冲击电流驱动下半导体激光器的快速响应研究
激光冲击强化技术原理及其应用研究
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激光器设计原理讲解
引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。
同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。
作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。
本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。
因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。
并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。
经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。
1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。
随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。
本文主要研究半导体LD的驱动设计。
1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：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。
其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。
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λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。
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。
超短超强激光脉冲驱动等离子体波加速电子方案以及最新研究进展
的 电场 强度 达 到 ＥＬ ２ ・ｍ＿ ． 但 是 由于 这 个 ～ ７ ＴＶ 。 场 是个 振 荡 的 电场 ，一 般 不 能 在 长 距 离 加 速 电子 ．
为此人 们提 出 了一 系 列 的加 速 方 案 ，譬 如有 质 动 力
加 速 、真空 拍 频 波 加速 、Ｂ ｓｅ 光束 加 速 、激 光 随 ｅｓｌ 机加 速 、逆 自由 电 子 激 光 加 速 、逆 Ｃ ｒｎ ｏ ｅｅ ｋ ｖ加 速 等．但 除 了后两 者 ，这 些 激光 直 接 加 速 大都 局 限 于
＊ 国 家 自然科 学 基 金 （ 准 号 ：１ ３ ５２ ） 国 家杰 出青 年 科 学 基 金 （ 准 号 ：１４ ５ １ ） 批 ０ ３０ ０ 、 批 ０ ２ ４ ６ 、国 家 “ 六 三 ” 高 技 术惯 性 约束 聚 变 主题 和 中 国 八
科 学 院 知识 创新 工 程 资助 项 目
理论研 究 ．
新 型先 进粒 子加 速 器 一个 重 要 的 研究 方 向是 以
等离 子 体 作 为 加 速 介 质 的 电 子 等 离 子 体 波 加 速 器 ［ ． 这是 因 为 等 离 子 体 本 身 是 完 全 电离 的 准 中 １ ］
性 物质 ，能 够承 载极 大 的加 速 电场 ．其 中 的 电子 等
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弯 曲 ， 由此 出现 等 离 子 体 波 的 横 向 波 破 裂 现 象 ．
２ ０—２０ 稿 ，２ ０— １２ ０ ５１—５收 ０ ６０ —７收 修 改 稿
冲击响应谱试验技术讲座讲稿
4.2.4 水平摆锤式冲击响应谱试验机
冲头 传感器 谐振板 试件 支架 缓冲器 底座
试验结果表明：
1) 响应谱的低频斜率随试验台的后座支撑阻尼的减小而降低，可以调 节后座支撑阻尼，调整响应谱斜率； 2) 其柺点频率可近似表示为f2≈1/2D（冲击脉冲宽度），并随冲击峰值 的增大而稍有前移。可以调节冲头和响应板之间的冲击垫调节冲击脉 冲宽度，从而调节拐点频率； 3) 响应板的厚度不宜过薄，否则会造成台体垂直于台面方向的加速度响 应过大，超过规范对横向运动比的要求； 4) 合理选择支撑刚度，使一阶频率低于100Hz，以避免响应谱曲线出现 低频峰值； 摆锤式冲击试验台可以较好的模拟爆炸冲击环境，其响应谱容差满足要求， 符合试验规范。并且摆锤式响应谱试验机有如下优点： 1) 目前响应谱试验机谐振台面较厚，并且为水平方向冲击，在水平方向 的响应量值在台面上各点差别较小，因此有比较好的均匀度； 2) 可以方便地调整响应谱斜率和拐点频率，能进行不同的响应谱试验； 3) 响应板可以根据需要加大，安装试品方便。
1.2 冲击响应谱的定义 顾名思义，冲击响应谱是冲击作用在一个系统上，系统 上产生的响应，响应的大小和系统的固有频率和阻尼有关， 因此以横坐标为系统的固有频率，纵坐标为响应的最大峰 值，画出的曲线就是冲击响应谱。 更加专业的定义为： 冲击响应谱是指一系列单自由度 质量阻尼系统，当基础受到冲击激励时各单自由度系统在 不同的固有频率下的响应峰值。
怎样根据等效损伤原则来确定冲击的参数？
