毕业设计（论文）
外腔稳频半导体激光器数字温控电路的
设计
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年月日
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作者签名：年月日
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本科生毕业设计（论文）任务书
学生姓名：专业班级： 1
指导教师：工作单位：
设计(论文)题目: 外腔稳频半导体激光器数字温控电路的设计
设计（论文）主要内容：
设计与制作用于外腔稳频半导体激光器的数字温控电路。要求：温度稳定度达到相应要求；以键盘输入、LCD或LED显示预设与实际输出的电压值，或者在上位机建立友好的用户界面。
要求完成的主要任务：
1、广泛调研数字温控相关原理及技术，形成方案，完成开题报告；
2、学习和掌握相关理论知识，完成包括用户界面在内的软、硬件设计、与仿真；
3、完成软、硬件调测；
4、绘制电路等相关图、表，折合不少于3张1～2#图纸；
5、完成15项以上中外文资料的检索，阅读和翻译，其中英文文献不少于2篇、英文
资料的阅读和翻译不少于2万英文字符；
6、完成不少于12000字的毕业设计论文的撰写和修订。
必读参考资料：
1.李群芳.单片微型计算机与接口技术（第2版）.电子工业出版社.2007
2.常敏. 51单片机应用程序开发与应用实践[M].电子工业出版社，2009
3.Digital temperature regulator . Measurement Techniques . November 1996.
Volume 39. Issue 11. pp 1126-1130
指导教师签名：系主任签名：
院长签名（章）
武汉理工大学
本科学生毕业设计（论文）开题报告
1、设计目的及意义（含国内外的研究现状分析）
设计的目的是：
设计制作出能够对外腔稳频半导体激光器进行温度检测并根据设定值做出相应控制的数字温控电路。本电路的基本功能是完成对控制对象温度的检测，并根据需要设定基准温度并做出相应的控制以达到恒温的效果。最后将对控制对象的温度控制过程显示出来。在此基础上将其用于外腔稳频半导体激光器的温度控制中。数字温控电路涉及的学科知识大概有如下几点：电子基础、传感与检测技术、自动控制原理、单片机等，通过设计和制作外腔稳频半导体激光器数字温控电路，可以大大提高学生解决实际问题和动手能力。
设计的意义是在于：
目前半导体激光器（简称LD）发展非常快。随着技术的成熟，半导体激光器的应用也越来越广泛。相对于固体激光器和气体激光器来说，半导体激光器真可谓是姗姗来迟，但是它具有效率高、体积小、寿命长、成本低、等优点。LD 陆续扩展到许多其它应用领域,包括CDROM、驱动、激光打印、可擦除光存储驱动、条码扫描、文娱表演、光纤通信以及航空和军事应用如军训模拟装置、测距机、CI等。而LD的主要光电指标均对温度敏感，随工作温度升高性能下降，波长随温度升高而向长波方向发生移动。对输出功率和波长稳定性有较高要求时，需要进行功率和温度控制，通常把LD做成一个发射组件，即在LD后腔面集成一个光电二极管用于监测光功率；在热沉的适当位置设置热敏电阻，监测光源工作温度。
几种散热方法的比较：
1.液体冷却：传热系数高，能够提供足够的散热能力，但附加设备多，体积大，成本高，可靠性低；
2.半导体制冷：无噪音，无摩擦，寿命长，可靠性高，但效率低，制冷量较小。
本设计的温度控制是要作用于外腔稳频半导体激光器，前面提到温度过高过低对LD都会产生影响，所以我们要达到最好效果则需采取恒温控制。本身LD工作是需要发热的，且属于精密仪器，所以我们采取对芯片降温类似的方法对其进行温度控制。
随着对各种精密仪器急切的需求及它们的问世，研究它们的温度控制具有不可忽视的地位。
2、基本内容和技术方案
重点研究内容是：
1．通过广泛调研数字温控相关原理及技术，了解数字温控在工业中的研究意义； 2．通过对半导体激光器的广泛调研及理解，了解半导体激光器在各个领域的应用及它的优势所在，明确本次设计的目的及意义；
3．通过对现有散热方法的了解、分析、比较，选择最适合本设计的一种方法或几种方法来实现温度的控制；
4．通过数字温控电路的设计，重点锻炼自己在硬件设计与软件设计以及仿真等方面的能力，掌握在上位机中建立友好用户界面的基本方法。 设计方案的基本内容是：
（1）电源模块：研究并设计系统供电电源，使其能够为系统稳定可靠供电。 （2）单片机51芯片核心模块：提供系统时钟，处理按键的相关操作，控制数码管的显示和DS18B20反馈回来的数据处理。
（3）按键和数码管显示模块：通过按键设定控制温度，并在数码管上显示该值。 （4）LabVIEW 程序模块：实时监控采集节点的数据变化（原始数据），并能够在PC 机上显示曲线以及工作状态。
（5）串口模块：通过MX232进行电平转换后进行串口通信技术方案： 通过对设计任务进行需求分析，设计方案初步形成如图1所示：
图1 系统总体设计方案
DS18B20采集温度
键盘
LCD 显示部分
TEC 温度控制部分
AT89C52
通过串口发送
3、进度安排
1-3周查阅中、英文数据，确定选题和设计内容，在广泛调研的基础上完成开题报告；
4-5周了解相关的专业知识，完成不少于2万字符的英文翻译任务；
6-11周继续深入学习相关内容，逐步实施设计方案，完成数字温控电路的硬件设计；
12-14周完成软件部分的设计，在上位机上显示出温度控制的过程，进一步调试完善系统使其能较好地实现预期功能；
15-17周进一步完善本科毕业设计论文，申请并通过答辩
4、指导教师意见
指导教师签名：
年月日
目录
摘要 ...................................................................... I Abstract ................................................................... II 1.绪论 . (1)
1.1课题研究的目的和意义 (1)
1.2半导体激光器概述 (1)
1.3本课题的设计内容与目的 (2)
1.3.1 设计要求 2
1.3.2重点研究内容 (3)
1.3.3实现途径及方法 (3)
1.3.4 系统总体方案设计 (3)
2.系统硬件各功能模块的设计 (5)
2.1主控模块的设计 (5)
2.1.1 AT89C52单片机简介 (5)
2.1.2复位和时钟电路的设计 (7)
2.1.3温度传感器的选择 (8)
2.1.4 半导体制冷器（TEC） (11)
2.2人机接口设计 (12)
2.2.1键盘的设计12
2.2.2显示电路的设计 (12)
3.软件设计 (14)
3.1主程序模块 (14)
3.2数据采集和显示模块 (15)
3.3输入模块 (16)
4.PID控制和参数整定 (17)
4.1 PID调节器控制原理 (17)
4.2 PID控制的分类 (18)
4.3 数字PID参数的整定 (20)
4.3.1 采样周期选择的原则 (20)
4.3.2 PID参数对系统性能的影响 (21)
4.4 PID计算程序 (22)
5．仿真 (25)
5.1 PROTEUS软件简介 (25)
5.2仿真 (26)
致谢 (28)
参考文献 (29)
附录 (30)
附录1：源程序 (30)
附录2：原理图 (35)
摘要
温度对半导体激光器（LD）的工作特性有着极其重要的影响，半导体激光器的输出功率和输出光的中心波长会随着温度的变化而发生变化，激光器的工作寿命也与温度有关，因此要严格控制半导体激光器的温度，保证激光器良好的工作特性。
本文设计了一种用于外腔稳频半导体激光器阵列的数字温度控制系统，该温控系统具有硬件电路简单、集成度高，响应速度快，控制精度高，控制温度范围大等特点。
该数字温控系统使用AT89C52单片机为核心，选用数字温度传感器 DS18B20 测量温度，利用半导体制冷器（TEC）对半导体激光器实现温度控制为了提高温控系统的准确性和稳定性，本文进行了数字 PID 控制器的设计,从而实现对半导体激光器温度的全自动控制，进一步提高了激光器工作特性的稳定。
对数字温度控制系统进行的温度控制实验数据表明，其闭环控制特性符合预期的控制效果。
关键词：半导体激光器；温度控制系统；单片机；半导体致冷；PID控制算法
Abstract
The temperature has a very important influence on the working characteristic of semiconductor laser unit, the output power of semiconductor laser unit and central wavelength of output optical will change as the temperature change, the working life of laser also relates to the temperature, therefore, the temperature of semiconductor laser unit should be controlled strictly, in order to the favourable working characteristic of the laser.
This text designed a digital temperature control system which used for the external cavity stabilized semiconductor laser array, this temperature control system has the characteristic such as simple circuit, high integration level, fast response speed, high control accuracy, control the wide temperature range, and so on.
