洋公司的红光半导体激光二极管的结构。   图3为小功率激光管剖视图，由图可见，激光芯片贴在用

5、来散热的热沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光电二极管。   图4为普通激光二极管的外形，由图可见，小功率激光管有三条引脚，这是因为在管内还封装有一个光电二极管，用于监控激光管工作电流。     半导体激光二极管的常用参数有：   （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。   （2）阈值电流Ith：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 

6、  （3）工作电流Iop：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。   （4）垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15˚~40˚左右。   （5）水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6˚~10˚左右。   （6）监控电流Im：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。2、半导体激光型光电开关   激光型光电开关由激光发射器与接收器两部分组成，用来完成检测目标、计数、定位、行程控制、遥控等工作，其一般原理框图如图5所示。   图5为用专用遥控集成

7、电路芯片BA5104、BA5204（编者注：BA5104/5204现已不生产，代替型号为SM5031/5032）和M6938制作的半导体激光型光电开关发射、接收电路。图6（a）中BA5104是发射器芯片，K1~K8是控制输入端，内接上拉电阻。当按下其中任一键时，OSC1和OSC2脚所内接的时钟电路及外接455kHz晶体、电容C1、C2组成的振荡电路起振，经内部电路分频产生38kHz载频。   BA5104将C1、C2端及K1~K8脚输入的数据进行编码，由D0端串行输出，经达林顿管D1581放大后驱动半导体激光管LD送出调制载波脉冲激光信号。电位器W用以

8、调节激光管的工作电流，以使其处于额定工作电流之内。LED端是发射状态显示输出端，有高电平输出时