【例4】 从真实冲击环境的数据中 找到所对应的fi所对应的Ai，设找 到的fi=43Hz，对应的A=198m/s-2， 假设需要用半正弦进行冲击试验， 从归一化的半正弦冲击谱曲线查到fnD＝0.78时，a（γ） =1.78，得 A=198/1.78＝108.6m/s-2，D=0.78/43=18ms。 同理可以求得后峰锯齿波和梯形波的等效冲击试验脉冲加速度 峰值和冲击脉冲宽度。
半导体激光器 原理
半导体激光器原理
半导体激光器是一种基于半导体材料的激光发射装置。
它通过电流注入半导体材料中的活性层，使其产生载流子（电子和空穴）重组的过程中释放出光子。
以下是半导体激光器的基本原理：
1. P-N结构：半导体激光器通常采用P-N结构，其中P区域富含正电荷，N区域富含负电荷。
2. 电流注入：当电流从P区域注入到N区域时，电子和空穴
会在活性层中重组，形成激子（激发态）。
3. 激子衰减：激子会因为与晶格的相互作用而损失能量，进而衰减为基态激子。
4. 辐射复合：基态激子最终与活性层中的空穴重新结合，释放出光子。
这个过程称为辐射复合。
5. 光放大：光子通过多次反射在激光腔中来回传播，与活性层中的激子相互作用，不断放大。
6. 反射镜：激光腔两端分别放置高反射镜和透明窗口，高反射镜可以增加内部光子的反射使其在腔内传播，透明窗口允许激光通过。
7. 激光输出：当达到一定放大程度时，激光在透明窗口处逃逸，形成激光输出。
通过控制电流注入和激光腔的结构设计，可以调节半导体激光器的发射波长、功率等参数，以满足不同应用领域的要求。
高稳定度半导体激光器恒流驱动电路设计
８／２８３２－３５长春工程学院学报（自然科学版）２０２０年第２１卷第２期Ｊ．Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔ．Ｔｅｃｈ．（Ｎａｔ．Ｓｃｉ．Ｅｄｉ．），２０２０，Ｖｏｌ．２１，Ｎｏ．２ＩＳＳＮ １００９－８９８４ＣＮ ２２－１３２３／Ｎｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００９－８９８４．２０２０．０２．００８高稳定度半导体激光器恒流驱动电路设计收稿日期：２０２０－６－１２基金项目：吉林省教育厅“十三五”科学技术研究项目（ＪＪＫＨ２０１８０９８４ＫＪ）长春市科技计划项目（１８ＳＳ００８）作者简介：黄丫（１９７８－），女（汉），长春人，讲师，博士主要研究高速光电子学。
黄 丫１，３，田小建２，于 兰１，卢 虹１，李胜男１，孟 瑜１（１．长春工程学院能源动力工程学院，长春１３００１２；２．吉林大学电子科学与工程学院，长春１３００１２；３．吉林省建筑能源供应及室内环境控制工程研究中心，长春１３００１２）摘 要：设计了一种半导体激光器恒流驱动电路，使用金属—氧化物半导体场效应晶体管作为电流控制元件，通过反馈网络稳定电流，提高驱动电路输出模块的驱动能力和稳定性。
电路中设有限流保护和软起动保护，使半导体激光器驱动电路在提供大输出电流的同时，保证其稳定性、可靠性和安全性。
经实际测试，该驱动电路能够满足设计需求，为其他类似电路的设计提供了参考。
关键词：半导体激光器；恒流驱动；稳定度；软启动中图分类号：ＴＮ２９文献标志码：Ａ 文章编号：１００９－８９８４（２０２０）０２－００３２－０４０ 引言半导体激光器又称为激光二极管，是采用半导体材料作为工作物质的激光器。
半导体激光器是最实用最主要的一类激光器。
它体积小、寿命长，可采用简单的注入电流的方式来泵浦，其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。
基于这些优点，半导体激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面获得了广泛的应用［１－２］。
随着半导体激光器需求量的增加，其驱动电源的重要性也不断提高。
半导体激光器 电光效应
半导体激光器电光效应半导体激光器电光效应：深入探索激光科技的奇异之路导语：半导体激光器是一种利用电光效应产生激光的先进设备，它在现代科技领域中发挥着重要作用。
本文将深入探讨半导体激光器的原理、应用以及未来发展方向，带领读者领略激光科技的奇异之路。
第一部分：半导体激光器的原理和基本结构半导体激光器是一种基于半导体材料制造的激光器。
它的工作原理是利用电光效应，通过半导体材料中的电子与空穴的复合辐射出相干光。
半导体激光器的基本结构包括PN结、腔体和波导等组成部分。
1.PN结：PN结是半导体激光器的核心部件之一。
它由n型半导体和p型半导体组成，通过控制两者之间的电子和空穴流动，实现激光的产生和放大。
2.腔体：腔体是半导体激光器中光的放大区域。
它由两个反射镜（一个是半透明镜，一个是全反射镜）构成，形成一个光学腔。
激光在腔体中来回反射，通过多次放大和反射，最终获得高度纯净和相干的激光束。
3.波导：波导是指导激光传输的通道。
它通过高折射率的材料构成，将激光束引导到目标区域，提高激光的传输效率和精确性。
第二部分：半导体激光器的应用领域和现状半导体激光器以其小尺寸、高效率和易集成等特点，广泛应用于通信、医疗、工业制造等领域。
1.通信领域：半导体激光器在光纤通信中起到了关键作用。
它能够产生高速、稳定的激光信号，实现光纤通信的传输和调制。
2.医疗领域：半导体激光器在医疗领域中有着广泛应用。
例如，它可以用于激光手术、激光美容和激光治疗等方面。
激光器的高精确性和可控性使得医疗操作更加安全和精准。
3.工业制造领域：半导体激光器在工业制造中的应用非常广泛。
它可以用于激光切割、激光打标和激光焊接等工艺，提高生产效率和产品质量。
