激光器驱动与控制电路设计 第2页
1 引言
1.1半导体激光器的应用与发展
随着半导体激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长等优点，广泛应用于民用生产和军事等领域。近年来，国外大功率半导体激光器的研究进展非常迅速，单条最大连续输出功率已经大于600W，最高电光转换效率高达72％，单条 40-120W已经商品化。相对而言，国内在大功率半导体激光器研究和应用方面虽然起步较晚，但也取得了很大的进展。国内大功率半导体激光器研究及应用情况主要从大功率半导体激光器外延片结构、腔面光学膜、器件封装、器件可靠性、光束整形与耦合以及器件应用等几个方面。
半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。
半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并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。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。
半导体激光器驱动与控制电路是高功率半导体激光系统的关键技术。本课题将研发体积小、高效率的高功率半导体激光器驱动与控制电路，具有好的散热性、高的工作和功率输出稳定性。
1.2设计任务与目标
本次任务是要设计一款便携式绿光激光器，可对指纹照明，可用于刑侦工作，其发光波长为532nm。为了成功完成此次课题任务，应该进行各种理论研究，对实际问题进行定性定量分析，对未知错误或未知情况作充分准备和估计。此外为使实验室内研究成果成为市场上的产品，应该进行多方面测试，例如疲劳测试，安全测试，容错测试，功能性测试，指标测试等。
具体的基本任务要求是首先熟悉半导体激光器工作特性，熟悉半导体激光器驱动与控制电路工作原理，完成半导体激光器驱动与控制电路硬件设计和制作，应该详细设计原理图、PCB板图。调试并焊接PCB与原件，通过核心板对电源控制、对TEC控制，得出测试数据。检测激光器的功率得出数据。控制板有人机交互用的按键和数码显示管，分别用来设定光功率和显示当前功率。核心板载有控制软件，包括AD驱动，DA驱动，按键、数码管控制，功率稳定PID算法。此次课题任务可以实现激光器产生稳定功率的激光，手动调节光功率，并且有自我保护的功能。本次任务提出电源工作实验数据，TEC温度模块实验数据。完成毕业设计论文。
2 激光器
2.1激光器结构
激光本质上是相干辐射与物质相互作用的产物，而产生激光辐射的物质可以是原子系统、分子系统，也可以是凝聚态物质，如半导体材料。简单的来说，原子可以吸收热能、光能、电能等形式的能量。然后电子可以从低能量轨道跃迁至高能量轨道。电子跃迁至更高能轨道后，最终仍要回到基态。在此过程中，电子以光子（一种光线粒子）的形式释放能量。您会发现，原子不断地以光子形式释出能量。例如，烤箱中的加热元件变成亮红色，其中的红色就是由于原子受热激发而释放的红色光子。观看电视屏幕上的图像时，您看到的其实是磷原子受高速电子激发所释放的各种不同颜色的光线。
任何发光物体，包括荧光灯、煤气灯、白炽灯，都是通过改变电子轨道并释放光子来发光的。激光器是控制受激原子的光子释放方式的设备。“Laser”是light amplification by stimulated emission of radiation（受激辐射光放大）的简称。这一名称简要的描述了激光器的工作原理。虽然激光器种类繁多，但它们都有一些基本特征。激光器中，激光介质须经过泵激使原子处于激发状态。一般来说，高强度闪光或放电可以泵激介质，进而产生大量激发状态的原子（含高能电子的原子）。而激光器要有效运行就必须要有大量处于激发状态的原子。
一般来说，原子必须受激上升到基态以上两到三个能量层级。这就提高了粒子数反转的程度。粒子数反转是指处于激发态的原子和处于基态的原子之间的数量比。激光介质受到泵激后，其中就包括一批带有激发态电子的原子。受激电子所含能量比低层级电子的能量高。就像电子可以吸收一定能量达到激发态一样，电子也可以释放这种能量，电子只要向低层级跃迁，就会释放部分能量。释放的能量转化为光子（光能）的形式。发射出的光子具有特定的波长（颜色），这取决于释出光子时电子的能量状态。两颗拥有相同电子状态的原子会释放出相同波长的光子。
