量子级联激光器能级建模及驱动电源研制

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1、分类号：TP271单位代码：10183研究生学号：2015512039密级：公开吉林大学硕士学位论文（学术学位）量子级联激光器能级建模及驱动电源研制ModelingonEnergyLevelandDevelopmentofDriverforQuantumCascadeLaser作者姓名：蔺百杨专业：微电子学与固体电子学研究方向：光电检测及其应用指导教师：张宇教授培养单位：电子科学与工程学院2018年6月――――――――――――――――――――――――――――――――――量子级联激光器能级建模及驱动电源研制―――――――――――――――――――――――――――――

2、―――――ModelingonEnergyLevelandDevelopmentofDriverforQuantumCascadeLaser作者姓名：蔺百杨专业名称：微电子学与固体电子学指导教师：张宇教授学位类别：学术硕士答辩日期：2018年05月31日未经本论文作者的书面授权，依法收存和保管本论文书面版本、电子版本的任何单位和个人，均不得对本论文的全部或部分内容进行任何形式的复制、修改、发行、出租、改编等有碍作者著作权的商业性使用（但纯学术性使用不在此限）。否则，应承担侵权的法律责任。吉林大学硕士学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交学位论文，是本人在指导教师

3、的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期：年月日《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿声明研究生院：本人同意《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》出版章程的内容，愿意将本人的学位论文委托研究生院向中国学术期刊（光盘版）电子杂志社的《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》投稿，希望《中国优秀博硕士学位论文全文数据库》给予出版，并同意在《中国博硕士学位论文评价

4、数据库》和CNKI系列数据库中使用，同意按章程规定享受相关权益。论文级别：■硕士□博士学科专业：微电子学与固体电子学论文题目：量子级联激光器能级建模及驱动电源研制作者签名：指导教师签名：年月日作者联系地址（邮编）：吉林省长春市前进大街2699号（130012）作者联系电话：量子级联激光器能级建模及驱动电源研制摘要目前,一氧化碳有毒气体的检测大多采用激光光谱检测技术，此技术主要采用具有窄线宽、高灵敏度、快响应速度等优势的量子级联激光器作为光源，并且光源的输出特性严重影响气体检测系统的检测精度。而建立量子级联激光器等效电路模型及设计性能优异的驱动电源能够优化器件并改

5、善其输出特性，因此研究量子级联激光器能级建模及驱动电源有重要意义。针对CO气体检测系统的光源—量子级联激光器，本文开展了两方面的研究。一、通过分析量子级联激光器的能级结构、跃迁方式和工作机理建立了新型量子级联激光器二能级模型。此模型考虑了自发辐射对器件输出特性的影响，与传统的等效电路模型相比，不仅成功简化了模型，而且弥补了传统二能级等效电路模型的缺陷。本文利用OrCADPSpice平台分析了等效电路模型直流、瞬态、交流等情况，并分析了影响器件输出P-I特性和延迟特性的因素，最后验证并对比了三种不同波长（5µm、9µm、103µm）量子级联激光器的P-I特性和延迟

6、特性。成功建立的器件等效电路模型，既有助于优化器件结构，又有助于设计驱动电源系统。二、针对中科院提供的4.76µm波长的量子级联激光器设计了一款驱动电源，主要包括线性软启动电源模块、信号发生模块、恒流源模块、限流保护模块、通信与显示模块。电源的驱动电流范围为0-1A，可以实现激光器调制/扫描功能以及限流保护功能，并且可以与上位机进行实时通信，实现对激光器驱动电流的实时监测和数据储存。实验表明，此款驱动电源的设定电流与激光器实际工作电流的最大误差为0.44mA（在0-1A内），模数转换器采集电压的最大误差在±1.8mV以内，电源在驱动不同负载（1-10Ω）时的电流

7、稳定度为6.0×10-5，长时间（40h）电流稳定度为3.7×10-5，此款驱动电源满足量子级联激光器的驱动要求。最后将驱动电源成功的应用在CO气体检测系统中，结合光学系统、配气系统并利用锁相放大器得出一次谐波和二次谐波与气体浓度的关系曲线，通过线性拟合得到它们的拟合优度分别为0.996和0.993（CO浓度在10-100ppm内）。本文创新点：1、成功建立了新型二能级量子级联激光器等效电路模型，此模型考虑了自I发辐射对激光器输出特性的影响，并且在不影响其性能的前提下实现了模型的简化。2、研制了一款便携式、低成本、保护功能完善（软启动保护、限流保护、反向保护等）

8、的中红外量子级联激光器驱