【技术专辑】激光二极管简介

了解激光二极管,包括封装类型,应用,驱动电路和一些激光二极管规格。

 

什么是激光二极管?

 

激光二极管是半导体激光器件,其在形式和操作上与发光二极管(LED)非常相似。

 

术语激光起源于首字母缩略词:受激辐射的光放大。因此,激光器是一种通过基于受激发射的电磁辐射的光学放大过程发光的装置。

 

激光二极管在电学上等效于PIN二极管。PIN二极管(参见下面的图1)是具有宽的未掺杂的本征半导体区域的二极管,其夹在p型半导体和n型半导体之间。两个p型和Ñ型区通常重掺杂。

 

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图1. PIN二极管的描述。图片由Georg Wiora(Schorsch博士)  [ CC-BY-SA 3.0 ]提供

 

激光二极管的“有源区”位于i(本征)区域。电子和空穴(即载流子)分别从n和p区泵入i区。下面的图2显示了一个切除外壳的激光二极管。实际的激光二极管芯片是前面的小黑芯片; 背面的光电二极管用于控制输出功率。

 

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图2.一个切除外壳的激光二极管。图片由John Maushammer提供 [ CC BY-SA 3.0 ] 

 

与LED相比,激光二极管具有更快的响应时间,并且可以将其辐射聚焦到直径小至1μm的区域。

 

封装类型

 

激光二极管有多种封装类型。以下是一些例子:

 

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图3. TO5(9mm)激光二极管封装。图片由Digi-Key提供。

 

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图4. TO3激光二极管封装。图片由Lasermate提供

 

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图5. C-mount激光二极管封装。图片由aitc-group.com提供

 

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图6.高热负载包。图片由RMT Ltd.提供

 

应用

 

一系列小型激光二极管用于激光指示器和条形码扫描器。然而,最常见的激光二极管可以在CD-ROM和CD播放器中找到。这些类型的激光二极管在780nm波长处或附近产生不可见光束,该光束处于近红外光谱中。有关近红外光谱的区域,请参见图7。

 

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图7.近红外光谱在红外光谱范围内。

 

DVD-RW(读/写)驱动器使用比CD-ROM中使用的更高功率的激光二极管。更强大的是在蓝光播放器中发现的蓝色激光二极管(因此得名)。

 

可见激光二极管可用于条形码和UPC(通用产品代码)扫描仪(如杂货店中使用的扫描仪),激光指示器和X光机以及CT和MRI扫描仪中的定位设备。

 

DVD设备中的较短波长激光器(约635 nm)使其能够存储大约8倍于CD的数据; DVD每张光盘可以存储大约5GB,而CD只能存储大约650MB。

 

激光的另一种应用是用于分子识别。根据semanticscholar.org,“用形状飞秒激光脉冲实现受控分子光分裂和电离与质谱相结合,实现了快速、准确、可复制和定量分子识别的强大多维工具。

 

准直透镜(见下图8)用于光谱仪的设置。这些光学透镜有助于准直(即,精确平行)光,这允许光谱仪用户控制视场,收集效率和空间分辨率。

 

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图8.准直透镜。

 

激光二极管驱动电路

 

所有激光二极管都需要适当的驱动电路。没有它,二极管可能会因不稳定的电流注入而出现工作温度波动。这些影响可能包括由二极管燃烧引起的直接和永久性损坏,也可能缩短二极管寿命。

 

驱动电路基本上为二极管提供稳定且可预测的电流。有两种主要方法用于从激光二极管获得所需的稳定光输出。这些包括:

 

•自动电流控制(ACC)或恒定电流控制。这种技术就像听起来一样,为二极管提供恒定电流。这种方法消除了对光电二极管反馈回路的需要。这种简单而廉价的方法的缺点是随着激光二极管温度的变化,光输出也会发生变化。然而,这种驱动电路可以用二极管温度控制电路来补充。恒流与温度控制二极管的耦合已被证明是一种流行的解决方案。然而,没有温度控制的恒流器件仍然用于廉价,低端和低功耗的情况和产品(想想那些在便利店出售的超便宜的激光指示器)。

 

