基于Labview的半导体激光器控制系统 - 图文

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更是属于空白。解放后，党和政府对安全工作极为重视，煤矿安全状况及劳动条件得到了很大的改善，通风安全仪器从无到有地发展起来在仪器的研究、生产制造方面，多年来投入了很大的力量，形成了以抚顺、重庆、西安、常州、上海等地为中心的安全仪器生产基地，除生产大量的通风安全仪器和救护设备外，从1980年起，先后从波兰、英国、美国和西德等地引进了多种形式的煤矿安全监测系统和生产监控系统，在引进消化的基础上，我国也研制了一批安全监测系统，如常州煤研所的KJl型，北京长城科学仪器厂的KJ4型，重庆煤矿安全仪器厂的TF-200型和AWJ-80型，西安仪表厂的MJC-100型，抚顺煤矿安全仪器厂的AU1型，总参6904厂的WDJ-1型和镇江煤矿专用设备厂的A-1型等安全监控系统来装备矿井。其中KJ4型的系统容量为1536个，传输距离为13Km。所有这些成就，表明我国的安全监测仪器的研制和装备进入了新的水平。但是目前安全监测传感器的种类和质量与国际水平的差距还较大，这是需要解决的问题。

从我国煤炭生产的现状及我国能源结构战略规划均可看出，煤炭仍是支持我国国民经济发展的主要能源，煤炭生产，作为我国能源工业的支柱，其地位将是长期的，稳定的。但是，煤炭工业的安全生产状况却不容乐观，中小型煤矿的情况尤为严重，已经直接威胁到整个煤炭工业的稳定生产，给国家财产和人民生命造成了很大的损失，作为“万恶之首”的甲烷爆炸事故更是重大事故发生率之首。在去年，又接连发生了多起甲烷爆炸事故，事故的结果触目惊心，因此通过强化甲烷管理，提高通风、甲烷监测监控水平，已经成为中小型煤矿甲烷监测监控的最迫切的任务之一。

基于Labview的半导体激光器控制系统的设计是为了方便和更加直观地控制激光器，方便调试,是甲烷浓度检测仪器的核心技术部分。就是用来监视矿井沼气动态仪器的关键。主要工作是利用Labview虚拟仪器产生两个不同的信号，通过DAQ数据采集卡NI USB-6009输出模拟信号驱动激光器使其交替输出两个波长相近的激光，一个激光波长位于有害气体分子的一个窄带吸收峰处，被有害气体分子吸收；对激光器器进行调制，另一个激光波长错开稍许，不被有害气体分子吸收，用作参考光束。并将信号通过光电转换并传输到PC机，通过一系列的计算和处理计算出空气中有害气体分子的浓度。

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第2章 理论基础

2.1 半导体激光器工作原理

2.1.1 激光产生原理

半导体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。对F—p腔(法布里一珀罗腔)半导体激光器可以很方便地利用晶体的与P—n结平面相垂直的自然解理面一[110]面构成F—P腔。

(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入，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。

可见在半导体激光器中，电子和空穴的偶极子跃迁是基本的光发射和光放大过程。对于新型半导体激光器而言，人们目前公认量子阱是半导体激光器发展的根本动力。量子线和量子点能否充分利用量子效应的课题已延至本世纪，科学家们已尝试用自组织结构在各种材料中制作量子点，而GaInN量子点已用于半导体激光器。另外，科学家也已经做出了另一类受激辐射过程的量子级联激光器，这种受激辐射基于从半导体导带的一个次能级到同一能带更低一级状态的跃迁，由于只有导带中的电子参与这种过程，因此它是单极性器件[5]。 2.1.2 半导体激光器的工作特性 1 阈值电流。

当注入p-n结的电流较低时，只有自发辐射产生，随电流值的增大增益也增大，达阈值电流时，p-n结产生激光。影响阈值的几个因素：

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（1）晶体的掺杂浓度越大，阈值越小。

（2）谐振腔的损耗小，如增大反射率，阈值就低。

（3）与半导体材料结型有关，异质结阈值电流比同质结低得多。目前，室温下同质结的阈值电流大于30000A/；单异质结约为8000A/；双异质结约为1600A/。现在已用双异质结制成在室温下能连续输出几十毫瓦的半导体激光器[6]。 （4）温度愈高，阈值越高。100K以上，阈值随T的三次方增加。因此，半导体激光器最好在低温和室温下工作。 2 方向性。