第三部分：半导体激光器的未来发展方向半导体激光器作为一种重要的光源设备，其未来发展方向主要体现在以下几个方面。
1.提高功率密度：随着科技的不断进步，人们对于激光器功率密度的要求越来越高。
半导体激光器需要进一步提高功率密度，以适应更多的应用场景。
一种基于单片机的半导体激光器电源控制系统的设计
一种基于单片机的半导体激光器电源控制系统的设计作者：贾文超李娟娟刘增俊程全喜来源：《现代电子技术》2008年第05期摘要：介绍了一种以C8051F高速单片机为核心的半导体激光器驱动电源的控制系统。
半导体激光器的工作电流是通过恒流源及光功率反馈控制的，其中恒流源采用达林顿管作为调整管，他可调整大范围的输出电流，可为半导体激光器提供稳定、连续的电流，并且具有慢启动和保护电路等功能。
关键词：半导体激光器;恒流源;慢启动;C8051F单片机中图分类号：TP368.1;TN249 文献标识码：B文章编号：1004373X(2008)0519002Design of Electric Power Control System by Single Chip for Semiconductor LaserJIA Wenchao,LI Juanjuan,LIU Zengjun,CHENG Quanxi(Electrical and Electronic Engineering College,Changchun University ofTechnology,Changchun,130012,China)Abstract：A diode laser output power system controlled by microprocessor C8051F is presented.The work current of diode laser controlled by stable current source and light power feedback.This constant current source uses a high power Darlington transistor as the current control device,the value and range of the output current which can be adjusted are very large.The constant current source has protective and slow start function and so on.Keywords：semiconductor laser diode;constant current source;slow-start circuit;C8051F single chip半导体激光器(LD)体积小，重量轻，转换效率高，省电，并且可以直接调制。
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１ 引 言 半导体激 光 器 作 为 一 种 精 密 的 光 电 器 件，对
电流变化的 承 受 能 力 较 差，过 大 的 电 流 变 化 会 影 响半导体激 光 器 的 性 能，情 况 严 重 时 直 接 损 坏 半 导体激光器，所 以 半 导 体 激 光 器 工 作 时 需 要 稳 定
的驱动电 流。另 一 方 面，半 导 体 激 光 器 长 时 间 工 作 时 的 发 热 也 会 降 低 其 性 能 ［１］。 利 用 激 光 脉 冲 进 行测距 时，当 脉 冲 宽 度 一 定 时，脉 冲 的 上 升 沿 越 宽 ，使 有 效 脉 冲 所 占 比 例 越 小 ，则 引 入 的 时 间 误 差 就会越大，测 距 误 差 也 会 随 着 增 大。为 保 证 半 导
第 ４８卷 第 ２期 激 光 与 红 外 ２０１８年 ２月 ＬＡＳＥＲ ＆ ＩＮＦＲＡＲＥＤ
Ｖｏｌ．４８，Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１８
文章编号：１００１５０７８（２０１８）０２０１８６０５
·激光器技术·
冲击电流驱动下半导），女，硕士研究生，主要从事光电检测方面的研究。Ｅｍａｉｌ：８２６９０８１２８＠ｑｑ．ｃｏｍ 通讯作者：张 涛（１９６７－ ），男，硕士，副教授，主要从事光电检测方面的研究。Ｅｍａｉｌ：ｎｉｃ６７００＠ｓｃｕ．ｅｄｕ．ｃｎ 收稿日期：２０１７０６１４；修订日期：２０１７０８１５
速率方程推导了双异质结激光器电光延迟时间与
激 光 与 红 外 Ｎｏ．２ ２０１８ 邓 丽等 冲击电流驱动下半导体激光器的快速响应研究
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体激光器输 出 稳 定 可 靠，需 要 尽 可 能 减 小 半 导 体
激光器发射脉冲的上升时间。因此需要寻找合适
的电流驱动 半 导 体 激 光 器 产 生 脉 冲 光 信 号，减 少
激光脉冲信 号 的 上 升 时 间，加 快 半 导 体 激 光 器 的 响 应 时 间 。 王 守 武 ［２］根 据 脉 冲 作 用 期 间 载 流 子 的
邓 丽，张 涛，许 博，李亭亭
（四川大学制造科学与工程学院，四川 成都 ６１００６５）