•自动功率控制(APC)电路。该激光二极管驱动电路使用光电二极管反馈回路,该回路监视输出并提供用于控制激光二极管的信号。该控制方案允许激光二极管保持恒定的输出电平。这种自动恒定功率控制技术可以防止光输出功率随着激光二极管温度的降低而增加。然而,如果不充分的散热导致温度升高,则光功率将降低。结果,驱动电路将增加注入电流以试图保持所需的恒定光功率。可以看出,可能经历热失控,导致激光被损坏或破坏。

 

无论使用哪种类型的驱动电路,关键点都是防止驱动电流超过最大工作电平。即使是纳秒,这样做也可能导致激光二极管端面上的镜面涂层损坏。换句话说,标准实验室电源不应该用于直接为激光二极管供电,因为它不能提供足够的电路保护。

 

请记住,大多数激光二极管应用需要某种散热器。不正确的热设计会导致激光二极管结温快速升高,这会降低,损坏或破坏设备

 

下面的图9中的激光二极管驱动电路表示使用恒流源的简单驱动电路。

 

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图9.采用TI LM317  (PDF)的简单激光二极管驱动器电路。

 

在下面的图10中,更复杂的激光驱动器电路使用10位DAC(使用3线串行输入)来操作和维持激光二极管的恒定平均光输出功率。该电路还允许数字脉冲/调制激光器。这是通过与IC4的数字输入线(MOD)连接实现的。此外,该电路使用光电二极管作为反馈技术,以产生与激光束强度成比例的电流。下面的项目符号列表总结了该电路设计中使用的组件:

 

•R6将光电二极管电流转换为电压。

 

•元件R8,C6,R10和IC3构成“泄漏”积分电路。该积分器可以平滑调制的变化。

 

•积分器电路通过监视R6两端的电压并将其与DAC的参考电压(IC1)进行比较来产生误差信号。该误差信号是Q1的基极的驱动器,其通过调节通过激光二极管的电流来控制光功率。

 

•当Q1的基极由来自MOD输入的信号控制时,R9提供隔离并有助于稳定IC3。

 

•R1确保激光电流低于激光发射阈值,但足够高以允许通信和调制的可接受开启时间。

 

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图10.激光驱动器的示例。

 

重要的激光二极管规格

 

•激射(或激光)的波长,λ p:由所述激光二极管发射的光的波长。

 

•单模设备:激光输出的单谱线的波长。

 

•多模设备:具有最大强度的谱线波长。

 

•阈值电流,I th:增益满足激光条件的电流。

 

•当低于阈值电流点时,发射非常少的光(激光)。

 

•当达到或高于电流阈值时,器件开始产生激光输出。

 

•工作电流,I op:在指定工作温度下产生指定激光输出所需的通过激光二极管的正向电流量。

 

•工作电压,V op:当器件在指定的工作温度下产生指定的激光输出时,激光二极管两端的正向电压。

 

•光功率输出,P O:允许的最大瞬时光(激光)功率输出。这适用于连续或脉冲操作模式。

 

•工作温度范围:激光设备可安全操作的外壳温度范围。

 

•光电二极管暗电流,I D(PD):光电二极管反向偏置时的泄漏电流。

 

•暗电流取决于温度和电压。

 

•理想的二极管/光电二极管在反方向上没有电流。

 

•斜率效率,SE:光功率的增量变化的平均值,对应于激光器在激光区域中工作时正向电流的增量变化。

 

•该定义也称为微分效率。

 

•上升时间:光输出从最大值的10%上升到90%所需的时间。

 

总结

 

激光二极管是使用受激发射的电磁辐射和光放大发光的半导体器件。虽然本文已经讨论了激光器的一些应用,但这个列表并不是全面的。例如,美国军方和美国宇航局都使用激光器进行多种应用。

 

虽然所有激光都应该被认为对你的眼睛是危险的,因此,应该始终受到尊重,但有些激光器比其他激光器更强大。基本激光器,例如廉价激光指示器中的激光器,需要简单的驱动电路,而其他激光器需要复杂的控制和冷却系统。随着激光器及其驱动器电路随着时间的推移而发展,我们肯定会找到应用它们的新应用领域。

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发布日期:2019年03月04日  所属分类:参考设计