The digital temperature system of the design used the semiconductor refrigerant in order to temperature controlled to the semiconductor laser, used the AT89C52 single chip for the nuclear temperature control system, choose the digital temperature sensor DS18B20 to measure the temperature, the main component : AT89C52 single chip, temperature sensor, display circuit, temperature control circuit. In order to improve the accuracy and stability of the temperature control system, has designed the digital PID controller, realized the full automatic control to the temperature of the conductor laser, guaranteed the stability of the laser working characteristic .
Processing the temperature control experimental study on the developed digital temperature control system, its closed-loop control characteristic fit the expected control effect. The design and research of semiconductor laser unit temperature control system to realize the temperature control of the solid-state lasers laid the engineering foundation, has the highly practical value.
Key words: semiconductor; temperature control; single chip; semiconductor cooler; PID
1.绪论
1.1课题研究的目的和意义
半导体激光器（Laser Diode,简称LD）是以半导体材料为工作物质的激光器，具有体积小、结构简单、输入能量低、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点。在近几十年的发展中，半导体激光器的应用覆盖了整个电子学领域，已成为当今光电子科学的核心技术，其优点使之非常适用于基础研究和军事领域，如雷达、测距、致盲、对潜通信、制导跟踪、引信、瞄准和告警、精密测量等，是光电子对抗中的有生力量，也是研究物质激发态特性试验物理装置中不可或缺的关键部件。除此之外，半导体激光器还被广泛应用于材料加工等方面。
半导体激光器虽然是高效率的电——光转换器件，但由于其不可避免地存在一些损耗机制，使得部分注入的电功率转化为热量，引起激光器温升。半导体激光器的工作物质是PN 结，对温度极其敏感，温度变化会直接影响到半导体激光器的阈值电流、发射波长、输出功率的稳定性，严重破坏半导体激光器的工作特性。当半导体激光器被用作泵浦固体激光器时，结温升高会导致发射光谱与激光介质的吸收带失配，使器件功率输出下降，严重时，甚至令激光器不能正常工作。此外，保持半导体激光器的结温对于提高其运行寿命也有非常重要的意义。因此在许多半导体激光器的应用场合都需要严格控制其工作温度，从而保证半导体激光器输出功率稳定、输出光波长恒定、转换效率更高、工作寿命更长。实验室目前正在使用的半导体激光器温度控制系统采用模拟控制方式，电路较为复杂，驱动功率较小，只适用于小功率半导体激光器，对于大功率半导体激光器阵列制冷效果尤其不佳，因此需要以全新的思路对大功率半导体激光器的温控系统重新设计。全数字温控的设计思想更易于实现泵浦用大功率半导体激光器阵列的温度控制，进而实现全固化激光器的温控需求。该设计工作也为实现激光器温度的计算机远程监控和诊断进行了铺垫性预研究。课题的主要任务就是通过研究与实施数字温度控制方法，设计可用于外腔稳频半导体激光器的数字温度控制系统。此设计对半导体激光器在其它很多方面的应用也都具有重要意义。
1.2半导体激光器概述
自1962 年世界上第一台半导体激光器发明问世以来，半导体激光器发生了巨大的变化，近几十年来其发展更为迅速，它从最初的同质结发展成单异质结、双异质结、量子阱等上百种形式，从最初的低温下(77K)发展到室温下连续工作，
从小功率型转变到大功率型，输出功率由几毫瓦提高到千瓦级（阵列器件）。
半导体激光器的一个重要应用就是泵浦固体激光器。早在1963 年，美国人纽曼就首次提出了用半导体激光器作为固体激光器泵浦源的构想。但当时二极管的各项性能还很差，而且只能在低温下运转。进入八十年代以后，随着大功率半导体激光器及其列阵的发展，特别是量子阱的采用，使激光二极管阈值电流大大降低，转换效率大幅提高，输出功率成倍增长，使用寿命大大延长，使半导体激光器泵浦固体激光器的研究取得了突飞猛进的发展。
大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长、功率大等诸多优点，是用于工业、军事国防等行业的固体激光器必需的泵浦光源，在国民经济的许多领域都发挥着重要作用。
我国的半导体激光器阵列的研究近几年来也取得了很大进展。2002年，河北工业大学信息工程学院微电子所和中国电子科技集团公司电子第十三研究所设计并研制的占空比为20％的808nm激光器阵列的输出功率达61.8W。同期，又成功研制出峰值波长为941nm，输出峰值功率达到67.9W的单量子阱激光器。与此同时，他们研制成903nm半导体激光器阵列,输出峰值功率达到730W,可稳定工作8600小时以上。2003年，他们制作了20％占空比、941.8nm的大功率半导体出功率高达90.6W,最高电光转换效率42.3％。长春光学精密机械学院于2001年做出的应变量子阱列阵半导体激光器准连续输出功率达80W，峰值波长为978～981nm。同期与吉林大学合作研制出810nm高功率半导体激光器阵列，输出功率达40W。2002年，他们又研制成大功率808nm激光器阵列，室温连续输出功率达58W。2004年，他们首次采用光源成像调节技术, 实现了五个高功率激光器bar组成的激光器线阵光束共线, 研制出了连续输出217W、5bar共线性好的激光列阵模块, 达到国际先进水平。
中科院半导体所在2004年实现了160个激光条叠层封装的准连续17kW、808nm的GaAs/AlGaAs激光二极管列阵。
从大功率半导体激光器阵列的发展中不难看出，其发展趋势是进一步提高激光器的输出功率，转换效率以及使用寿命。输出功率的不断提高势必导致半导体激光器的热耗不断增大，从而限制其输出功率的进一步提高。因此温度控制在大功率半导体激光器阵列的研究和应用中突显出更加重要的作用。
1.3本课题的设计内容与目的
1.3.1 设计要求
设计与制作用于外腔稳频半导体激光器系统的数字温控电路。要求：温度稳
定度达到相应要求；以键盘输入、LCD或LED显示预设与实际输出的电压值，或者在上位机建立友好的用户界面。该温度自动控制系统由温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，报警电路，时钟信号电路等构成，并运用PID算法进行温度控制和调整。
根据设计任务，详细分析温度自动控制系统的设计需求，并进行软硬件的总体设计。由键盘电路输入设定温度信号给单片机，温度信号采集电路采集现场温度信号给单片机，单片机根据输入与反馈信号的偏差进行PID计算，输出反馈量给温度控制电路，实现恒温。显示电路实现现场温度的实时监控。设计人员需完成全部硬件和软件的设计，并利Proteus仿真软件对设计结果进行验证。
1.3.2重点研究内容
本设计包括硬件设计和软件设计。
硬件设计主要包括温度信号采样电路，键盘及显示电路，温度控制电路，报警电路，时钟信号电路等，其中硬件设计重点是键盘及显示电路和温度控制电路。
软件设计主要完成系统初始化、键盘处理子程序、DS18B20和LCD1602的子程序设计、PID计算子程序设计等工作。
1.3.3实现途径及方法
本系统主要通过资料查找、系统需求分析、系统总体设计，软硬件总体设计、详细的软件与硬件设计、系统仿真与调试、资料整理等步骤来完成。
本系统利用Protel软件完成硬件电路设计工作，利用Keil51软件完成系统控制软件的编译调试工作，通过Proteus软件完成所有功能模块的电路仿真。
1.3.4 系统总体方案设计