摘 要：基于半导体激光器的单模速率方程，采用典型参数对其进行建模仿真，仿真结果表明： 半导体激光器在初期的光子受激辐射速率随着注入电流的增大而增加，上升时间随着注入电 流的增大而减少。但对于固定功率限制范围的半导体激光器，不能通过直接增大注入电流来 减少上升时间，考虑到半导体激光器的发热问题，提出了一种在正常脉冲发光电流前端加入冲 击电流来减少半导体激光器发射脉冲上升时间的方法，保证了半导体激光器的稳定输出。通 过仿真对该方法进行验证，并对型号为 ＰＬＴＢ４５０Ｂ半导体激光器进行了测试。仿真结果与测 试结果均表明：通过加入冲击电流的方法，可以大大减少固定功率的半导体激光器发射脉冲的 上升时间。 关键词：半导体激光器；单模速率方程；受激辐射速率；上升时间；冲击电流 中图分类号：ＴＮ２４８４ 文献标识码：Ａ ＤＯＩ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１００１５０７８．２０１８．０２．０１０
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂａｓｅｄｏｎｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅｒａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ，ｔｈｅｔｙｐｉｃａｌｐａｒａｍｅｔｅｒｓａｒｅｕｓｅｄｔｏｍｏｄｅｌａｎｄ ｓｉｍｕｌａｔｅｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｐｈｏｔｏｎｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｅｏｆｔｈｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｉｎｃｒｅａｓｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｔｈｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔ，ｔｈｅｒｉｓｅｔｉｍｅｒｅｄｕｃｅｓｗｉｔｈｔｈｅｉｎｃｒｅａｓｅｏｆｉｎ ｊｅｃｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔＢｕｔｆｏｒａｆｉｘｅｄｐｏｗｅｒｌｉｍｉｔｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ，ｔｈｅｒｉｓｅｔｉｍｅｃａｎ′ｔｂｅｒｅｄｕｃｅｄｂｙｄｉｒｅｃｔｌｙｉｎｃｒｅａｓｉｎｇ ｔｈｅｉｎｊｅｃｔｉｏｎｃｕｒｒｅｎｔＣｏｎｓｉｄｅｒｉｎｇｔｈｅｈｅａｔｉｎｇｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ，ａｍｅｔｈｏｄｏｆａｄｄｉｎｇａｎｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔ ｉｎｔｈｅｆｒｏｎｔｏｆｔｈｅｎｏｒｍａｌｌｕｍｉｎｏｕｓｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔｔｏｒｅｄｕｃｅｔｈｅｒｉｓｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｐｕｌｓｅｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｉｓｐｒｏｐｏｓｅｄ，ｗｈｉｃｈｅｎｓｕｒｅｓｔｈｅｓｔａｂｌｅｏｕｔｐｕｔｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒＴｈｅｍｅｔｈｏｄｉｓｖｅｒｉｆｉｅｄｂｙｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ａｎｄ ｔｈｅＰＬＴＢ４５０ＢｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｉｓｔｅｓｔｅｄＴｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｓａｎｄｔｅｓｔｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｒｉｓｅｔｉｍｅｏｆｔｈｅ ｔｒａｎｓｍｉｔｔｅｄｐｕｌｓｅｏｆｔｈｅｆｉｘｅｄｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｃａｎｂｅｇｒｅａｔｌｙｒｅｄｕｃｅｄｂｙａｄｄｉｎｇｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔ Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ；ｓｉｎｇｌｅｍｏｄｅｒａｔｅｅｑｕａｔｉｏｎ；ｓｔｉｍｕｌａｔｅｄｅｍｉｓｓｉｏｎｒａｔｅ；ｒｉｓｅｔｉｍｅ；ｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔ
Ｆａｓｔｒｅｓｐｏｎｓｅｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｄｒｉｖｅｎｂｙｉｍｐｕｌｓｅｃｕｒｒｅｎｔ
ＤＥＮＧＬｉ，ＺＨＡＮＧＴａｏ，ＸＵＢｏ，ＬＩＴｉｎｇｔｉｎｇ
（ＭａｎｕｆａｃｔｕｒｅＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇＣｏｌｌｅｇｅ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００６５，Ｃｈｉｎａ）