波长的调节
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(4) 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；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。
半导体激光二极管的主要参数
半导体激光器的输出特性
半导体激光二极管的电流特性
• o-a 段，由于激光器只有在被加上足够的电 压和足够的电流才会生成激光。在电流较 小的时候，结区的电子和空穴较少，吸收 大于辐射，增益系数G<0，此时激光器发 出的是普通荧光。 • a-b 段，随着电流增大，结区的电子空穴数 量增多，达到 G>0 时，就会出现光放大现 象，此时激光器发出很亮的荧光。但若增 益小于谐振腔自身的损耗，腔内仍不能产 生光振荡，这就是“超辐射”现象。 • b-c段，只有电流增大到使增益足以补偿损 耗时，才能产生模式明确、谱线尖锐的光 振荡，发出激光。刚好使激光器产生激光 的驱动电流称为阈值电流，以Ith表示。功 率随电流的增大线性增大
P
c
o a
b
Ith I
P－I曲线
输出功率与注入电流的关系
电流特性---电流对波长的调谐
1 g 2
n k n 2
Δβ为传输常数的变化量 Δn为折射率的变化量
Δg为增益系数的变化量
α为线宽增加因子
半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起 材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导体激光器的波长会 随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线是以阶梯形式变化的。
当有电流通过不同的导体组成的回 路时，除产生不可逆的焦耳热外， 在不同导体的接头处随着电流方向 的不同会分别出现吸热、放热现象。 如果电流从自由电子数较高的一端 A流向自由电子数较低的一端B，则 B端的温度就会升高；反之，B端的 温度就会降低。这是J.C.A.珀耳帖 在1834年发现的。
(2) 阈值电流Ith ：随注入电流增加，激光器首先是渐渐地增加自发辐射，直至它 开始发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射时的精确的电流值 通常把这个电流值称之为阈值电流，它是一个正向电流，并用符号Ith表示。 (3) 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。
激光器的设计与制作
-----半导体激光技术
半导体激光二极管的主要参数
半导体激光二极管的常用参数主要有：波长、阈值电流Ith 、工 作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im。
(1) 波长：即激光管工作波长，常见的激光二极管的波长有635nm、650nm、 670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。激光二极管的波长可以 由波长计测得。
半导体激光器的输出特性
半导体激光二极管的的温度特性
因为PN结受温度影响较大，所以，温度的微小变化将影响半导体激光器阈 值特性、输出功率以及波长等特性。 一，在同一温度条件下，当电流小 于某一值时，功率接近零值；当电 流超过该值时，功率随电流增长直 线上升，这个值称之为LD的阈值； 二，阈值电流随温度升高而增大， 于是整个激光管的特性曲线基本上 随温度的变化而平行移动； 三，如果LD在恒定的电流下工作， 当环境温度发生变化时，LD输出功 率也随之变化。输出功率显著下降， 即温度增大输出功率及阈值电流与温度的关系
温度特性---温度对波长的调谐
产生调谐的主要原因：
禁带宽度随温度升高变窄，半导体 激光器的波长发生红移。典型的温 度调谐曲线如图所示，随着温度的 升高，半导体激光器的发射波长以 阶梯形式跳跃变化，跳跃是由温度 变化引起的增益曲线的移动导致的 纵模之间的跳变引起的。
半导体激光器控温系统的核心元件
半导体制冷块
