1 、簡(jiǎn)述

激光二極管是上世紀(jì)60年代發(fā)明的一種光源半導(dǎo)體激光器，又稱鐳射管(Laser Diode)。LASER是取"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（基于受激發(fā)射的光放大）"的首字母組成的縮寫單詞，通常簡(jiǎn)稱為L(zhǎng)D。由于可產(chǎn)生波長(zhǎng)及相位等性質(zhì)完全一樣的光，因此相干性高是其最大特點(diǎn)。早期因只能夠發(fā)出低光度的紅光，被惠普買下專利后當(dāng)作指示燈利用。

如下是當(dāng)前市面上最常見的激光二極管實(shí)物圖及內(nèi)部連接圖：

2 、工作原理

可用下圖（2）來簡(jiǎn)單說明激光二極管的發(fā)光原理：激光二極管中的P-N結(jié)由兩個(gè)摻雜的砷化鎵層形成。它有兩個(gè)平端結(jié)構(gòu)，平行于一端鏡像（高度反射面）和一個(gè)部分反射。要發(fā)射的光的波長(zhǎng)與連接處的長(zhǎng)度正好相關(guān)。當(dāng)P-N結(jié)由外部電壓源正向偏置時(shí)，電子通過結(jié)而移動(dòng)，并像普通二極管那樣重新組合。當(dāng)電子與空穴復(fù)合時(shí)，光子被釋放。這些光子撞擊原子，導(dǎo)致更多的光子被釋放。隨著正向偏置電流的增加，更多的電子進(jìn)入耗盡區(qū)并導(dǎo)致更多的光子被發(fā)射。最終，在耗盡區(qū)內(nèi)隨機(jī)漂移的一些光子垂直照射反射表面，從而沿著它們的原始路徑反射回去。反射的光子再次從結(jié)的另一端反射回來。光子從一端到另一端的這種運(yùn)動(dòng)連續(xù)多次。

在光子運(yùn)動(dòng)過程中，由于雪崩效應(yīng)，更多的原子會(huì)釋放更多的光子。這種反射和產(chǎn)生越來越多的光子的過程產(chǎn)生非常強(qiáng)烈的激光束。在上面解釋的發(fā)射過程中產(chǎn)生的每個(gè)光子與在能級(jí)，相位關(guān)系和頻率上的其他光子相同。

因此，發(fā)射過程給出單一波長(zhǎng)的激光束。為了產(chǎn)生一束激光，必須使激光二極管的電流超過一定的閾值電平。低于閾值水平的電流迫使二極管表現(xiàn)為LED，發(fā)出非相干光。

更簡(jiǎn)單來說，如下圖所示，利用注入電流產(chǎn)生的光在2片鏡片之間往返放大，直至激光振蕩。簡(jiǎn)單的說，激光二極管也可以說成是一個(gè)通過反射鏡將光放大的發(fā)光LED。

3 、內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖

下面我們就以當(dāng)前市面上最常見這種激光二極管實(shí)物為例，說明一下激光二極管的大致構(gòu)造情況：

由上圖可見，激光二極管LASER內(nèi)包括四個(gè)部分：

第一部分是激光發(fā)射部分(可用LD表示)，它的作用是發(fā)射激光；

第二部分是光電二極管，是激光的接收反饋器(可用PD表示)，它的作用是接收、監(jiān)測(cè)LD發(fā)出的激光(當(dāng)然，若不需監(jiān)測(cè)LD的輸出，PD部分則可不用)，此外這兩個(gè)部分還要一個(gè)共用公共電極。因此，通常激光二極管有三個(gè)電極；