在这个系统中我们从性能及设计成本考虑,我们选择AT89C52芯片。AT89C52的广泛使用，使单片机的价格大大下降。目前，AT89C52的市场零售价已经低于8255、8279、8253、8250等专用接口芯片中的任何一种；而AT89C52的功能实际上远远超过以上芯片。因此，如把AT89C52作为接口芯片使用，在经济上是合算的。在温度传感器的选择上我们采用温度芯片DS18B20测量温度。该芯片的物理化学性很稳定，它能用做工业测温元件，且此元件线形较好。在0—1000℃时，最大线形偏差小于10℃。该芯片直接向单片机传输数字信号，便
于单片机处理及控制。本制作的最大特点之一就是直接采用温度芯片对温度进行测量，使数据传输和处理简单化。采用温度芯片DS18B20测量温度，体现了作品芯片化的这个趋势。部分功能电路的集成，使总体电路更简洁，搭建电路和焊接电路时更快。而且，集成块的使用，有效地避免外界的干扰，提高测量电路的精确度。本方案应用这一温度芯片，也是顺应这一趋势。对于温度的调节系统，我们采用的只是简单的升温方法，当温度低于我们设定的最低温度值时，则单片机系统控制加热装置产生热量来提高温度。在这个过程中，我们通过单片机将传感器所测量出来的温度通过LCD1602可以显示出来。这样就能实时显示温度情况。
本设计采用了PID控制。在工程实际中，PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型，控制理论的其他技术也难以采用，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定时，应用PID控制技术最为方便。
PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时问和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一是理论计算整定法，它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。二是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。温度自动控制系统原理框图如图1-1所示：
图1.1 温度自动控制系统原理框图
2.系统硬件各功能模块的设计
2.1主控模块的设计
2.1.1 AT89C52单片机简介
AT89C52是一种低功耗、高性能CMOS8位微控制器，具有8K 在系可编程Flash 存储器。片上Flash 允许程序存储器在系统可编程，亦适于常规编程器。在单芯片上，拥有灵巧的8 位CPU 和在系统可编程Flash ，使AT89C52为
众多嵌入式控制应用系统提供高灵活、有效的解决方案。
AT89C52具有以下标准功能：8k 字节Flash ，256字节RAM ，32 位I/O 口线，看门狗定时器，2个数据指针，三个16位定时器/计数器，一个6向量2级中断结构，全双工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，AT89C52 可降至0Hz 静态逻辑操作，支持2种软件可选择节电模式。空闲模式下，CPU 停止工作，
AT89C52 4×4矩阵键盘 LCD1602
功率驱动
恒温装置
DS18B20
允许RAM、定时器/计数器、串口、中断继续工作。掉电保护方式下，RAM内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。
AT89C52的广泛使用使得市面价格较8155、8255、8279要低，所以说用它是比较经济的。该芯片具有如下功能：①有1个专用的键盘/显示接口；②有1个全双工异步串行通信接口；③有2个16位定时/计数器。这样，1个AT89C52，承担了3个专用接口芯片的工作；不仅使成本大大下降，而且优化了硬件结构和软件设计，给用户带来许多方便。AT89C52有40个引脚，有32个输入端口（I/O），有2个读写口线，可以反复插除。所以可以降低成本[1]。
其主要工作特性为：
1.内含8KB的Flash存储器，擦写次数达1000次；
2.内含128字节的RAM；
3.具有32根可编程I/O线；
4.具有2个16位可编程定时器；
5.具有6个中断源、5个中断矢量、2级优先权的中断结构；
6.具有1个全双工的可编程串行通信接口；
7.具有1个数据指针DPTR；
8.两种低功耗工作模式，即空闲模式和掉电模式；
9.具有可编程的3级程序锁定位；
10.工作电源电压为5±1.2V，典型值为5V；
11.最高工作频率为24MHz。
12.引脚排列如图2-1所示。
图2.1 AT89C52引脚排列（PDIP）
2.1.2复位和时钟电路的设计
本系统中采用上电复位和手动复位键复位相结合的方式。系统时钟电路设计采用内部方式。AT89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器。这个放大器与作为反馈元件的片外晶体谐振器构成一个自激振荡器。外接晶体谐振器以及电容构成并联谐振电路，接在放大器的反馈回路中。本系统电路采用的晶体振荡器频率为11．0592MHz。采用这种频率的晶体振荡器的原因是可以方便的获得标准的波特率。复位电路和时钟电路如图2-5所示。复位电路有上电自动复位和按钮手动复位两种。上电复位是利用电容充电来实现的，上电瞬间RST/VPD 端的电位与VCC相同，随着充电电流的减少，RST/VPD的电位逐渐下降，图2.2中的10K的电阻是施密特触发器输入端的一个下拉电阻，时间常数为10*10-6*10*103s=100ms,只要Vcc的上升时间不超过1ms，振荡器建立时间不超过10ms,这个时间常数足以保证完成复位操作[6]。上电复位所需最短时间是震荡周期建立时间加上2个机器周期时间。按钮复位采用电平复位方式，按下复位电钮时，电源对外接电容充电，使RST/VPD端为高电平，复位按钮松开后，电容通过内部下拉电阻放电，逐渐使RST/VPD端恢复低电平。
Y1
11.0592M
C3630P
C3730P
SW1*
R1310K
+
C35VCC
EA/VP 31
X119X218
RE SE T 9RD 17WR
16
INT 012
INT 113T014T115P101P112P123P134P145P156P167P178P0039P0138P0237P0336P0435P0534P0633P0732P2021P2122P2223P2324P2425P2526P2627P27
28
PSEN
29
AL E/P 30TXD 11RXD 10U9
AT 89C52
RD WR
A1A2A3A4B1B2PWM
B4
B3P3.5
图2.2 复位电路和时钟电路
2.1.3温度传感器的选择
DS18B20原理与特性：本系统采用了DS18B20单总线可编程温度传感器,来实现对温度的采集和转换，大大简化了电路的复杂度，以及算法的要求。首先来介绍一下DS18B20这块传感器的特性及其功能: DSl8B20的管脚及特点 DS18B20可编程温度传感器有3个管脚。内部结构主要由四部分组成：64位光刻ROM 、温度传感器、非挥发的温度报警触发器TH 和TL 、配置寄存器。DS18B20的外形及 管脚排列如图2.3所示
图2.3 DS18B20的外形及管脚图
GND为接地线，DQ为数据输入输出接口，通过一个较弱的上拉电阻与单片机相连。VDD为电源接口，既可由数据线提供电源，又可由外部提供电源，范围3．O～5.5 V。本文使用外部电源供电。
主要特点有：
1.用户可自设定报警上下限温度值。
2.不需要外部组件，能测量－55～+125℃范围内的温度。
3.－10℃～+85℃范围内的测温准确度为±0．5℃。
4.通过编程可实现9～l2位的数字读数方式，可在至多750 ms内将温度转
换成12 位的数字，测温分辨率可达0．0625℃。
5.独特的单总线接口方式，与微处理器连接时仅需要一条线即可实现与微
处理器双向通讯。
6.测量结果直接输出数字温度信号，以"一线总线"串行传送给CPU，同时可
传送CRC校验码，具有极强的抗干扰纠错能力。
7.负压特性：电源极性接反时，芯片不会因发热而烧毁，但不能正常工作。
8.DS18B20支持多点组网的功能，多个DS18B20可以并联在唯一的三线上，
实现组网多点测温。
DS18B20内部功能模块如图2.4所示，
图2.4 DS18B20内部功能模块
DS18B20的工作原理:
DS18B20的读写时序和测温原理与DS1820相同，只是得到的温度值的位数因分辨率不同DS18B20 为9位～12位A/D转换精度，而DS1820为9位A/D转换,虽然我们采用了高精度的芯片,但在实际情况上由于技术问题比较难实现,而实际精度此时温度寄存器中的数值即为所测温度。斜率累加器用于补偿和修正测温过程中的非线性，其输出用于修正计数器1的预置值。如下2.4的测温原理图不同，且温度转换时的延时时间由2s减为750ms。 DS18B20测温原理如图2.5所
示。
图2.5 DS18B20的测温原理框图
图中低温度系数晶振的振荡频率受温度影响很小，用于产生固定频率的脉冲信号送给计数器1。则高温度系数晶振随温度变化其振荡率明显改变，所产生的信号作为计数器2的脉冲输入。计数器1和温度寄存器被预置在－55℃所对应的一个基数值时。计数器1对低温度系数晶振产生脉冲信号，进行减法计数，当计数器1的预置值减到0时，温度寄存器的值将加1，计数器1的预置将重新被装入，计数器1重新开始对低温度系数晶振产生的脉冲信号进行计数，如此循环直到计数器2计数到0时，停止温度寄存器值。