由于半导体激光器的谐振腔短小，激光方向性较差，在结的垂直平面内，发散角最大，可达20°-30°；在结的水平面内约为10°左右。 3 效率。

量子效率 η＝每秒发射的光子数／每秒到达结区的电子空穴对数77K时，Gas激光器量子效率达70％－80％；300K时，降到30％左右。功率效率＝辐射的光功率／加在激光器上的电功率由于各种损耗，目前的双异质结器件，室温时的最高10％，只有在低温下才能达到30％－40％。 4 光谱特性。

由于半导体材料的特殊电子结构，受激复合辐射发生在能带（导带与价带）之间，所以激光线宽较宽，Gas激光器，室温下谱线宽度约为几纳米，可见其单色性较差。输出激光的峰值波长：77K时为840nm；300K时为902nm。

2.2. 半导体激光器的发展历史

20世纪60年代初期的半导体激光器是同质结型激光器, ，美国和苏联科学家加紧了对半导体激光器的研究。1962年后期，美国四个实验室几乎同时宣布研制成功Gas同质结半导体激光器，1963年，巴索夫也报导成功研制Gas半导体激光器。这些同质结激光器，是一种只能以脉冲形式工作的半导体激光器，而且只能在液氮温度下工作，因而没有实用价值，但是他们的基本理论却是半导体激光器的理论基础。

半导体激光器发展的第二阶段是异质结构半导体激光器，它是由两种不同带隙的半导体材料薄层，如Gas，GaAlAs 所组成的激光器。单异质结注人型激光器(SHLD)，它是利用异质结提供的势垒把注入电子限制在GaAsP-N结的P区之内，以此来降低阀值电流密度的激光器。1970年，人们又发明了激光波长为9000? 在室温下连续工作的双异质结GaAsGaAlAs激光器。在半导体激光器件中，后来比较成熟、性能较好、应用较广的是具有双异质结构的电注人式Gas二极管激光器。

由于半导体激光器的诸多优点，以及高锟博士提出可以用光纤来传递信息，

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而半导体激光器正好可以满足光纤通讯中的光源要求，从1970年后，半导体激光器得到了突飞猛进的发展，其速度之快，应用范围之广，发展潜力之大是目前任何其他激光器所无法比拟的。

从20世纪70年代末开始，半导体激光器明显向着两个方向发展，一类是以传递信息为目的的信息型激光器；另一类是以提高光功率为目的的功率型激光器。前者也是最早投入实用的半导体激光器，其波长在0.83~0.85um，这正好对应光纤损耗谱的第一个窗口，后来波长在1.3um的激光器被研制成功并投入实用光纤通讯系统，很快，波长为1.55um的半导体激光器也面世。在信息传输方面，为了进一步降低激光器阈值和提供良好的单纵模输出以及长期稳定工作，相继出现了结构不同，性能优良的半导体激光器，如掩埋式条形异质结激光器、分布反馈激光器、分布布拉格反射激光器、面发射激光器、量子阱激光器等等。对后者，在泵浦固体激光器等应用的推动下，高功率半导体激光器（连续输出功率在100W 以上，脉冲输出功率在5W以上，均可称之谓高功率半导体激光器）在20世纪90年代取得了突破性进展，其标志是半导体激光器的输出功率显著增加，国外千瓦级的高功率半导体激光器已经商品化，国内样品器件输出已达到600W。另外，还有高功率无铝激光器、红外半导体激光器和量子级联激光器等等。其中，可调谐半导体激光器是通过外加的电场、磁场、温度、压力、掺杂盆等改变激光的波长，可以很方便地对输出光束进行调制。20世纪90年代末，面发射激光器和垂直腔面发射激光器得到了迅速的发展。目前，垂直腔面发射激光器已用于千兆位以太网的高速网络[7]。

2.3半导体激光器的应用

由于半导体激光器体积小，结构简单，电光效率高，寿命长，易于调制和价格低等优点，使得它的应用范围相当广泛。

在光纤通讯中，半导体激光器是光纤通讯系统的唯一实用化的光源，而且光纤通讯已经成为当代通讯的主流。到如今，它是当前光通信领域中发展最快、最为重要的光源。

在激光测距中，半导体激光测距仪重量轻、体积小、操作简单速度快而准确，其误差仅为其它光学测距仪的五分之一到数百分之一。

在精密仪器加工中，借助Q开关半导体激光器产生的高能量超短光脉冲，可以对集成电路进行切割、打孔等。而在一般机械加工中，大功率半导体激光器也开始用于在软钎焊、材料表面相变硬化、材料表面熔覆、材料连接、钛合金表面处理、工程材料表面亲润特性改进、激光清洁、辅助机械加工等。

光集成的信息存储应用中，人们采用短激光波长读出光盘的内容，采用蓝、绿激光来提高光盘的存储密度。

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