第三部分是玻璃蓋片做的鏡頭，其作用是防塵還有諧振腔的用途；

第四部分是金屬外殼，主要固定、屏蔽外界干擾信號(hào)和散熱的作用。

4 、分類

激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照P-N結(jié)材料是否相同，可以把激光二極管分為同質(zhì)結(jié)、單異質(zhì)結(jié)（SH）、雙異質(zhì)結(jié)（DH）和量子阱（QW）激光二極管。量子阱激光二極管具有閾值電流低，輸出功率高的優(yōu)點(diǎn)，是目前市場(chǎng)應(yīng)用的主流產(chǎn)品。作為元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半導(dǎo)體，由于LSI及Tr、Di等使用的Si躍遷概率（電流轉(zhuǎn)變?yōu)楣獾母怕剩┹^差，因此不適用于激光二極管。

5 、主要技術(shù)參數(shù)

①波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。

下圖是常見波長(zhǎng)的鐳射光對(duì)應(yīng)的顏色：

②閾值電流Ith ：即激光管開始產(chǎn)生激光振蕩的電流，對(duì)一般小功率激光管而言，其值約在數(shù)十毫安，具有應(yīng)變多量子阱結(jié)構(gòu)的激光管閾值電流可低至10mA以下。

③工作電流Iop ：即激光管達(dá)到額定輸出功率時(shí)的驅(qū)動(dòng)電流，此值對(duì)于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動(dòng)電路較重要。

④工作電壓Vop：是發(fā)出規(guī)定的光輸出時(shí)需要的正向電壓。

⑤光輸出功率 Po：最大允許的瞬時(shí)光學(xué)功率輸出。這適用于連續(xù)或脈沖操作模式。

⑥暗電流 Id：光電二極管反向偏置時(shí)的泄漏電流。暗電流既取決于溫度又取決于電壓，理想的二極管/光電二極管在相反的方向上沒有電流。

⑦微分效率η：每單位驅(qū)動(dòng)電流的光輸出的增加量。表示在激光振蕩領(lǐng)域相對(duì)于正向電流的光輸出直線的傾斜度。

⑧垂直發(fā)散角θ⊥：激光二極管的發(fā)光帶在垂直PN結(jié)方向張開的角度，一般在15°~40°左右。

⑨水平發(fā)散角θ∥：激光二極管的發(fā)光帶在與PN結(jié)平行方向所張開的角度，一般在6°~ 10°左右。

⑩監(jiān)控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時(shí)，在PIN管上流過的電流。

6 、注入電流-光輸出 (I-L) 的特性及光功率測(cè)量

下圖是注入電流-光輸出 (I-L) 特性。如果激光二極管通過放大得到的增益（Gain）高于內(nèi)部損耗和磁鏡損耗，則產(chǎn)生振蕩。即存在振蕩電流閾值。最大輸出受到扭折（電流-光輸出直線的折彎）、COD（端面光破壞）、溫度引起的熱飽和等的限制。

測(cè)量激光二極管的光輸出時(shí)使用光功率計(jì)。如下圖所示，設(shè)置受光面時(shí)，使激光的所有光束都入射到光功率計(jì)的受光面上。將受光面相對(duì)光軸傾斜5~20°，以避免來自光功率計(jì)受光面的反射光返回到激光二極管。I-L特性表示正向電流 (IF) 和光輸出 (PO) 的關(guān)系，可讀取閾值電流 (Ith) 和工作電流 (Iop) 。監(jiān)視電流 (Im) 是用內(nèi)置的光電二極管監(jiān)視從激光芯片后面射出的激光時(shí)的輸出電流。

注：因?yàn)檫@些測(cè)量受溫度影響很大，所以請(qǐng)?jiān)诩す舛O管上安裝散熱板，使用溫度控制器在控制殼體溫度的狀態(tài)下測(cè)量。

7 、激光二極管的驅(qū)動(dòng)

激光二極管具有體積小、重量輕、耗電低、驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、調(diào)制方便、耐機(jī)械沖擊以及抗震動(dòng)等優(yōu)點(diǎn)，但它對(duì)過電流、過電壓以及靜電干擾極為敏感，因此，在使用時(shí)，要特別注意不要使其工作參數(shù)超過其最大允許值，可采用的驅(qū)動(dòng)方法如下：