DS18B20使用中注意事项：
DS18B20虽然具有测温系统简单、测温精度高、连接方便、占用串口少等优点，但在实际应用中也应注意以下几方面的问题：
1) 较小的硬件开销需要相对复杂的软件进行补偿，由于DS18B20与微处理器间采用串行数据传送，因此，在对DS18B20进行读写编程时，必须严格的保证读写时序，否则将无法读取测温结果。在使用PL/M、C等高级语言进行系统程序设计时，对DS18B20操作部分最好采用汇编语言实现。
2) 在DS18B20的有关资料中均未提及单总线上所挂DS18B20数量问题，容易使人误认为可以挂任意多个DS18B20，在实际应用中并非如此。当单总线上所挂DS18B20超过8个时，就需要解决微处理器的总线驱动问题，这一点在进行多点测温系统设计时要加以注意。
3) 连接DS18B20的总线电缆是有长度限制的。试验中，当采用普通信号电缆传输长度超过50m时，读取的测温数据将发生错误。当将总线电缆改为双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离可达150m，当采用每米绞合次数更多的双绞线带屏蔽电缆时，正常通讯距离进一步加长。这种情况主要是由总线分布电容使信号
波形产生畸变造成的。因此，在用DS18B20进行长距离测温系统设计时要充分考虑总线分布电容和阻抗匹配问题。
在DS18B20测温程序设计中，向DS18B20发出温度转换命令后，程序要等待DS18B20的返回信号，一旦某个DS18B20接触不好或断线，当程序读该DS18B20时，将没有返回信号，程序进入死循环。这一点在进行DS1820硬件连接和软件设计时也要给予一定的重视。测温电缆线采用屏蔽4芯双绞线，其中有一对接地线与信号线，另一组接VCC和地线。
数据采集电路如图2.6所示,1脚接地，2脚即为单总线数据口，3脚接电源。温度传感器DS18B20采集被控对象的实时温度,提供给AT89C52的P3.5口作为数据输入。
J1DS18B20
3
2
1
VCC
P3.5
图2.6 数据采集电路
2.1.4 半导体制冷器（TEC）
LD 温控系统中采用半导体制冷。半导体制冷又称温差制冷或热电制冷，这项技术自 20 世纪 50 年代末发展起来后，因其具有独特的有点而得到了较广泛的应用。我国在 20 世纪 60 年代开始对半导体制冷进行了研究，并生产出性能良好的半导体制冷材料。随着我国经济的高速发展，许多领域有待半导体制冷技术去进一步开拓。具有热电能量转换特性的材料，在通过直流电时有制冷功能，因此得名热电制冷。由于半导体材料具有最佳的热电能量转换特性，它的应用才真正使热电制冷实用化，半导体制冷也由此得名。总的热电效应由同时发生的五种不同效应组成。其中塞贝克、珀尔帖和汤姆逊三种效应表明电和热能相互转换是直接可逆的，另外两种效应是热的不可逆效应，即焦耳和富里叶效应。简单介绍一下 TEC 工作时起主导作用的珀尔帖效应。当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时，结点上将产生吸热或放热现象，如图 2.7 所示。这是法国人珀尔帖最早发现的，因此这个现象称为珀尔帖现象。
实验表明，结点上的换热量(珀尔帖热)与电流成正比，珀尔帖系数只取决于一对材料，而不只取决于其中一种材料。对于半导体热电偶，珀尔帖效应特别显
第9卷第21期 2009年11月1671 1819(2009)21 6532 04 科学技术与工程 ScienceTechnologyandEngineering 2009 Sci Tech Engng 9 No 21 Nov.2009 Vol 通信技术 半导体激光器驱动电路设计 何成林 (中国空空导弹研究院,洛阳471009) 摘要半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分。根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路。通过仿真和试验证明该电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用。 关键词激光引信半导体激光器窄脉冲中图法分类号 TN242; 文献标志码 A 激光引信大部分采用主动探测式引信,主要由发射系统和接收系统组成。发射系统产生一定频率和能量的激光向弹轴周围辐射红外激光能量,而接收系统接收处理探测目标漫反射返回的激光信号,而后通过信号处理系统,最终给出满足最佳引爆输出信号。由此可见,激光引信的探测识别性能很大程度上取决于激光发射系统的总体性能,即发射激光脉冲质量。而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电路的质量。因此,半导体激光器驱动电路设计是激光引信探测中十分重要的关键技术。 图1 驱动电路模型 放电,从而达到驱动激光器的目的。 由于激光引信为达到一定的探测性能,通常会要求激光脉冲脉宽窄,上升沿快,一般都是十几纳秒甚至几纳秒的时间。因此在选择开关器件时要求器件开关速度快。同时,由于激光器阈值电流、工作电流大 [1] 1 脉冲半导体激光器驱动电路模型分析 激光器驱动电路一般由时序产生电路、激励脉冲产生电路、开关器件和充电元件几个部分组成,如图1。 图1中,时序产生电路生成驱动所需时序信号,一般为周期信号。脉冲产生电路以时序信号为输入条件。根据其上升或下降沿生成能够打开开关器件的正激励脉冲或负激励脉冲。开关器件大体有三种选择:双极型高频大功率晶体管、晶体闸流管电路和场效应管。当激励脉冲到来时,开关器件导通,
目录 第一章绪论 (1) 1.1设计背景 (1) 第二章脉冲激光测距仪的工作原理 (2) 2.1测距仪的简要工作原理 (2) 第三章脉冲激光器的结构及工作过程 (3) 3.1激光脉冲测距仪光学原理结构 (3) 3.1.1测距仪的大致结构组成 (3) 3.2主要的工作过程 (4) 3.3主要部件分析： (4) 3.3.1激光器（一般采用激光二极管） (4) 3.3.2激光二极管的特性 (5) 3.3.3光电器件（采用雪崩光电二极管APD） (6) 第四章影响测距仪的各项因素 (7) 4.1光脉冲对测距仪的影响 (7) 4.2发散角对测距仪的影响 (8) 第五章测距仪的光电读数显示 (9) 5.1距离显示原理及过程 (9) 5.2测量精度分析 (10) 5.3总述 (11) 参考文献 (11)
第一章绪论 1.1设计背景 在当今这个科技发达的社会，激光测距的应用越来越普遍。在很多领域，如电力，水利，通讯，环境，建筑，地质，警务，消防，爆破，航海，铁路，军事，农业，林业，房地产，休闲、户外运动等都可以用到激光测距仪。 激光测距仪一般具有精确度和分辨率高、抗干扰能力强、体积小、重量轻等优点，因而应用领域广、行业需求众多，市场需求空间大。 当前激光测距仪的发展趋势是向测量更安全、测量精度高、系统能耗小、体积小型化方向发展。激光测距仪一般采用两种方法来测量距离：脉冲法和相位法。而其中脉冲激光测距的应用领域也是越来越宽广，比如，地形测量、战术前沿测距、导弹运行轨道跟踪以及人造卫星、地球到月亮距离的测量等。脉冲激光测距法是利用激光脉冲持续时间非常短，能量相对集中，瞬时功率很大（可达几兆瓦）的特点，在有合作目标的情况下，脉冲激光测距可以达到极远的测程；如果只是利用被测目标对脉冲激光的漫反射所取得的微弱反射信号，也是可以测距的。因而脉冲激光测距法应用较多。
大功率半导体激光器件最新发展现状分析 1 引言 半导体激光器由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点，诞生伊始一直是激光领域的关注焦点，广泛应用于工业、军事、医疗、通信等众多领域。但是由于自身量子阱波导结构的限制，半导体激光器的输出光束质量与固体激光器、CO2激光器等传统激光器相比较差，阻碍了其应用领域的拓展。近年来，随着半导体材料外延生长技术、半导体激光波导结构优化技术、腔面钝化技术、高稳定性封装技术、高效散热技术的飞速发展，特别是在直接半导体激光工业加工应用以及大功率光纤激光器抽运需求的推动下，具有大功率、高光束质量的半导体激光器飞速发展，为获得高质量、高性能的直接半导体激光加工设备以及高性能大功率光纤激光抽运源提供了光源基础。 2 大功率半导体激光器件最新进展 作为半导体激光系统集成的基本单元，不同结构与种类的半导体激光器件的性能提升直接推动了半导体激光器系统的发展，其中最为主要的是半导体激光器件输出光束发散角的降低以及输出功率的不断增加。 2.1 大功率半导体激光器件远场发散角控制 根据光束质量的定义，以激光光束的光参数乘积（BPP）作为光束质量的衡量指标，激光光束的远场发散角与BPP成正比，因此半导体激光器高功率输出条件下远场发散角控制直接决定器件的光束质量。从整体上看，半导体激光器波导结构导致其远场光束严重不对称。快轴方向可认为是基模输出，光束质量好，但发散角大，快轴发散角的压缩可有效降低快轴准直镜的孔径要求。