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激光二极管的内部结构、工作原理、分类、驱动电路、应用领域解析及好坏检测。

来源:华强旗舰 发布时间:2022-06-06

摘要: 激光二极管就是可以产生激光的一种半导体二极管,其产生激光的三个条件是:实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。按照PN结材料是否相同,可以把激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。由于激光二极管具有极高的静电敏感性,所在在使用时要注意防静电。激光二极管的发明让激光应用迅速普及,如信息扫描、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光唱片、激光指示器、超市的收款等等。下文中将介绍激光二极管的内部结构、工作原理、分类、驱动电路、应用领域、及检测其好坏的方法。

激光二极管就是可以产生激光的一种半导体二极管,其产生激光的三个条件是:实现粒子数反转、满足阈值条件和谐振条件。按照PN结材料是否相同,可以把激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。由于激光二极管具有极高的静电敏感性,所在在使用时要注意防静电。激光二极管的发明让激光应用迅速普及,如信息扫描、光纤通信、激光测距、激光雷达、激光唱片、激光指示器、超市的收款等等。下文中将介绍激光二极管的内部结构、工作原理、分类、驱动电路、应用领域、及检测其好坏的方法。

 

 

激光二极管

  



激光二极管的内部结构介绍


  以当前市面上最常见这种激光二极管实物为例,说明一下激光二极管的大致构造情况:

激光二极管内部结构图

激光二极管内部结构图

  由图可见,激光二极管LASER内包括四个部分:第一部分是激光发射部分(可用LD表示),它的作用是发射激光;第二部分是光电二极管,是激光的接收反馈器(可用PD表示),它的作用是接收、监测LD发出的激光(当然,若不需监测LD的输出,PD部分则可不用),此外这两个部分还要一个共用公共电极。因此,通常激光二极管有三个电极;第三部分是玻璃盖片做的镜头,其作用是防尘还有谐振腔的用途;第四部分是金属外壳,主要固定、屏蔽外界干扰信号和散热的作用。


激光二极管的工作原理解析


  如图所示,激光二极管中的P-N结由两个掺杂的砷化镓层形成。它有两个平端结构,平行于一端镜像(高度反射面)和一个部分反射。要发射的光的波长与连接处的长度正好相关。当P-N结由外部电压源正向偏置时,电子通过结而移动,并像普通二极管那样重新组合。当电子与空穴复合时,光子被释放。这些光子撞击原子,导致更多的光子被释放。随着正向偏置电流的增加,更多的电子进入耗尽区并导致更多的光子被发射。最终,在耗尽区内随机漂移的一些光子垂直照射反射表面,从而沿着它们的原始路径反射回去。

  反射的光子再次从结的另一端反射回来。光子从一端到另一端的这种运动连续多次。在光子运动过程中,由于雪崩效应,更多的原子会释放更多的光子。这种反射和产生越来越多的光子的过程产生非常强烈的激光束。在上面解释的发射过程中产生的每个光子与在能级,相位关系和频率上的其他光子相同。因此,发射过程给出单一波长的激光束。为了产生一束激光,必须使激光二极管的电流超过一定的阈值电平。低于阈值水平的电流迫使二极管表现为LED,发出非相干光。

激光二极管工作原理图

激光二极管工作原理图

  简单来说,如图所示,利用注入电流产生的光在2片镜片之间往返放大,直至激光振荡。因此,激光二极管也可以说成是一个通过反射镜将光放大的发光LED。

激光二极管的发光示意图

激光二极管的发光示意图

 


激光二极管的分类有哪些?


激光二极管本质上是一个半导体二极管,按照P-N结材料是否相同,可以把激光二极管分为同质结、单异质结(SH)、双异质结(DH)和量子阱(QW)激光二极管。量子阱激光二极管具有阈值电流低,输出功率高的优点,是目前市场应用的主流产品。作为元件材料,使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半导体,由于LSI及Tr、Di等使用的Si跃迁概率(电流转变为光的概率)较差,因此不适用于激光二极管。

 

激光二极管的驱动电路


激光二极管具有体积小、重量轻、耗电低、驱动电路简单、调制方便、耐机械冲击以及抗震动等优点,但它对过电流、过电压以及静电干扰极为敏感,因此,在使用时,要特别注意不要使其工作参数超过其最大允许值,可采用的驱动方法如下:

①用直流恒流源驱动激光二极管(如用LM317搭建的恒流驱动电路)。

②在激光二极管电路上串联限流电阻器,并联旁路电容器。

③由于激光二极管温度升高将增大流过它的电流值,因此,必须采用必要的散热措施,保证器件工作在一定的温度范围之内。

④为了避免激光二极管因承受过大的反向电压而造成击穿损坏,可在其两端反并联上快速硅二极管。

激光二极管的特色之一,是能直接从电流调制其输出光的强弱,因为输出光功率与输入电流之间多为线性关系。实际应用中,通常使用APC(Auto Power Control自动功率控制)电路来驱动激光二极管,其利用内置在同一封装内部,使之能够接收到来自LD光的光电二极管PD用于反馈和监视LD管的输出,,使该激光管LD的输出达到恒定所需的光功率。如下图是一个较简单的激光二极管

APC驱动电路:

激光二极管APC驱动电路

 

如何检测激光二极管的好坏?

  Ⅰ:阻值测量法:拆下激光二极管,用万用表R×1k或R×10k档测量其正、反向电阻值。正常时,正向电阻值为20~40kΩ之间,反向电阻值为∞(无穷大)。若测得正向电阻值已超过50kΩ,则说明激光二极管的性能已下降。若测得的正向电阻值大于90kΩ,则说明该二极管已严重老化,不能再使用了。

  Ⅱ:电流测量法:用万用表测量激光二极管驱动电路中负载电阻两端的电压降,再根据欧姆定律估算出流过该管的电流值,当电流超过100mA时,若调节激光功率电位器,而电流无明显的变化,则可判断激光二极管严重老化。若电流剧增而失控,则说明激光二极管的光学谐振腔已损坏。


激光二极管的应用领域有哪些?


激光二极管由于具有直进性、微小光斑尺寸 (数um~)、单色性、高光密度、相干性 (coherent) 的这些特点,Laser在计算机上的光盘驱动器、激光打印机中的打印头、条形码扫描仪、激光测距、激光医疗、光纤通信、舞台灯光、激光手术、激光切割焊接和激光武器等设备中也得到了广泛应用。下表中汇总了按激光二极管的功能分类的用途示例:

激光二极管的应用领域

 


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