①用直流恒流源驅(qū)動(dòng)激光二極管（如用LM317搭建的恒流驅(qū)動(dòng)電路）。

②在激光二極管電路上串聯(lián)限流電阻器，并聯(lián)旁路電容器。

③由于激光二極管溫度升高將增大流過它的電流值，因此，必須采用必要的散熱措施，保證器件工作在一定的溫度范圍之內(nèi)。

④為了避免激光二極管因承受過大的反向電壓而造成擊穿損壞，可在其兩端反并聯(lián)上快速硅二極管。

激光二極管的特色之一，是能直接從電流調(diào)制其輸出光的強(qiáng)弱，因?yàn)檩敵龉夤β逝c輸入電流之間多為線性關(guān)系。 實(shí)際應(yīng)用中，通常使用APC（Auto Power Control自動(dòng)功率控制）電路來驅(qū)動(dòng)激光二極管，其利用內(nèi)置在同一封裝內(nèi)部，使之能夠接收到來自LD光的光電二極管PD用于反饋和監(jiān)視LD管的輸出，，使該激光管LD的輸出達(dá)到恒定所需的光功率。如下圖是一個(gè)較簡(jiǎn)單的激光二極管APC驅(qū)動(dòng)電路：

8 、與LED的區(qū)別

由于激光二極管的譜寬是狹窄單一的波長(zhǎng)、相位整齊、指向性高的光，因此具備容易控制能量的特征。激光二極管和LED的區(qū)別匯總在了下表中：

9 、應(yīng)用領(lǐng)域

激光二極管由于具有直進(jìn)性、微小光斑尺寸 (數(shù)um～)、單色性、高光密度、相干性 (coherent) 的這些特點(diǎn)，Laser在計(jì)算機(jī)上的光盤驅(qū)動(dòng)器、激光打印機(jī)中的打印頭、條形碼掃描儀、激光測(cè)距、激光醫(yī)療、光纖通信、舞臺(tái)燈光、激光手術(shù)、激光切割焊接和激光武器等設(shè)備中也得到了廣泛應(yīng)用。

下表中匯總了按激光二極管的功能分類的用途示例：

10 、使用注意事項(xiàng)

①激光二極管發(fā)射的激光有可能對(duì)人眼造成傷害。二極管工作時(shí)，嚴(yán)禁直接注視其端面，不能透過鏡片直視激光，也不能透過反視鏡觀察激光。

②與其他的分立式產(chǎn)品相比，激光二極管的ESD水平非常低，因此如果在正向上加入浪涌，則過量發(fā)光，導(dǎo)致端面損壞，激光無(wú)法振蕩（如下圖所示）。因此，在電源通斷時(shí)，要防止浪涌電流的措施。用示波器測(cè)試驅(qū)動(dòng)電路時(shí)，要先斷開電源再連接示波器探頭，若在通電情況下測(cè)試探頭，可能引用浪涌電流損壞器件。

③器件應(yīng)存放或工作于干凈的環(huán)境中；使用時(shí)，請(qǐng)不要觸摸作為鏡片發(fā)揮作用的端面。

④在較高溫度下工作，會(huì)增大閥值電流，較低轉(zhuǎn)化頻率，加速器件的老化。在調(diào)整光輸入量時(shí)，要用光功率表檢測(cè)，防止超過大額定輸出。

⑤輸出功率高于指定參數(shù)工作，會(huì)加速元件老化。

⑥機(jī)器需要充分散熱或在制冷條件下使用，激光二極管的溫度嚴(yán)格控制在20度以下，保證壽命。

⑦激光二極管屬于ESD靜電敏感器件，在人體有良好的情況下才可以拿取，防靜電可以采用防靜電手鐲的方法。

⑧激光器的輸出波長(zhǎng)受工作電流與散熱的影響，要保持良好的散熱條件，降低工作時(shí)管芯的溫度。加散熱器防止激光二極管在工作中溫升過高。

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來源：面包板社區(qū)