慢轴方向为多模输出，光束质量差，该方向发散角的减小直接提高器件光束质量，是高光束半导体激光器研究领域关注的焦点。 在快轴发散角控制方面，如何兼顾快轴发散角和电光效率的问题一直是该领域研究热点，尽管多家研究机构相续获得快轴发散角仅为3o，甚至1o的器件，但是基于功率、光电效率及制备成本考虑，短期内难以推广实用。2010年初，德国费迪南德-伯恩研究所(Ferdinand-Braun-Inst itu te)的P. Crump等通过采用大光腔、低限制因子的方法获得了30o快轴发散角（95%能量范围），光电转换效率为55%，基本达到实用化器件标准。而目前商用高功率半导体激光器件的快轴发散角也由原来的80o左右（95%能量范围）降低到50o以下，大幅度降低了对快轴准直镜的数值孔径要求。 在慢轴发散角控制方面，最近研究表明，除器件自身结构外，驱动电流密度与热效应共同影响半导体激光器慢轴发散角的大小，即长腔长单元器件的慢轴发散角最易控制，而在阵列器件中，随着填充因子的增大，发光单元之间热串扰的加剧会导致慢轴发散角的增大。2009年，瑞士Bookham公司制备获得的5 mm腔长，9XX nm波段10 W商用器件，成功将慢轴发散角（95%能量范围）由原来的10o～12o降低到7o左右；同年，德国Osram公司、美国相干公司制备阵列器件慢轴发散角（95%能量范围）也达7o水平。 2.2 半导体激光标准厘米阵列发展现状 标准厘米阵列是为了获得高功率输出而在慢轴方向尺度为1 cm的衬底上横向并联集成多个半导体激光单元器件而获得的半导体激光器件，长期以来一直是大功率半导体激光器中最常用的高功率器件形式。伴随着高质量、低缺陷半导体材料外延生长技术及腔面钝化技术的提高，现有CM Bar的腔长由原来的0.6～1.0 mm增大到2.0～5.0mm，使得CM Bar输出功率大幅度提高。2008年初，美国光谱物理公司Hanxuan Li等制备的5 mm腔长，填充因子为83%的半导体激光阵列，利用双面微通道热沉冷却，在中心波长分别为808 nm，940 nm，980 nm处获得800 W/bar，1010W/bar，950 W/bar的当前实验室最高CM Bar连续功率输出水平。此外，德国的JENOPTIK公司、瑞士的Oclaro公司等多家半导体激光供应商也相续制备获得千瓦级半导体激光阵列，其中Oclaro公司的J. Müller等更是明确指出，在现有技术
44瓦超高功率808 nm半导体激光器设计与制作 仇伯仓，胡海，何晋国 深圳清华大学研究院 深圳瑞波光电子有限公司 1. 引言 半导体激光器采用III-V化合物为其有源介质，通常通过电注入，在有源区通过电子与空穴复合将注入的电能量转换为光子能量。与固态或气体激光相比，半导体激光具有十分显著的特点：1）能量转换效率高，比如典型的808 nm高功率激光的最高电光转换效率可以高达65%以上 [1]，与之成为鲜明对照的是，CO2气体激光的能量转换效率仅有10%，而采用传统灯光泵浦的固态激光的能量转换效率更低, 只有1%左右；2）体积小。一个出射功率超过10 W 的半导体激光芯片尺寸大约为0.3 mm3, 而一台固态激光更有可能占据实验室的整整一张工作台；3）可靠性高，平均寿命估计可以长达数十万小时[2]；4）价格低廉。半导体激光也同样遵从集成电路工业中的摩尔定律，即性能指标随时间以指数上升的趋势改善，而价格则随时间以指数形式下降。正是因为半导体激光的上述优点，使其愈来愈广泛地应用到国计民生的各个方面，诸如工业应用、信息技术、激光显示、激光医疗以及科学研究与国防应用。随着激光芯片性能的不断提高与其价格的持续下降，以808 nm 以及9xx nm为代表的高功率激光器件已经成为激光加工系统的最核心的关键部件。高功率激光芯片有若干重要技术指标，包括能量转换效率以及器件运行可靠性等。器件的能量转换效率主要取决于芯片的外延结构与器件结构设计，而运行可靠性主要与芯片的腔面处理工艺有关。本文首先简要综述高功率激光的设计思想以及腔面处理方法，随后展示深圳清华大学研究院和深圳瑞波光电子有限公司在研发808nm高功率单管激光芯片方面所取得的主要进展。 2.高功率激光结构设计 图1. 半导体激光外延结构示意图
半导体激光器驱动电源的控制系统 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。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。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D 转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。 2 半导体激光器电源控制系统设计 目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压;二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。 2.1 慢启动电路 半导体激光器往往会因为接在同一电网上的多种电器的突然开启或者关闭而受到损坏，这主要是由于开关的闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流，就是该电流致使半导体激光器损坏，介于这种情况，必须加以克服。因此，驱动电源的输入应该设计成慢启动电路，以防损坏，：左边输入端接稳压后的直流电压，右边为输出端。整个电路的结构可看作是在射级输出器上添加了两个Ⅱ型滤波网络，分别由L1，C1，C2和L2，C6，C7组成。电容C5构成的C型滤波网络及一个时间延迟网络。慢启动输入电压V在开关和闭合的瞬间产生大量的高频成分，经过图中的两个Ⅱ型网络滤出大部分的高频分量，直流以及低频分量则可以顺利地经过。到达电阻R和C组成的时间延迟网络，C2和C4并联是为了减少电解电容对高频分量的电感效应。 2.2 恒流源电路的设计 为了使半导体激光器稳定工作，对流过激光器的电流要求非常严格，供电电路必须是低噪声的稳定恒流源驱动，具体电路。 使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。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。 1 总体结构框图 本系统原理，主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。
《光纤通信》课程设计报告 设计名称：光纤中光孤子传输特性 专业：08光信息科学与技术 成员姓名：张XX、胡X、 成员学号： 指导老师：李X
光纤中光孤子传输特性 光孤子理论的出现，对于现代通信技术的发展起到了里程碑的作用。因为现代通信技术的发展一直朝着两个方向的努力：一是大容量的传输，二是延长中继距离。光孤子传输不变形的特点决定了他在通信领域的应用前景。普通的光纤通信必须每隔几十千米设立一个中继站，经对信号的脉冲整形放大误码检查后再发射出去，而用光孤子通信则可不设中继站，只要对光纤损耗进行增益补偿，即可把光信号无畸变的传输到很远的地方。 光孤子形成的机理 光孤子是光纤中两种最基本的物理现象，即群速度色散和SPM 共同的作用形成的。光纤中的强度引起的折射率非线性ＳＰＭ效应（光学柯尔效应），在反常区导致的光脉冲压缩可以抵消ＧＶＤ效应形成的光脉冲展宽，从而保持光脉冲传输过程中的形状不变。光孤子的形成机理是光纤中群速度色散和自相位调制效应在反常区的精确平衡。二而光纤耗损造成的脉冲能量的损失，则用每一段传输距离后的光放大器来补偿，保持其非线性效应作用的存在。 光孤子传输 １．系统的构成 将光孤子作为信息的载波可实现光孤子通信，其传输系统如下图： 图 光纤孤子传输系统的基本构成 该系统由5个基本功能组成： １．光孤子发送终端（TX ） ２．光孤子接受终端（RX ） ３．光孤子传输光纤（STF ） ４．光孤子能量补偿放大器（ＯＡ，ＯＡ１－ＯＡｎ） ５．光孤子传输控制装置（ＴＣＳ） 图中ＳＳ为光孤子源，ＭＯＤ为光调制器，ＴＳ为测试设备。 系统中的ＴＸ由超短脉冲半导体或掺饵光纤激光器，光调制器，信息源和光纤功率放大器构成，用于产生光孤子脉冲信号；ＲＸ由宽带光接收机或频谱分析仪，误码仪与条纹相机构成，用于测试系统的传输特性或通信能力；ＳＴＦ由普通单模光纤或色散位移光纤ＤＳＦ构成，OA1--ＯＡｎ由ＥＤＦＡ或ＳＯＡ组成，ＴＣＳ由导频滤波器，强度或相位调制器，非线性元件和色散补偿光纤等组成，设置在沿传输系统不同的区域，用于克服或降低由放大器放大带来的放大自 ｓｓ ｍｏｄ ＯＡ ＯＡ1 STF ＯＡ2 STF STF TCS ＯＡn STF TS TX RX
大功率半导体激光器的发展介绍 激光打标机、激光切割机、激光焊接机等等激光设备中激光器起着举足轻重的地位，在激光器的发展历程中，半导体激光器的发展尤为重要，材料加工用激光器主要要满足高功率和高光束质量，所以为了提高大功率半导体激光器的输出功率，可以将十几个或几十个单管激光器芯片集成封装、形成激光器巴条，将多个巴条堆叠起来可形成激光器二维叠阵，激光器叠阵的光功率可以达到千瓦级甚至更高。但是随着半导体激光器条数的增加，其光束质量将会下降。
