大功率半导体激光器应用

1、总第72期光电技术应用Series No.72 2003年第4期EL ECTRO-OPTIC TECHNOLO GY APPL ICA TIONNo.4,2003大功率半导体激光器应用董彦1,梁琼2,王志刚2(1.铁通锦州分公司,辽宁锦州121000;2.东北电子技术研究所,辽宁锦州121000摘要:分析了大功率半导体激光器的特点,对它的发展现状进行简要的介绍,并结合实际应用,对大功率半导体激光器的设计进行了阐述。关键词:大功率;半导体;激光器;缓启动中图分类号:T N248.4文献标识码:AApplication of High Power Semiconductor LaserDON G

2、Yan1,L IAN G Qiong2,WAN G Zhi-gang2(1.China Railcom Jinzhou Subsidiary,Jinzhou121000,China;2.Northeast Research lnstitute of Electronic Technology,Jinzhou121000,chinaAbstract:The characteristics of high power semiconductor laser are analysed in this article,and the devel2 opping situation is present

3、ed.The design of high power semiconductor laser is illustrated based on real application.K ey w ords:high power;semiconductor;laser;slow-action1引言早在1963年就有人提出用波长在800 900nm之间的半导体激光发射器件作为固体激光器介质泵浦源的设想。但是进入八十年代后,随着高功率激光二极管及其列阵的发展,特别是MB E、MOCVD生长技术和量子阱,应变量子阱机构的采用,使得单个激光二极管的阈值电流大大降低,转换效率大幅提高,输出功率成倍增长,使用寿

4、命大大延长,使激光二极管泵浦固体激光器的研究迈上了新台阶,取得了突飞猛进的成就。国外在大功率半导体激光器处于领先地位的是美国和德国,美国的相干公司、SL I公司、德国的L IMO公司的大功率半导体激光器的技术和质量都非常好,输出功率从几瓦到几百瓦。该公司研制的微型光学准直整形透镜可提高半导体激光器的出光质量。本文对用于泵浦固体激光器的大功率半导体激光器的激励源设计进行分析。2大功率半导体激光器的激励源设计2.1大功率半导体激光器材料与特性通常使用的大功率半导体激光器有以下三种:宽发射面大功率半导体激光器,列阵式大功率半导体激光器和单片集成的震荡器。以宽发射面大功率半导体激光器为例,它与通常的低

5、功率半导体激光器相比,这种大功率半导体激光器的发射孔径(即侧向近场尺寸要大得多(1mm。采取侧向折射率限制的宽发射面激光器可以得到好的纵向和横向(包括侧向模式,可以得到高功率、高亮度的激光器输出。由于这种激光器多是用来泵浦固体激光器,故采取G aAlAs/G aAs材料体系,发射波长为808nm左右,有源层厚度为1m左右,在100500m的有源层宽度范围内的激光器发射功率几乎随收稿日期:2003-08-25作者简介:董彦(1968-,女,辽宁人,毕业于辽宁工业大学,工程师,研究方向为光通讯;梁琼(1979-,男,辽宁,毕业于哈尔滨工业大学,助工,研究方向为光电工程。12其线性增加。一般来说,每

6、微米条宽的连续输出功率在10mW 左右就认为是高亮度。例如,有源区宽度为100m 的激光器发射功率1.2W ,有源区宽度为500m 的发射功率达4.0W 。这种材料体系的芯片解理面易遭退化而影响寿命甚至造成“毁灭性破坏(COD ”。故从80现代中期开始研究800nm 波段无Al 成分的激光器,即采取In G aAsP/G aAs 材料体系,并已取得了好的效果。例如分别限制单量子阱(SCH -SQW 材料体系结构,在条宽100m 和腔长1mm 时,连续输出功率为5.3W ,达到80%的微分量子效率。与G aAlAs/G aAs 相比,这种类型所表现的高微分量子效率和几乎接近100%的内量子效率,

7、使得有源层和解理面上有低的温升或小的热阻,因而减少了位错的产生及迁移的几率,表现出慢的退化特性。美国TRW 公司用这种材料体系研制出能用于材料加工的千瓦量级大功率半导体激光器。选用的大功率半导体激光器的材料特性决定了大功率半导体激光器的功能特性,而设计该激光器的激励源时必需考虑这些特性,才能使大功率半导体激光器发挥其应有的效能。本文以波长为808nm 的连续大功率半导体激光器为例,说明其激励源设计方案下面是波长为808nm 的连续半导体激光器的一些主要性能参数:Po =1.02(W 额定功率Ith =0.38(A 阈值电流Io =1.80(v 额定电流Ep =40.2(%转换效率Rd =0.1

8、5(内阻=803.8(nm 中心波长=1.7(nm 光谱宽度=5.4(deg 平行方向束散角=48(deg 垂直方向束散角Tc =25(额定工作温度该激光器的能量分布与波长变化的关系如下图所示:2.2激励源电路设计(1振荡器振荡器电路如图3:(2单稳态触发器单稳态触发器电路如图4:电阻为1.3K ,电容为3300PF ,积分型单稳态触发器将脉冲进行压缩,使占空比变小 。图2输出能量随出光波长的变化(3缓启动电路缓启动电路如图5:r3为1.3K ,C2、C3均为22F 。(4整流电路由整流桥,大的滤波电容和7805稳压块组成。(5主电路主电路如图6:通过改变可变电阻来调节半导体激光器上的电流。(

