元器件科普之激光二極體的原理和應用

1 、簡述

激光二極體是上世紀60年代發明的一種光源半導體激光器，又稱鐳射管(Laser Diode)。LASER是取"Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation（基於受激發射的光放大）"的首字母組成的縮寫單詞，通常簡稱為LD。由於可產生波長及相位等性質完全一樣的光，因此相干性高是其最大特點。早期因只能夠發出低光度的紅光，被惠普買下專利後當作指示燈利用，呵呵。如下是當前市面上最常見的激光二極體實物圖及內部連接圖：

2 、工作原理

可用下圖（2）來簡單說明激光二極體的發光原理：激光二極體中的P-N結由兩個摻雜的砷化鎵層形成。它有兩個平端結構，平行於一端鏡像（高度反射面）和一個部分反射。要發射的光的波長與連接處的長度正好相關。當P-N結由外部電壓源正向偏置時，電子通過結而移動，並像普通二極體那樣重新組合。當電子與空穴複合時，光子被釋放。這些光子撞擊原子，導致更多的光子被釋放。隨著正向偏置電流的增加，更多的電子進入耗盡區並導致更多的光子被發射。最終，在耗盡區內隨機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的另一端反射回來。光子從一端到另一端的這種運動連續多次。在光子運動過程中，由於雪崩效應，更多的原子會釋放更多的光子。這種反射和產生越來越多的光子的過程產生非常強烈的激光束。在上面解釋的發射過程中產生的每個光子與在能級，相位關係和頻率上的其他光子相同。因此，發射過程給出單一波長的激光束。為了產生一束激光，必須使激光二極體的電流超過一定的閾值電平。低於閾值水平的電流迫使二極體表現為LED，發出非相干光。

更簡單來說，如下圖所示，利用注入電流產生的光在2片鏡片之間往返放大，直至激光振蕩。簡單的說，激光二極體也可以說成是一個通過反射鏡將光放大的發光LED。

3 、內部結構圖

下面我們就以當前市面上最常見這種激光二極體實物為例，說明一下激光二極體的大致構造情況：

由上圖可見，激光二極體LASER內包括四個部分：第一部分是激光發射部分(可用LD表示)，它的作用是發射激光；第二部分是光電二極體，是激光的接收反饋器(可用PD表示)，它的作用是接收、監測LD發出的激光(當然，若不需監測LD的輸出，PD部分則可不用)，此外這兩個部分還要一個共用公共電極。因此，通常激光二極體有三個電極；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、屏蔽外界干擾信號和散熱的作用。

4 、分類

激光二極體本質上是一個半導體二極體，按照P-N結材料是否相同，可以把激光二極體分為同質結、單異質結（SH）、雙異質結（DH）和量子阱（QW）激光二極體。量子阱激光二極體具有閾值電流低，輸出功率高的優點，是目前市場應用的主流產品。作為元件材料，使用AlGaAs、InGaAlP、InGaN、ZnO等化合物半導體，由於LSI及Tr、Di等使用的Si躍遷概率（電流轉變為光的概率）較差，因此不適用於激光二極體。