另外，半导体激光器结构的特殊性决定了其快、慢轴光束质量不一致：快轴的光束质量接近衍射极限，而慢轴的光束质量却比较差，这使得半导体激光器在工业应用中受到了很大的限制。要实现高质量、宽范围的激光加工，激光器必须同时满足高功率和高光束质
量。因此，现在发达国家均将研究开发新型高功率、高光束质量的大功率半导体激光器作为一个重要研究方向，以满足要求更高激光功率密度的激光材料加工应用的需求。 大功率半导体激光器的关键技术包括半导体激光芯片外延生长技术、半导体激光芯片的封装和光学准直、激光光束整形技术和激光器集成技术。 （1）半导体激光芯片外延生长技术 大功率半导体激光器的发展与其外延芯片结构的研究设计紧密相关。近年来，美、德等国家在此方面投入巨大，并取得了重大进展，处于世界领先地位。首先，应变量子阱结构的采用，提高了大功率半导体激光器的光电性能，降低了器件的阈值电流密度，并扩展了GaAs基材料系的发射波长覆盖范围。其次，采用无铝有源区提高了激光芯片端面光学灾变损伤光功率密度，从而提高了器件的输出功率，并增加了器件的使用寿命。再者，采用宽波导大光腔结构增加了光束近场模式的尺寸，减小了输出光功率密度，从而增加了输出功率，并延长了器件寿命。目前，商品化的半导体激光芯片的电光转换效率已达到60%，实验室中的电光转换效率已超过70%，预计在不久的将来，半导体激光器芯片的电光转换效率能达到85%以上。 （2）半导体激光芯片的封装和光学准直 激光芯片的冷却和封装是制造大功率半导体激光器的重要环节，由于大功率半导体激光器的输出功率高、发光面积小，其工作时产生的热量密度很高，这对芯片的封装结构和工艺提出了更高要求。目前，国际上多采用铜热沉、主动冷却方式、硬钎焊技术来实现大功率半导体激光器阵列的封装，根据封装结构的不同，又可分为微通道热沉封装和传导热沉封装。
外腔用半导体激光器基本原理及应用 1. 外腔用半导体激光器的概念 早期普通FP腔结构的半导体激光管腔长一般在800μm—1500μm, 后反射面的反射率接近全反射,出射端面的反射率一般在百分之几十以内。由于谐振腔的精细度不够高,而自由光谱范围又很宽,造成普通FP腔半导体激光器的线宽比较宽,甚至会出现多模运转,所以通常不能直接用在原子分子精密光谱，光频标，冷原子操控，原子干涉仪等研究领域。后续出现了DFB/DBR等激光器，因为内置光栅的原因，线宽得到了一定的压窄，可以达到2MHz甚至更小，基本可以应用到上述领域中。但随着对研究精度的提高，MHz级别的线宽已经不能满足更高要求的实验需求了，于是通过在激光管外再增加一些光反馈元件,使得激光管的后反射面和光反馈元件之间形成一个外腔,这样的激光器称为外腔半导体激光器(ECDL)。由于外腔对激光器的模式选择作用,可以大幅度压窄半导体激光器的线宽到KHz级别,同时通过外腔光学元件的调谐作用,使得激光波长可以精确调谐。由于外腔半导体激光器具有易于调谐、谱线宽度窄、维护简单等特点,成为精密光谱研究中一个重要的工具。当然外腔用半导体激光器也有结构稳定性和紧凑度不如DFB激光器的情况，但更窄的线宽以及更高的功率依然是它的最大优势所在。 两种典型的外腔半导体激光管结构（Littrow结构和Littman结构）
2. 外腔用半导体激光管的线宽压窄原理 设入射光的波长为λ0 ，为了使1级光形成外腔反射，必须满足以下方程组： 从激光管出来的光谱范围较大，波长成分较多，但只有满足第一个方程的波长成分才会发生一级闪耀反射回去，同时腔长必须满足第二个方程，反射回去的光才能形成谐振放大。零级出射光里的波长成分主要是一级反射光的波长，其它波长成分因为没有放大过程会大幅衰减，表现出来的光谱特性就是极窄的线宽。 3. 主要应用 外腔用半导体激光器因为它极窄的线宽和较高的光功率，在冷原子，原子分子精密光谱研究领域具有广泛的用途，目前主要应用在原子冷却，光频标，原子干涉仪，激光陀螺，高精度原子钟和光钟。 ?????==0002sin 2λλθq L d
半导体激光器的发展与运用 0 引言激光器的结构从同质结发展成单异质结、双异质结、量子 阱 （单、多量子阱）等多种形式, 制作方法从扩散法发展到液相外延（LP日、气相外延（VPE）、分子束外延（MBE）、金属有机化合物气相淀积（MOCVD）、化学束外延（CBE 以及它们的各种结合型等多种工艺[5].半导体激光器的应用范围十分广泛，而且由于它的体积小，结构简单,输入能量低,寿命长,易于调制和价格低等优点, 使它已经成为当今光电子科学的核心技术,受到了世界各国的高度 重视。 1 半导体激光器的历史 半导体激光器又称激光二极管（LD）。随着半导体物理的发展,人们早在20 世纪50 年代就设想发明半导体激光器。 20 世纪60 年代初期的半导体激光器是同质结型激光器, 是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器。在1962 年7 月召开的固体器件研究国际会议上,美国麻省理工学院林肯实验室的两名学者克耶斯（KeyeS和奎斯特（Quist、报告了砷化镓材料的光发射现象。 半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器,它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如GaAs,GaAIAs所组成的激光器。单异质结注人型激光器（SHLD，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP 一N 结的P 区之内,以此来降低阀值电流密度的激光
器。 1970 年,人们又发明了激光波长为9 000? 在室温下连续工作的双异质结GaAs-GaAlAs（砷化稼一稼铝砷）激光器. 在半导体激光器件中,目前比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式GaAs 二极管激光器. 从20 世纪70 年代末开始, 半导体激光器明显向着两个方向发展,一类是以传递信息为目的的信息型激光器;另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。在泵浦固体激光器等应用的推动下, 高功率半导体激光器（连续输出功率在100W 以上,脉冲输出功率在5W 以上, 均可称之谓高功率半导体激光器）在20 世纪90 年代取得了突破性进展,其标志是半导体激光器的输出功率显著增加,国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化,国内样品器件输出 已达到600W另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中,可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长,可以很方便地对输出 光束进行调制。 20 世纪90 年代末,面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。 目前,垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络,为了满足21 世纪信息传输宽带化、信息处理高速化、信息存储大容量以及军用装备小型、高精度化等需要,半导体激光器的发展趋势主要是向高速宽带LD大功率LD短波长LD盆子线和量子点激光器、中红外LD
查阅相关文献资料，设计半导体激光器驱动电路，说明设计思路和电路模块的功能 图1 在半导体激光器的设计中，为了便于对光功率进行自动控制，通常激光器内部是将LD 和背向光检测器PD集成在一起的，见图1。其中LD有两个输出面，主光输出面输出的光供用户使用，次光输出面输出的光被光电二极管PD接收，所产生的电流用于监控LD的工作状态。背光检测器对LD的功率具有可探测性，可设计适当的外围电路完成对LD的自动光功率控制。激光器电路的设计框图如图所示，将电源加在一个恒压电路上，得到恒定的电压，再通过一个恒流电路得到恒定的电流以驱动LD工作. 其中恒压电路如图2，由器件XC9226以及一个电感和两个电容组成。XC9226是同步整流型降压DC/DC转换器，工作时的消耗电流为15mA，典型工作效率高达92%，只需单个线圈和两个外部连接电容即可实现稳定的电源和高达500IllA的输出电流。其输出纹波为10mV，固定输出电压在0.9v到4.0V范围内，以loomv的步阶内部编程设定。该电路中，输出的恒定电压设定为2.6v。 图2 恒流电路如图3，主要由LMV358、三极管以及一些电阻和电容共同组成.LMv358是一个低电压低功耗满幅度输出的低电压运放，工作电压在2.7v到5.5v之间。从恒压电路输出的2.6V电压经过Rl、RZ分压后，在LMv35s的同相输入端得到恒定电压Up，Up加在一个电压串联负反馈电路上，得到一个输出电压Uo。Uo再通过一个电阻和电容组成的LR滤波
电路上，得到恒定的直流电压uol，将uol作用在由三极管8050组成的共射级放大电路上，得到恒定的集电极电流Ic，k又通过一个滤波电容得到恒定的直流工作电压。 图3
光电综合课程设计报告 姓名: 李方圆 学号: 1150730006 专业: 应用物理学