9、6温度控制电路半导体激光器对温度的要求非常高。一般22总第72期光电技术应用图4单稳态触发器高出额定温度5,激光器的性能将大幅下降,并且这种损伤是永久性的。所以在半导体激光器的电路设计中一定要考虑温度控制电路。2.2半导体激光器电源在正常条件下使用的半导体激光器有很长的工作寿命。然而,在不适当的工作或存放条件下,会造成性能的急剧恶化乃至失效。统计表明,半导体激光器突然失效,有一半几率是由于浪涌击穿。因此,在电路设计和调试一定要考虑和注意。光纤通讯系统中大量使用的半导体激光器的工作电流一般只有十几到几十mA,结电压小于1V;然而,对大功率半导体激光器,它的工作电流可达数十安以上,结电压相应增加。

10、对半导体激光器的电源基本要求是:(1半导体激光载流子注入电流的稳定性对激光器的输出有直接的、明显的影响。因此,要求半导体激光器的电源是一个恒流源,应当具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数,否则激光器的工作状态就会受到影响。(2半导体激光器作为一种结型器件,对于电冲击的承受能力很差(尤其是大功率半导体激光器,有时甚至会仅仅由于同一电网中的日光灯在开关时而损坏。因此,半导体激光器的电源32董彦等:大功率半导体激光器应用2003.2 图6主电路中必须具有特殊的抗电冲击措施和保护电路。(3体积小,耗电量低,电源中无高压,安全性好。2.3半导体激光器的安全使用在半导体激光器的使用过程中,出现比较多的电冲

11、击是开启或关断电源时产生的电压、电流浪涌冲击和工作过程中由于电网波动或其他大功率电器启动而产生的电压、电流浪涌冲击。为了消除这些电冲击对半导体激光器的破坏作用,除了采用进线滤波和型滤波网络外,还要有一些特殊的防护措施。(1短路保护开关将一个接触电阻很小的开关与半导体激光器并联在一起即构成短路保护开关。当半导体激光器需要启动时,首先将短路保护开关闭合。实践证明,这种对于消除开关电源时产生的浪涌冲击是行之有效的。(2浪涌电流消除电路短路保护开关虽然可以有效地消除电源开或关时产生的浪涌冲击,但无法消除外电路产生的浪涌冲击的影响。外电路产生的浪涌冲击通常具有如下特点:a.浪涌电流是由外界因素产生的,因

12、此随机性强,无法预测;b.浪涌电流和电压一般表现为尖峰脉冲,脉冲宽度很窄,但峰值较高。消除这种浪涌冲击的方法在于提高电源的整流滤波电路的性能。因此除了要求电源能有效地消除浪涌冲击外,还必须保证激光器两端不能突然加上阶跃电压。因为这种上升沿很陡的阶跃电压,即使幅值很低(约1V ,也会对激光器产生不良影响。这就要求电源开机后,电流放大器的调整管应完全关断。然而实际电路中要做到这一点是比较困难的,为此采用缓启动的方法解决这个问题。所谓缓启动就是稳流电源开机后,工作电压V 不是突然加在整个稳流电路上,而是从零开始逐渐上升到预定值。这样就从根本上保证了半导体激光器不会受到电源开启或关断时而产生的电冲击的

13、影响。2.5半导体激光器的光耦合技术半导体激光器的光学系统一般分为两部分:准直-整形和会聚。光束准直方法很多,归纳起来有三大类:(1面或非球面组合透镜准直。所用透镜焦距在2nm 以下,加工精度高,系统成本昂贵,透镜组的装配和调整也较复杂;(2焦透镜准直。采用自聚焦准直透镜的优点在于简单、小巧和成本低廉,缺点是准直性能不如其它方法。准直光斑的大小取决于自聚焦准直透镜的数值孔径,数值孔径越大对准直越有利;(3柱面透镜或正交柱面透镜对准直。柱面镜是轴不对称光学系统,不仅在子午面、弧矢面内产生一般像差,而且产生非对称性的柱面像差。采用两个正交柱面镜可以很好地校正椭圆像散光束,使之成为圆形横截面光束。也

14、有采用一个球面透镜和一个柱面透镜来补偿半导体激光在垂直和平行两方向上的发散角的差异。对于前两种方法来说,准直后的平行光仍为椭圆形横截面光束,因而还需要进行整形。常用的整形方法是单棱镜、双棱镜对,甚至还可用高精度的三棱镜系统。如果采用L IMO 的半导体激光器自带的微42总第72期光电技术应用型光学透镜,以上步骤不必考虑。3结束语随着激光器件技术的发展,大功率半导体激光器将逐步成为光通讯,光信息存储,激光器泵浦等应用中的关键设备。由于在应用中对环境的苛刻要求,所以使用中必须十分注意。本文介绍的应用是大功率半导体激光器的基本应用,在进一步的使用中还需要把握其特点,以求获得最佳效果。参考文献1江剑平

15、.半导体激光器M.北京:电子工业出版社,20002 邓仁亮.光学制导技术M.北京:国防工业出版社,19923黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用M.北京:国防工业出版社,1995(上接第3页4.2结论图6为用傅立叶变换红外光谱仪测量的按一定比例混合的A,B,C,D四种物质的混合物和其他添加物的远红外吸收谱,测量的吸收谱取得了令人满意的效果。图6气悬体的远红外吸收谱参考文献1吴键,乐时晓.随机介质中光传播理论M.成都:成都电讯工程学院出版社,19882Bohren,Absorption and Scattering of Lightby Small Particles,John Wiley&Son,N Y,19833张幼文.红外光学工程M.上海:上海科技出版社,19