元器件科普之激光二极管的原理和应用

BeardRen

1 、简述
1 N* {# Q, W: V! G激光二极管是上世纪60年代发明的一种光源半导体激光器，又称镭射管(Laser Diode)。LASER是取"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（基于受激发射的光放大）"的首字母组成的缩写单词，通常简称为LD。由于可产生波长及相位等性质完全一样的光，因此相干性高是其最大特点。早期因只能够发出低光度的红光，被惠普买下专利后当作指示灯利用，呵呵。如下是当前市面上最常见的激光二极管实物图及内部连接图：


2 、工作原理
& s) ]: o& ~3 ^可用下图（2）来简单说明激光二极管的发光原理：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。

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4 D1 p3 g- w5 {" g3 g- p" y) N+ K更简单来说，如下图所示，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。简单的说，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。
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3 、内部结构图
下面我们就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：
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由上图可见，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。
4 、分类
& R, M- A3 d2 D3 D3 V! M' ^0 ?# D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。
: ]( c4 M6 v& c9 t5 、主要技术参数
4 o1 n1 e& T% s( Y! J9 E①波长：即激光管工作波长，可作光电开关用的激光管波长有635nm、650nm、670nm、
690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。下图是常见波长的镭射光对应的颜色：


②阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。
- K, A. I) g: c$ o: x③工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调试激光驱动电路较重要。
1 g+ F# U5 E! {% F/ z④工作电压Vop：是发出规定的光输出时需要的正向电压。
⑤光输出功率 Po：最大允许的瞬时光学功率输出。这适用于连续或脉冲操作模式。
& p! e8 d. n: {, W% `+ O- K⑥暗电流 Id：光电二极管反向偏置时的泄漏电流。暗电流既取决于温度又取决于电压，
理想的二极管/光电二极管在相反的方向上没有电流。
: ^! _5 \- ]/ \5 c⑦微分效率η：每单位驱动电流的光输出的增加量。表示在激光振荡领域相对于正向电流的光输出直线的倾斜度。
⑧垂直发散角θ⊥：激光二极管的发光带在垂直PN结方向张开的角度，一般在15?~40?左右。
4 h3 P$ E0 W1 c. Z. {' ?⑨水平发散角θ∥：激光二极管的发光带在与PN结平行方向所张开的角度，一般在6?~ 10?左右。
4 v' d% z4 w; Q% e6 v⑩监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN管上流过的电流。
6 、注入电流-光输出 (I-L) 的特性及光功率测量
+ C/ ?. ]; u) P! w8 f  U$ |下图是注入电流-光输出 (I-L) 特性。如果激光二极管通过放大得到的增益（Gain）高于内部损耗和磁镜损耗，则产生振荡。即存在振荡电流阈值。最大输出受到扭折（电流-光输出直线的折弯）、COD（端面光破坏）、温度引起的热饱和等的限制。
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测量激光二极管的光输出时使用光功率计。如下图所示，设置受光面时，使激光的所有光束都入射到光功率计的受光面上。将受光面相对光轴倾斜5~20°，以避免来自光功率计受光面的反射光返回到激光二极管。I-L特性表示正向电流 (IF) 和光输出 (PO) 的关系，可读取阈值电流 (Ith) 和工作电流 (Iop) 。监视电流 (Im) 是用内置的光电二极管监视从激光芯片后面射出的激光时的输出电流。
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  注：因为这些测量受温度影响很大，所以请在激光二极管上安装散热板，使用温度控制器在控制壳体温度的状态下测量。
7 、激光二极管的驱动
# I+ G2 O# s- Y$ f: Z, v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）。
" P  q. X* f& T8 I% h②在激光二极管电路上串联限流电阻器，并联旁路电容器。
0 s3 f! v& _5 M3 _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。
9 b+ g& T6 |+ N. T6 u, Y& n6 o$ ?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：

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- x) J1 o% _% Q% i8 、与LED的区别
由于激光二极管的谱宽是狭窄单一的波长、相位整齐、指向性高的光，因此具备容易控制能量的特征。激光二极管和LED的区别汇总在了下表中：
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2 H# H' _, W" a# m* M8 ?9 、应用领域
! g# J4 S# [! B/ Y4 ?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：
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% A& p$ k% V! u) p* R( W. G4 M10 、使用注意事项
3 A1 \& R; r" o6 I' Z" F①激光二极管发射的激光有可能对人眼造成伤害。二极管工作时，严禁直接注视其端面，不能透过镜片直视激光，也不能透过反视镜观察激光。
  g! A! N0 j+ Z! U) |! e4 a3 `②与其他的分立式产品相比，激光二极管的ESD水平非常低，因此如果在正向上加入浪涌，则过量发光，导致端面损坏，激光无法振荡（如下图所示）。因此，在电源通断时，要防止浪涌电流的措施。用示波器测试驱动电路时，要先断开电源再连接示波器探头，若在通电情况下测试探头，可能引用浪涌电流损坏器件。

( n" a1 v2 r9 l# g9 S; v③器件应存放或工作于干净的环境中；使用时，请不要触摸作为镜片发挥作用的端面。
; z' o, x* V) R" c2 m& \④在较高温度下工作，会增大阀值电流，较低转化频率，加速器件的老化。在调整光输入量时，要用光功率表检测，防止超过大额定输出。
# U2 a. E# i( I* f  L! K⑤输出功率高于指定参数工作，会加速元件老化。
* e6 P( A2 X+ W* |" n$ v⑥机器需要充分散热或在制冷条件下使用，激光二极管的温度严格控制在20度以下，保证寿命。
⑦激光二极管属于ESD静电敏感器件，在人体有良好的情况下才可以拿取，防静电可以采用防静电手镯的方法。
⑧激光器的输出波长受工作电流与散热的影响，要保持良好的散热条件，降低工作时管芯的温度。加散热器防止激光二极管在工作中温升过高。

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二极管工作时，严禁直接注视其端面，不能透过镜片直视激光