孟悅-光學(xué)激光制導(dǎo)畢業(yè)論文初稿

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1、激光技術(shù)及其應(yīng)用發(fā)展華中科技大學(xué)孟悅一題目來源自從1960年發(fā)現(xiàn)激光以來,激光器件、激光技術(shù)及其應(yīng)用均以極快的速度發(fā)展,目前幾乎已滲透到所有的學(xué)科和應(yīng)用領(lǐng)域。激光器作為一種優(yōu)越的輻射源,更是被廣泛地使用。目前已研制成功的激光器達(dá)數(shù)百種,輸出波長(zhǎng)范圍從近紫外一直到遠(yuǎn)紅外,輻射功率從幾毫瓦乃至上萬瓦。激光器按工作物質(zhì)可以分為:氣體激光器、固體激光器、染料激光器和半導(dǎo)體激光器等。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的日趨成熟,半導(dǎo)體激光器以其轉(zhuǎn)換效率高、體積小、重量輕、可靠性高、能直接調(diào)制等特點(diǎn),在科研、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領(lǐng)域得到了日益廣泛的應(yīng)用。目前半導(dǎo)體激光器在光電子領(lǐng)域中

2、的位置和發(fā)展趨勢(shì),正像電子技術(shù)領(lǐng)域中,當(dāng)年由電子管向晶體管和集成電路發(fā)展、轉(zhuǎn)化那樣,已經(jīng)起著其它激光器不可取代的地位。但在實(shí)際使用中存在的主要問題之一是激光器的輸出功率不穩(wěn)定,而且瞬態(tài)電流或電壓尖峰等許多因素都很容易損壞激光器,近些年來,有不少科研單位從事這一方面的研究。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展,基于微型計(jì)算機(jī)的數(shù)字化控制能夠有效地解決半導(dǎo)體激光器的準(zhǔn)確、穩(wěn)定和可靠性問題。二研究目的和意義本課題是為了通過光電探測(cè)器采樣激光光功率,再通過反饋控制算法實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電流的控制,使得激光器輸出穩(wěn)定的光功率。半導(dǎo)體激光器是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件,對(duì)于電

3、沖擊和工作溫度變化的承受能力很差,靜電、高壓、涌浪電流以及電網(wǎng)沖擊等都會(huì)對(duì)半導(dǎo)體激光器造成永久性損壞,直接危及激光器的安全使用及整個(gè)通信系統(tǒng)的穩(wěn)定工作。同時(shí)半導(dǎo)體激光器對(duì)溫度很敏感,環(huán)境溫度的波動(dòng)不僅能引起供給電流的波動(dòng),還會(huì)使激光器的閾值電流、量子效率、輸出波長(zhǎng)和輸出功率發(fā)生很大的變化,影響輸出激光性能,甚至縮短半導(dǎo)體激光器的使用壽命。因此,半導(dǎo)體激光器電源及可控技術(shù)的研究對(duì)獲得高可靠性激光器來說尤為重要。三國內(nèi)外研究現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)自1947年晶體管發(fā)明之后,半導(dǎo)體成為蓬勃發(fā)展的領(lǐng)域。1961年,美國的RCA,MIT的林肯實(shí)驗(yàn)室,IBM,GE等實(shí)驗(yàn)

4、室都開展了半導(dǎo)體激光器研究。1962年秋天,GE、IBM和林肯實(shí)驗(yàn)室相繼在一個(gè)月內(nèi)成功地制造了砷化鎵半導(dǎo)體激光器。1967年,貝爾實(shí)驗(yàn)室的潘希年和海亞西提出了在砷化鎵中摻鋁的方案,他們?cè)?970年成功地研制出第一個(gè)在室溫下連續(xù)運(yùn)行的AlGaAs半導(dǎo)體激光器。伺候,經(jīng)歷了30多年的發(fā)展,半導(dǎo)體激光器結(jié)構(gòu)由早期的同質(zhì)結(jié),經(jīng)歷了單異質(zhì)結(jié),雙異質(zhì)結(jié),量子阱,應(yīng)變量子阱,直到今天正在發(fā)展的自組裝量子點(diǎn)和量子級(jí)聯(lián)的單極性結(jié)構(gòu)。目前半導(dǎo)體激光器的可靠性壽命已達(dá)數(shù)百萬小時(shí),波長(zhǎng)覆蓋從紅外到近紫外波段,連續(xù)輸出功率從若干毫瓦達(dá)到百瓦水平。半導(dǎo)體激光器發(fā)展到今天在諸多領(lǐng)