半导体制冷器具有如下优点： • 结构简单，整个制冷器由电热堆和导线 组成，无制冷工质，无磨损。寿命长， 工作可靠性高，工作环境要求低。 • 制冷温度和冷却速度可以通过工作电流 来控制，控制灵活、启动快。 • 工作具有可逆性，将工作电流反向，即 成为加热器。 • 控制精度高，控制温度范围大，制冷速 度快。（40°（一级）和60°（二级）） • 半导体制冷器从热负载抽运热量的速度 取决于模块所含 TEC 的数量、通过的 工作电流大小、模块的平均温度以及两 端的温差。
半导体激光器的方案设计
常用的半导体激光器的温度控制框图
温度采集 比 较 器 控制电流
温度控制部分：如图所示，半导体激光器的温度经温度传感器（热敏电阻）采集， 送入比较器，比较器把采集到的温度信号与设定的控制温度进行比较。经过比例积 分微分控制(PID Controller, Proportional-Integral-Differential Controller)处理后通过改 变热电制冷器的驱动电流大小及电流方向达到控制激光器工作温度的目的，进而对 半导体激光器进行制冷或加热，从而保证了半导体激光器温度的稳定。
输出波长与激光二极管温度的关系
半导体激光器的方案设计
通过以上分析，可以得出对半导体激光器驱动电源的要求如下： (1) 能够对 LD 进行驱动； (2) 能够对 LD 驱动电流进行稳恒控制； (3) 能够对 LD 工作温度进行控制；
半导体激光器的方案设计
常用的半导体激光器的电流驱动的控制框图
电流驱动部分：用户可以通过工作模式选择电路来确定驱动电路的工作方式，可以
半导体制冷器，也称热电制冷器，其英文名称为 Thermo Electric Cooler，简称 TEC。它是一种利用珀耳帖(Peltier)效应工作，能起小型热泵作用的半导体电子器 件，可以用于制冷，也可以用于加热。半导体制冷器的基本结构如图所示。
半导体激光器控温系统的核心元件
珀耳帖(Peltier)效应
是ACC模式，也可以是APC模式。工作时，由设定电路设臵驱动电流大小（ACC）或 者设臵激光器输出光功率的大小（APC）。当用户设臵驱动电路工作在 ACC 模式时， 采样电阻通过对输入LD的电流采样，然后反馈给比较控制器，从而形成电流负反馈 回路；当用户设臵驱动电路工作在 APC 模式时，PD（光电二极管）接收LD一小部 分输出光功率，并转化成光功率检测电流，该电流通过电流—电压转换后，将光功 率采样值反馈给比较控制电路，形成闭环负反馈控制回路。
半导体激光二极管的主要参数
半导体激光器的输出特性
半导体激光二极管的电流特性
• o-a 段，由于激光器只有在被加上足够的电 压和足够的电流才会生成激光。在电流较 小的时候，结区的电子和空穴较少，吸收 大于辐射，增益系数G<0，此时激光器发 出的是普通荧光。 • a-b 段，随着电流增大，结区的电子空穴数 量增多，达到 G>0 时，就会出现光放大现 象，此时激光器发出很亮的荧光。但若增 益小于谐振腔自身的损耗，腔内仍不能产 生光振荡，这就是“超辐射”现象。 • b-c段，只有电流增大到使增益足以补偿损 耗时，才能产生模式明确、谱线尖锐的光 振荡，发出激光。刚好使激光器产生激光 的驱动电流称为阈值电流，以Ith表示。功 率随电流的增大线性增大
P
c
o a
b
Ith I
P－I曲线
输出功率与注入电流的关系
电流特性---电流对波长的调谐
1 g 2
n k n 2
Δβ为传输常数的变化量 Δn为折射率的变化量
Δg为增益系数的变化量
α为线宽增加因子
半导体激光器的注入电流的变化导致的载流子浓度的变化不但会引起 材料折射率的改变，而且也会改变增益系数。因此半导体激光器的波长会 随着注入电流的改变而改变。典型的电流调谐曲线是以阶梯形式变化的。
当有电流通过不同的导体组成的回 路时，除产生不可逆的焦耳热外， 在不同导体的接头处随着电流方向 的不同会分别出现吸热、放热现象。 如果电流从自由电子数较高的一端 A流向自由电子数较低的一端B，则 B端的温度就会升高；反之，B端的 温度就会降低。这是J.C.A.珀耳帖 在1834年发现的。