5 、主要技術參數

①波長：即激光管工作波長，可作光電開關用的激光管波長有635nm、650nm、670nm、

690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。下圖是常見波長的鐳射光對應的顏色：

②閾值電流Ith ：即激光管開始產生激光振蕩的電流，對一般小功率激光管而言，其值約在數十毫安，具有應變多量子阱結構的激光管閾值電流可低至10mA以下。

③工作電流Iop ：即激光管達到額定輸出功率時的驅動電流，此值對於設計調試激光碟機動電路較重要。

④工作電壓Vop：是發出規定的光輸出時需要的正向電壓。

⑤光輸出功率 Po：最大允許的瞬時光學功率輸出。這適用於連續或脈衝操作模式。

⑥暗電流 Id：光電二極體反向偏置時的泄漏電流。暗電流既取決於溫度又取決於電壓，

理想的二極體/光電二極體在相反的方向上沒有電流。

⑦微分效率η：每單位驅動電流的光輸出的增加量。表示在激光振蕩領域相對於正向電流的光輸出直線的傾斜度。

⑧垂直發散角θ⊥：激光二極體的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15?~40?左右。

⑨水平發散角θ∥：激光二極體的發光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6?~ 10?左右。

⑩監控電流Im ：即激光管在額定輸出功率時，在PIN管上流過的電流。

6 、注入電流-光輸出 (I-L) 的特性及光功率測量

下圖是注入電流-光輸出 (I-L) 特性。如果激光二極體通過放大得到的增益（Gain）高於內部損耗和磁鏡損耗，則產生振蕩。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。

測量激光二極體的光輸出時使用光功率計。如下圖所示，設置受光面時，使激光的所有光束都入射到光功率計的受光面上。將受光面相對光軸傾斜5~20°，以避免來自光功率計受光面的反射光返回到激光二極體。I-L特性表示正向電流 (IF) 和光輸出 (PO) 的關係，可讀取閾值電流 (Ith) 和工作電流 (Iop) 。監視電流 (Im) 是用內置的光電二極體監視從激光晶元後面射出的激光時的輸出電流。

註：因為這些測量受溫度影響很大，所以請在激光二極體上安裝散熱板，使用溫度控制器在控制殼體溫度的狀態下測量。

7 、激光二極體的驅動

激光二極體具有體積小、重量輕、耗電低、驅動電路簡單、調製方便、耐機械衝擊以及抗震動等優點，但它對過電流、過電壓以及靜電干擾極為敏感，因此，在使用時，要特別注意不要使其工作參數超過其最大允許值，可採用的驅動方法如下：

①用直流恆流源驅動激光二極體（如用LM317搭建的恆流驅動電路）。

②在激光二極體電路上串聯限流電阻器，並聯旁路電容器。

③由於激光二極體溫度升高將增大流過它的電流值，因此，必須採用必要的散熱措施，保證器件工作在一定的溫度範圍之內。

④為了避免激光二極體因承受過大的反向電壓而造成擊穿損壞，可在其兩端反並聯上快速硅二極體。

激光二極體的特色之一，是能直接從電流調製其輸出光的強弱，因為輸出光功率與輸入電流之間多為線性關係。 實際應用中，通常使用APC（Auto Power Control自動功率控制）電路來驅動激光二極體，其利用內置在同一封裝內部，使之能夠接收到來自LD光的光電二極體PD用於反饋和監視LD管的輸出，，使該激光管LD的輸出達到恆定所需的光功率。如下圖是一個較簡單的激光二極體APC驅動電路：

8 、與LED的區別

由於激光二極體的譜寬是狹窄單一的波長、相位整齊、指向性高的光，因此具備容易控制能量的特徵。激光二極體和LED的區別匯總在了下表中：

9 、應用領域

激光二極體由於具有直進性、微小光斑尺寸 (數um～)、單色性、高光密度、相干性 (coherent) 的這些特點，Laser在計算機上的光碟驅動器、激光印表機中的列印頭、條形碼掃描儀、激光測距、激光醫療、光纖通信、舞檯燈光、激光手術、激光切割焊接和激光武器等設備中也得到了廣泛應用。。下表中匯總了按激光二極體的功能分類的用途示例：

10 、使用注意事項

①激光二極體發射的激光有可能對人眼造成傷害。二極體工作時，嚴禁直接注視其端面，不能透過鏡片直視激光，也不能透過反視鏡觀察激光。

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

③器件應存放或工作於乾淨的環境中；使用時，請不要觸摸作為鏡片發揮作用的端面。

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

⑤輸出功率高於指定參數工作，會加速元件老化。

⑥機器需要充分散熱或在製冷條件下使用，激光二極體的溫度嚴格控制在20度以下，保證壽命。

⑦激光二極體屬於ESD靜電敏感器件，在人體有良好的情況下才可以拿取，防靜電可以採用防靜電手鐲的方法。

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

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