5、域中,如光纖通信,光盤存儲(chǔ),全色顯示,激光醫(yī)療,以及軍事領(lǐng)域中的激光武器,測(cè)距,制導(dǎo)等方面得到廣泛的應(yīng)用??梢哉f,半導(dǎo)體激光器發(fā)展速度之快,應(yīng)用范圍之廣,發(fā)展?jié)摿χ笫履壳叭魏纹渌す馄魉鶡o法比擬的。激光技術(shù)發(fā)展到今天,已經(jīng)形成了一個(gè)產(chǎn)業(yè)。美國,日本,德國三個(gè)國家激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展代表了當(dāng)今世界激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。美國在500瓦以下的中、小功率激光器方面占優(yōu)勢(shì),德國在500瓦以上用于材料加工的高功率激光器方面占優(yōu)勢(shì),而小功率半導(dǎo)體激光器則是日本占優(yōu)勢(shì),占世界市場(chǎng)的70%以上。這表明各個(gè)國家的發(fā)展都與他們自己的工業(yè)基礎(chǔ)有關(guān)。美國由于在基礎(chǔ)理論研究和工業(yè)發(fā)展

6、的支持體系方面的強(qiáng)勢(shì),使它在世界激光產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)品研發(fā)方面走在世界的前列。而日本在以制造技術(shù)為基礎(chǔ)的半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)方面的優(yōu)勢(shì),使它在半導(dǎo)體激光器世界市場(chǎng)上占有較大的份額。四主要研究?jī)?nèi)容與方法1.半導(dǎo)體激光器的功率特性半導(dǎo)體激光器的一個(gè)重要特性是功率-電流特性,也稱作P-I特性,如上圖所示。P表示激光器輸出的光功率,I表示激光器的注入電流。P-I特性既是激光器的輸出光功率隨注入電流的變化情況。由圖可見,當(dāng)激光器的注入電流逐漸增加時(shí),輸出光功率也逐漸增加。當(dāng)注入電流增大到某一值時(shí),輸出光功率急劇增加,并且發(fā)光特性也會(huì)發(fā)生很大變化,產(chǎn)生極光震蕩。稱這個(gè)電流為閾值電

7、流,用Ith表示,它是P-I曲線拐點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的電流。2.半導(dǎo)體激光器光功率控制原理激光器的驅(qū)動(dòng)電源要提供足夠的電流以驅(qū)動(dòng)激光器發(fā)光,同時(shí)還可以調(diào)整和控制激光器的輸出光功率。在功率控制部分,采用光電二極管對(duì)激光器的輸出功率進(jìn)行檢測(cè),即由激光器給外部控制電路提供一個(gè)激光檢測(cè)電流信號(hào),經(jīng)外部電路處理后,通過電壓器控制,調(diào)節(jié)送給驅(qū)動(dòng)電源,自動(dòng)調(diào)節(jié)激光器偏置電流,從而達(dá)到調(diào)整輸出光功率,使輸出光功率達(dá)到穩(wěn)定的目的,使激光器穩(wěn)定工作。激光器的功率控制電路包括光電檢測(cè)電流,檢測(cè)信號(hào)外部電路和控制電路。光電檢測(cè)電路完成由光信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換:檢測(cè)信號(hào)外部轉(zhuǎn)換電路主要完

8、成由電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換,控制電路是數(shù)字信號(hào)控制激光器的偏置電流的大小。3.功率控制電路的設(shè)計(jì)光電檢測(cè)電

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