目录 1引言 (1) 1.1含义 (1) 1.2结构 (1) 1.3优点 (1) 1.4发展趋势 (2) 2理论分析 (3) 3 MATLAB数值模拟 (3) 3.1 程序主要源代码 (3) 3.2 数值模拟结果 (5) 3.3 结果分析 (5) 4心得体会 (6)
1引言 1.1含义 单包层光纤激光器的输出一般只有几十毫瓦的量级, 因此光纤激光器通常被认为是小功率光电子器件。然而, 对于大多数的激光应用领域, 我们需要更高功率的激光输出。双包层泵浦技术的出现是光纤领域的一大突破, 它使得光纤激光器和光纤放大器真正成为高功率器件。双包层光纤激光器是新型光纤激光器发展的代表，它的优点在于不需要将泵浦能量直接藕合到模场直径相对较小的光纤中去，它可以采用低成本的，大模场(多模)高功率的半导体激光器作为泵浦源。因为这个优势，近几年来，双包层光纤激光器研究受到了极大的关注。 1.2结构 图1 是双包层光纤示意图。光纤由纤芯、内包层、外包层和保护层组成, 折射率从纤心到外包层依次减小。为保证光纤输出单模激光, 纤芯直径为一般为几个微米, 内包层起着使激光约束在单模纤芯内和成为泵浦光的多模导管作用, 外包层起将泵浦光限制在内包层中的作用。内包层的直径一般为几百微米, 这种设计大大减小了对泵浦源模式的质量要求, 可用价格相对便宜的高功率多模二极管阵列做泵浦源, 通过特定的光学装置或直接人射到光纤,一部分泵浦光藕合到纤芯中, 而大部分泵浦光祸合到内包层中, 内包层中的光受外包层限制, 在内包层之间来回反射, 而不被吸收, 在不断的穿过纤芯的过程中, 被其中的激光介质一稀土元素离子吸收, 所以泵浦光在光纤的一端藕合进人光纤, 在光纤的整个长
概述：一、光源 在光纤通信系统中，光源器件可实现从电信号到光信号的转换，是光发射机以及光纤通信系统的核心器件，它的性能直接关系到光纤通信系统的性能和质量指标。光纤通信系统要求光源具有合适的发射波长，处在光纤的低损耗窗口之中；有足够大的输出功率，从而有较长的传输距离；有较窄的发光谱线，可以减少光纤的色散对信号传输质量的影响；易于与光纤耦合，确保更多的光功率进入光纤；易于调制，响应速度要快，调制失真小，带宽大；在室温下能连续工作，可靠性高，寿命至少在10万小时以上。下面简单介绍已广泛应用的两类半导体光源：半导体发光二极管（LED ）和半导体激光二极管（LD ）。 1 发光二极管（LED ） 发光二极管（LED ）是低速、短距离光波通信系统中常用的光源。其寿命很长，受温度影响较小，输出光功率与注入电流的线性关系较好，价格也比较便宜。驱动电路简单，不存在模式噪声等问 题。 发光二极管结构简单，是一个正向偏置的PN 同质结，电子-空穴对在耗尽区辐射复合发光，称为电致发光。发出的部分光耦合进入光纤供传输使用。LED 所发出的光是非相干光，具有较宽的谱宽（30～60nm ）和较大的发射角（≈100°）。 自发辐射产生的功率是由正向偏置电压产生的注入电流提供的，当注入电流为I ，在稳态时，电子-空穴对通过辐射和非辐射复合，其复合率等于载流子注入率I/q ，其中发射电子的复合率决定于内量子效率ηint ，光子产生率为(I ηint/q)，因此LED 内产生的光功率为 ()int int /P w q η= (2. 1) 式中，ω 为光量子能量。假定所有发射的光子能量近似相等，并设从LED 逸出的功率占内部产生功率的份额为ηext ，则LED 的 发射功率为 ()int int /e ext ext P P w q I ηηη== (2. 2) ηext 亦称为外量子效率。由上式可知，LED 发射功率P 和注入电流I 成正比。 发光二极管LED 是光纤通信中的常用光源，它的发光仅仅是自发辐射，属于非相干光源，其输出光发射角较大，但LED 线性度好，调制时动态范围大，信号失真小，也就是P-I 曲线线性好，其P-I 特性曲线如图2.1所示。 图2.1 发光二极管的P —I 特性曲线 15 10 5 0 0 200 400 电流(mA) 发射功率(m W ) 边发光 面发光
半导体激光器的研究进展 摘要：本文主要述写了半导体激光器的发展历史和发展现状。以及对单晶光纤激光器进行了重点描述，因其在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，近年来成为新型固体激光源研究的热点。 一、引言。 激光是20 世纪以来继原子能、电子计算机、半导体之后人类的又一重大发明。半导体激光科学与技术以半导体激光器件为核心，涵盖研究光的受激辐射放大的规律、产生方法、器件技术、调控手段和应用技术，所需知识综合了几何光学、物理光学、半导体电子学、热力学等学科。 半导体激光历经五十余年发展，作为一个世界前沿的研究方向，伴随着国际科技进步突飞猛进的发展，也受益于各类关联技术、材料与工艺等的突破性进步。半导体激光的进步在国际范围内受到了高度的关注和重视，不仅在基础科学领域不断研究深化，科学技术水平不断提升，而且在应用领域上不断拓展和创新，应用技术和装备层出不穷，应用水平同样取得较大幅度的提升，在世界各国的国民经济发展中，特别是信息、工业、医疗和国防等领域得到了重要应用。 本文对半导体激光器的发展历史和现状进行了综述，同时因单晶光纤激光器在激光医疗、激光成像、光电对抗以及人眼安全测照等领域具有重大的应用价值，本文也将对其做重点描述。 二、大功率半导体激光器的发展历程。 1962 年，美国科学家宣布成功研制出了第一代半导体激光器———GaAs同质结构注入型半导体激光器。由于该结构的激光器受激发射的阈值电流密度非常高，需要5 × 104～1 ×105 A /cm2，因此它只能在液氮制冷下才能以低频脉冲状态工作。从此开始，半导体激光器的研制与开发利用成为人们关注的焦点。1963 年，美国的Kroemer和前苏联科学院的Alferov 提出把一个窄带隙的半导体材料夹在两个宽带隙半导体之间，构成异质结构，以期在窄带隙半导体中产生高效率的辐射复合。随着异质结材料的生长工艺，如气相外延( VPE) 、液相外延( LPE) 等的发展，1967年，IMB 公司的Woodall 成功地利用LPE 在GaAs上生长了AlGaAs。在1968—1970 年期间，美国贝尔实验室的Panish，Hayashi 和Sμmski成功研究了AlGaAs /GaAs单异质结激光器，室温阈值电流密度为8.6 × 103 A /cm2，比同质结激光器降低了一个数量级。
郑州轻工业学院 课程设计任务书 题目半导体激光器原理及应用 专业、班级学号姓名 主要内容、基本要求、主要参考资料等： 完成期限： 指导教师签名： 课程负责人签名： 年月日
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 郑州轻工业学院 课程设计说明书题目：半导体激光器原理及应用 姓名：王森 院（系）：技术物理系 专业班级：电子科学与技术09-1 学号：540911010132 指导教师：运高谦 成绩： 时间：年月日至年月日 I
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 摘要 本文主要讲的是半导体激光器的发展历史、工作原理及应用。半导体激光器产生激光的机理,即必须建立特定激光能态间的粒子数反转,并有合适的光学谐振腔。由于半导体材料物质结构的特异性和其中电子运动的特殊性,首先产生激光的具体过程有许多特殊之处,其次所产生的激光光束也有独特的优势,使其在社会各方面广泛应用。从同质结到异质结,从信息型到功率型,激光的优越性也愈发明显,光谱范围变宽,相干性增强,可以说是半导体激光器开启了激光应用发展的新纪元。 关键词激光技术；半导体激光器；受激辐射；光场 II
郑州轻工业学院半导体激光器课程设计 Abstract This article is mainly about the history of the development of semiconductor lasers, working principle and applications. Semiconductor lasers produce laser mechanism, which must be established between the specific laser energy state population inversion, and a suitable optical resonator. As the physical structure of the semiconductor material in which electron motion specificity and particularity, while the specific process of producing laser has many special features, the other produced by the laser beam has a unique advantage to make it widely used in all sectors of society . From homo-junction to the heterojunction, the power from the information type to type, is also becoming increasingly apparent superiority of the laser, spectral range, coherence enhanced semiconductor lasers opened a new era in the development of laser applications. Keywords: Laser technique；Semiconductor lasers；Stimulated emission；Optical field III