激光和普通光区别很大。它具有以下特性：发射的激光具有单色性。激光含有一种特定波长（即特定颜色）的光线。光线的波长由电子回到低能轨道时释放的能量决定。发射的激光具有良好的相干性。激光的组织结构较好，每个光子都紧跟其他光子运动。也就是说，所有光子的波前完全一致。激光具有良好的指向性。激光光束紧密、集中且能量极高。相反，手电筒发出的光线朝多个方向散射，光线能量弱，集中度低。为了实现以上三个特性，需要经过一个称为受激发射的过程。这种现象不可能在普通手电筒中出现，因为它的原子是随机释放光子。而受激发射时，原子是有组织地发射光子。原子释放的光子具有特定的波长，此波长取决于激发态和基态之间的能量差。
如果光子（拥有一定能量和相位）碰到另一个原子，且该原子拥有处于相同激发状态的电子，即可引起受激发射。第一个光子可以激发或引导原子发射光子，而后发射的光子（即第二个原子发射的光子）按与进入光子相同的频率和方向振荡。激光器的另一个关键部件是一对反光镜，分别位于激光介质的两端。特定波长和相位的光子通过两端反光镜的反射，在激光介质之间来回穿行。在此过程中，它们会激发更多的电子由高能轨道向低能轨道跳跃，从而发射出更多相同波长和相位的光子，随后将产生“瀑布”效应，进而在激光器内迅速聚集起大量相同波长和相位的光子。激光介质某一端的镜面采用“半反射”镀层，也就是说它只会反射部分光线，而其他光线则可以穿透。穿透的光线就是激光。
半导体激光打标机激光器是一种相干辐射光源，要使它能产生激光，必须具备三个基本条件:
(1)增益条件：建立起激射媒质(有源区)内载流子的反转分布。在半导体中代表电子能量的是由一系列接近于连续的能级所组成的能带，因此在半导体中要实现粒子数反转，必须在两个能带区域之间，处在高能态导带底的电子数比处在低能态价带顶的空穴数大很多，这靠给同质结或异质结加正向偏压，向有源层内注人必要的载流子来实现，将电子从能量较低的价带激发到能量较高的导带中去。当处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合时，便产生受激发射作用。
(2)要实际获得相干受激辐射，必须使受激辐射在光学谐振腔内得到多次反馈而形成激光振荡，激光器的谐振腔是由半导体晶体的自然解理面作为反射镜形成的，通常在不出光的那一端镀上高反多层介质膜，而出光面镀上减反膜。
(3)为了形成稳定振荡，激光媒质必须能提供足够大的增益，以弥补谐振腔引起的光损耗及从腔面的激光输出等引起的损耗，不断增加腔内的光场.这就必须要有足够强的电流注人，即有足够的粒子数反转，粒子数反转程度越高，得到的增益就越大，即要求必须满足一定的电流阀值条件。当激光器达到阀值时，具有特定波长的光就能在腔内谐振并被放大，最后形成激光而连续地输出。
本次任务所使用的激光器叫做optically pumped semiconductor laser,即光学泵浦半导体激光器。该激光器是一个小型的具有鲁棒性的高功率可视激光器，并采用光泵浦技术，该技术是相干公司的专利。这种多模激光器专门应用于中级功率光束照明。该激光器由用户提供电源，低电压高电流可使其产生激光光束。该装置可以输出高功率连续工作上千小时。激光器的散热问题要通过使用者来提供合适的热沉来解决。在驱动电流较低时，激光器没有得到足够的增益不能激发出光，随着驱动电流的增加，激光器工作电流会达到一个阈值，该阈值可以以达到激光器的发光要求。该电流便是额定阈值电流。继续增加驱动电流会提升激光器发光功率，这个功率时就是典型的工作功率。
虽然激光器发光机理是连续波发光方式，但是本激光器也可以以其它模式发光。给于激光器一定的工作电流，激光器调制速度的限制因素是调剂二极管电流，该现象已经被实验证实，由于电源供电和激光头之间电线的电感，调制范围就定在了5-10的范围内。总的来说，半导体器件想要稳定高效的工作，必须保持在工作温度，因此本激光器必须要格外注意和处理好温度的控制，必须使用良好散热的热沉，并且要注意外部系统的热量进入激光器，激光器内部的倍频晶体和激光滤波片需要用TEC来控制温度。
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