(2) 阈值电流Ith ：随注入电流增加，激光器首先是渐渐地增加自发辐射，直至它 开始发生受激辐射。最感兴趣的参数是开始发生受激辐射时的精确的电流值 通常把这个电流值称之为阈值电流，它是一个正向电流，并用符号Ith表示。 (3) 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。
激光器的设计与制作
-----半导体激光技术
半导体激光二极管的主要参数
半导体激光二极管的常用参数主要有：波长、阈值电流Ith 、工 作电流Iop 、垂直发散角θ⊥、水平发散角θ∥、监控电流Im。
(1) 波长：即激光管工作波长，常见的激光二极管的波长有635nm、650nm、 670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。激光二极管的波长可以 由波长计测得。
半导体激光器的输出特性
半导体激光二极管的的温度特性
因为PN结受温度影响较大，所以，温度的微小变化将影响半导体激光器阈 值特性、输出功率以及波长等特性。 一，在同一温度条件下，当电流小 于某一值时，功率接近零值；当电 流超过该值时，功率随电流增长直 线上升，这个值称之为LD的阈值； 二，阈值电流随温度升高而增大， 于是整个激光管的特性曲线基本上 随温度的变化而平行移动； 三，如果LD在恒定的电流下工作， 当环境温度发生变化时，LD输出功 率也随之变化。输出功率显著下降， 即温度增大输出功率及阈值电流与温度的关系
温度特性---温度对波长的调谐
产生调谐的主要原因：
禁带宽度随温度升高变窄，半导体 激光器的波长发生红移。典型的温 度调谐曲线如图所示，随着温度的 升高，半导体激光器的发射波长以 阶梯形式跳跃变化，跳跃是由温度 变化引起的增益曲线的移动导致的 纵模之间的跳变引起的。
半导体激光器控温系统的核心元件
半导体制冷块
半导体制冷器具有如下优点： • 结构简单，整个制冷器由电热堆和导线 组成，无制冷工质，无磨损。寿命长， 工作可靠性高，工作环境要求低。 • 制冷温度和冷却速度可以通过工作电流 来控制，控制灵活、启动快。 • 工作具有可逆性，将工作电流反向，即 成为加热器。 • 控制精度高，控制温度范围大，制冷速 度快。（40°（一级）和60°（二级）） • 半导体制冷器从热负载抽运热量的速度 取决于模块所含 TEC 的数量、通过的 工作电流大小、模块的平均温度以及两 端的温差。
半导体激光器的方案设计
常用的半导体激光器的温度控制框图
温度采集 比 较 器 控制电流
温度控制部分：如图所示，半导体激光器的温度经温度传感器（热敏电阻）采集， 送入比较器，比较器把采集到的温度信号与设定的控制温度进行比较。经过比例积 分微分控制(PID Controller, Proportional-Integral-Differential Controller)处理后通过改 变热电制冷器的驱动电流大小及电流方向达到控制激光器工作温度的目的，进而对 半导体激光器进行制冷或加热，从而保证了半导体激光器温度的稳定。
输出波长与激光二极管温度的关系
半导体激光器的方案设计
通过以上分析，可以得出对半导体激光器驱动电源的要求如下： (1) 能够对 LD 进行驱动； (2) 能够对 LD 驱动电流进行稳恒控制； (3) 能够对 LD 工作温度进行控制；
半导体激光器的方案设计
常用的半导体激光器的电流驱动的控制框图
电流驱动部分：用户可以通过工作模式选择电路来确定驱动电路的工作方式，可以
半导体制冷器，也称热电制冷器，其英文名称为 Thermo Electric Cooler，简称 TEC。它是一种利用珀耳帖(Peltier)效应工作，能起小型热泵作用的半导体电子器 件，可以用于制冷，也可以用于加热。半导体制冷器的基本结构如图所示。
半导体激光器控温系统的核心元件
珀耳帖(Peltier)效应
是ACC模式，也可以是APC模式。工作时，由设定电路设臵驱动电流大小（ACC）或 者设臵激光器输出光功率的大小（APC）。当用户设臵驱动电路工作在 ACC 模式时， 采样电阻通过对输入LD的电流采样，然后反馈给比较控制器，从而形成电流负反馈 回路；当用户设臵驱动电路工作在 APC 模式时，PD（光电二极管）接收LD一小部 分输出光功率，并转化成光功率检测电流，该电流通过电流—电压转换后，将光功 率采样值反馈给比较控制电路，形成闭环负反馈控制回路。