半导体激光器的最新进展及应用现状 发表时间：2018-11-11T11:02:03.827Z 来源：《电力设备》2018年第18期作者：黄志焕[导读] 摘要：随着半导体技术的发展，半导体激光器所涉及的领域也在不断扩展，其应用领域的范围已覆盖光电子学的很多方面，半导体激光器已成为光电子学的核心器件之一。 (天津环鑫科技发展有限公司 300384) 摘要：随着半导体技术的发展，半导体激光器所涉及的领域也在不断扩展，其应用领域的范围已覆盖光电子学的很多方面，半导体激光器已成为光电子学的核心器件之一。由于半导体激光器具有体积小、寿命长、电光转换效率高、调制速度快、波长范围宽和易于集成等优点，在光互连、光通信、光存储等方面具有广泛的应用。 关键词：半导体激光器；最新进展；应用现状 1半导体激光器研究的意义半导体激光器的研究是我国光电技术研究的重要内容，是国家重点提出并且一直在努力寻求新的突破的领域。就当前半导体激光器研究的意义来看，对国家的发展具有重要的现实意义。与此同时，半导体激光器在各行各业的应用都十分广泛，并且呈现出以每年20％以上的增长速度，比如，军师领域的激光雷达、制导以及医疗、通讯、光盘等都开始应用半导体激光器。其涉及领域之广，扩展速度之快，应用价值之强，是被广泛认可的。近年来，随着信息科技的不断发展，人们对半导体激光器的性能要求越来越高，传统的半导体激光器在具体的实践应用当中已经表现出明显的不足之处。因此进行半导体激光器的研究，不短提升半导体激光器的现代化水平，具有重要的现实意义。 2半导体行业半导体器件是电子电路中必不可少的组成成分。半导体是人们为了生产生活需要,将两物质按照电学性质进行分类时确定的一个名称。它的导电性介于导体和绝缘体之间。半导体导电性能全是由其原子结构决定的。以元素半导体硅和锗为例,其原子序列分别是14和32,它们两个最外层电子数都是4。半导体具有自由电子和空穴两种载流子。而半导体的性质不同于导体和绝缘体,就是因为半导体拥有的载流子数目不同而载流子是能够运动的荷电粒子。电子和空穴都是载流子,它们相互运动即可产生电流。硅和锗是最为典型的元素半导体。 根据构成物质元素的不同,半导体可分为元素半导体和化合物导体,元素半导体由一种元素构成,化合物半导体由多种元素构成。而根据掺杂类型的不同,半导体可分为本征半导体、N型半导体和P型半导体;如果按照原子结构的排列规则不同,又可分为单晶半导体、多晶半导体和非晶态半导体。半导体行业具有技术密集、资金密集,高风险高回报和知识密集等特点。进入2010年以来,国家大力支持半导体行业的发展,2011年11月,国家税务总局和财政部联合发布了《关于退还集成电路企业采购设备增值税期末留纸税额》;2012年4月政府部门又发布了《关于进一步鼓励软件产业和集成电路产业发展企业所得税政策的通知》;而于2014年,工信部又发布了《国家集成电路产业发展推进纲要》。近几年,我国半导体行业发展速度超快,半导体产业逐渐呈现向大陆地区转移的新趋势,为我国各行业的发展带来设备国产化的发展机遇。而且政府政策大力支持半岛体行业的发展,大基金入场将会加速产业转型升级,成熟化发展。半导体具有掺杂特性、热敏性和光敏性三大特点。 3激光器顾名思义,激光器是一种能发射激光的装置。1954年,人们制成了第一台微波量子放大器;1958年A.L.肖洛和C.H.汤斯把微波量子放大器的原理推广到光频范围;1960年T.H.梅曼等人制成了第一台红宝石激光器;1961年A.贾文等人制成了第一台氦氖激光器。1962年R.N.霍耳等人制成了第一台半导体激光器;之后,激光器的种类就越来越多。一般而言,按工作介质分类,激光器可分为固体激光器、气体激光器、染料激光器和半导体激光器4大类。激光器的组成一般由3个重要部分构成,即工作物质、激励抽运系统、谐振腔。其中激光工作物质是一种激光增益的媒介,其原子或分子的能级差决定了激光的波长与频率。激光抽运系统是指为使激光器持续工作给予能量的源头,它实现并维持了工作物质的粒子数反转。光学谐振腔是激光生成的容器,有多种多样的设计方式是激光器设计的核心。 4激光器系统功能 4.1逻辑控制 系统通过操作面板实现逻辑控制,主要控制功能有3个。（1）内时钟工作:通过RS-422通信接口,向电源控制单元发射出光指令,工作频率可1-20Hz切换,同时通过LED反馈激光器工作状态。（2）外时钟工作:利用外部开关切换至外时钟,利用DSP外部中断接口检测外时钟。（3）自检功能:通过按压自检开关,触发激光器发射激光。 4.2高精度时序控制 激光器输出能量的大小和稳定性与激光电源的高精度时序是密不可分的,必须确保电源控制系统输出时钟的精度及稳定性。为实现μs级高精度控制逻辑,采用DSP控制芯片内置的PLL模块完成高精度时序控制,锁相环独有的负反馈和倍频技术可以提供高精度、稳定的频率,DSP 输入时钟30MHz,倍频到150MHz,时钟周期可达6.67ns。通过精确的技术方法,按照设计的延时产生所需的各路时钟,可以满足高精度的时序配置要求。 4.3恒流源驱动控制 激光器电源控制系统接收到激光发射的信号后,DSP输出12位数字信号,通过DAC1230芯片,将数字信号转换成相应的模拟参考电压信号。恒流源电路中的采样电阻R将通过泵浦模块的电流转换成相应的电压,经过F放大电路后,与参考电压进行比较,产生功率驱动信号,此信号控制功率管的开关。同时可通过DSP改变参考电压的大小,实现恒流源电流的调节。激光电源控制系统还可通RS-422通信接口,远程设置恒流源的电流和脉宽。 4.4温度控制系统 温度是影响激光器泵浦模块输出波长和泵浦效率的重要因素,故对泵浦模块进行控温是必不可少的。半导体激光器一般采用半导体热电致冷器进行控温,该制冷器具有无机械运动、无噪声、无污染、体积小、可靠性高、寿命长、制冷迅速、冷量调节范围宽及冷热转换快等特点。测温元件采用电流输出型温度传感器AD590,特点是工作直流电压较宽,一般为4-30V,输出电流为223μA(-50℃)-423μA(+150℃),灵敏度为1μA/℃。
慢启动半导体激光器驱动电源的设计 毛海涛,林咏海,张锦龙,冯 伟,柴秀丽,牛金星,李方正 (河南大学物理与信息光电子学院,河南,开封,475001) 摘 要:根据半导体激光器的光功率与电流的关系,通过慢启动电路、纹波调零电路、功率稳恒电路等解决了使用中的电源在工作温度范围内其输出功率不稳定的问题。设计的电路稳定度达到4 10-4。关键词:半导体激光器;功率增益自动控制电路;驱动电源 中图分类号:T N248 44 文献标识码:A 文章编号:1008 7613(2005)05 0021 03 0 引言 半导体激光器(LD)具有体积小、重量轻、价格低、驱动电源简单且不需要高电压(2.5V )等独特优点。目前,广泛应用于光纤通讯、集成光学、激光印刷、激光束扫描等技术领域。在实际应用中,遇到的问题之一是激光器在发光时阻值不断上升,造成输出光功率的下降。这可能导致激光器永久性的破坏或使发光强度达不到作为光源时的参量要求。因此,研制性能可靠、经济、耐用的半导体激光器具有广泛的应用价值。 1 L D 的驱动电流与输出光功率的特性 半导体激光器的结构如图1所示,对一般的半导体激光器来说,激光二极管(L D )是正向接法,光电二极管(P D )是反向接法。P D 受光后转换出的光电流I m 在串联电阻R 2上以电压信号反映出射光功率的大小,如图2所示,因此添加控制电路即可达到 稳定发光功率的目的。 半导体激光器的发光功率与通过的电流关系如图3所示,为便于分辨,图中底部的近似直线有所抬高。从图3中可以看出,在某一温度下,当驱动电流低于阈值电流时,激光器输出光功率P 近似为零,半导体激光器只能发出荧光,当驱动电流高于阈值时输出激光,并且光输出功率随着驱动电流的增大而迅速增加并近似呈线性上升关系。2 半导体激光器驱动电路设计 本例以H TL670T5为例,介绍一种半导体激光器稳功率驱动电路。该管输出波长为650nm,额定功率30mW,其工作特性曲线与图3 所示接近。 2.1 慢启动电路 半导体激光器往往会由于接在同一电网上的日光灯等电器的关闭或开启而损坏,这是因为在开关闭合和开启的瞬间会产生一个很大的冲击电流,该电流足以使半导体激光器损坏,必须避免。为此,驱 21 第19卷 第5期新乡师范高等专科学校学报 Vol.19,No.5 2005年9月 JO U RNAL OF X IN XIAN G T EACHERS COL LEGE Sep.2005 收稿日期:2005 04 05. 作者简介:毛海涛(1953 ),男,河南开封市人,河南大学物理与信息电子学院教授,硕士研究生导师,主要从事激光理论 及应用技术方面的研究工作。