半导体激光器综合参数测试方法及其组件的研究

摘要

半导体激光器(LD)性能的高低是通过其特性参数表现出来的，用户对于LD的高可靠性和低成本的期望越来越高。无论是研发者、生产商和用户都需要根据自身需求，对LD的各项特性参数和指标进行精确测试，达到改进产品性能或掌握产品性能指标的目的。因此本课题就LD参数测试方法和测试设备进行了详细的研究，为LD参数测试设备产业化提供必要的理论与技术依据。
　　 本文首先对LD综合参数的测试方法和对LD组件系统地进行了介绍。LD组件是指除LD芯片外，保证LD稳定可靠工作所必须的电路及元器件。LD驱动电源作为LD的组件之一在LD工作中起着至关重要的作用。本文在传统LD驱动电源的基础上，设计了一种新型LD驱动电源，具有效率高，恒流范围大等特点，目前已经被实际应用于激光辅助照明系统中。
　　 本文重点对LD的热特性做了测试实验，归纳并总结了LD的热特性规律。重点对LD热阻进行了实验测试，发现LD在不同温度下的PIV曲线、光谱曲线和远场发散角是不同的，随温度升高分别表现为:PI曲线的斜率效率变小，外微分量子效率降低，阈值电流升高，光谱曲线表现为发生红移，峰值波长变长，远场特性表现为发散角变大，光束质量变坏。通过实验测试得到LD的波长温度系数k，采用波长红移法计算LD的热阻，结果表明热阻值随驱动电流变化区间的变化而变化，因此，对热阻的测量需要给出热阻的具体测试条件，或者用热阻在不同驱动电流区间内的统计平均值来衡量热阻特性。
　　 LD远场特性体现的是光束强度在空间几何上的分布。本文主要针对传统LD远场测试成本高的缺点，提出了探测器逐角扫描组合远场法，即采用单片机控制水平电机和垂直电机，首先让水平步进电机带着光电探测器扫过LD光束的一个主轴，得到该轴上的光强分布数据，这些数据组合起来是一个二维光强分布曲线，然后让垂直步进电机按照固定值α带动LD在垂直面上转动，每转过α°，都让光电探测器扫描一周，垂直电机转过180°时，垂直电机和水平电机复位，同时所有测试数据会上传至上位机进行存储，上位机利用MATLAB软件绘制出LD的三维光强分布图，从而完成LD的远场测试，该远场测试模块可以认为是一种“新型LD远场特性测试仪”。
　　 仪器硬件部分由51单片机控制模块、光电转换模块、L298N电机驱动模块、ADC0832模数转换模块、LD驱动电源模块及电流显示模块组成。软件部分由串口通信程序、步进电机驱动程序和模数转换程序三部分组成。LD电源模块和电流显示模块负责为LD提供驱动电流并实时显示输出电流值，电机驱动模块驱动垂直电机与水平电机分别带动LD和光电探测器以各自角度转动，光电转换模块负责将光信号转换为电信号，并通过模数转换模块及串口通信上传给上位机，通过MATLAB对所上传的数据进行处理并绘制成三维光强分布图，以图形方式直观、形象地显示出光束参数和性能，供人们使用。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题提出的背景及意义

1．2 国内外远场测试方法的研究及现状

1．3 国内外LD测试仪器发展及现状

1．3．1 国外LD参数测试仪器发展状况

1．3．2 国内LD参数测试仪器发展状况

1．4 本论文的主要研究内容

第2章 半导体激光器参数测试原理

2．1 LD的光电特性

2．2 LD的光谱特性

2．3 LD的远场特性

2．4 LD的热特性

2．5 LD组件

2．6 LD组件常用参数及其测试方法

2．7 本章小结

第3章 半导体激光器驱动电源研制

3．1 LD驱动电源的参数及特点

3．2 传统LD驱动电源的特点

3．2．1 恒流源的组成及工作原理

3．2．2 晶体管驱动电源

3．2．3 场效应管驱动电源

3．3 新型LD驱动电源的设计

3．3．1 新型LD驱动电源的设计原理

3．3．2 新型LD驱动电源硬件电路设计

3．3．3 新型LD驱动电源测试

3．4 本章小结

第4章 半导体激光器热特性测试

4．1 LD热特性测试

4．2 LD热阻测试

4．3 本章小结

第5章 远场测试系统的研究

5．1 LD远场测试方法

5．1．1 CCD远场测试方法

5．1．2 纹影测试法

5．2 扫描法远场测试方案

5．2．1 扫描法远场测试原理及特点

5．2．2 扫描法远场测试与CCD测试法比较

5．3 本章小结

第6章 远场测试系统的设计

6．1 硬件电路设计

6．1．1 硬件设计框图

6．1．2 系统控制模块

6．1．3 光电转换模块

6．1．4 L298N电机驱动模块

6．1．5 模数转换模块

6．1．6 LD驱动电源模块

6．1．7 LD驱动电源显示模块

6．2 系统程序设计

6．2．1 主程序流程图

6．2．2 串口通信程序

6．2．3 步进电机驱动程序

6．2．4 模数转换程序

6．3 上位机设计

6．3．1 上位机简介

6．3．2 数据处理程序

6．4 系统测试及结果分析

6．4．1 测试平台

6．4．2 测试方法及结果

6．5 测试结果分析

6．6 本章小结

第7章 总结与展望

7．1 总结

7．2 研究工作展望

参考文献

后记

攻读硕士学位期间论文发表及科研情况