激光二極管就是可以產(chǎn)生激光的一種半導(dǎo)體二極管，其產(chǎn)生激光的三個(gè)條件是：實(shí)現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)、滿足閾值條件和諧振條件。由于激光二極管具有極高的靜電敏感性，所在在使用時(shí)要注意防靜電。下面賢集網(wǎng)小編將詳細(xì)為大家介紹激光二極管工作原理、使用、檢測(cè)方法、驅(qū)動(dòng)電路圖。
激光二極管工作原理
激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照PN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。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號(hào)。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖所示，垂直于PN結(jié)面的一對(duì)平行平面構(gòu)成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導(dǎo)體晶體的解理面，也可以是經(jīng)過拋光的平面。其余兩側(cè)面則相對(duì)粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。
半導(dǎo)體中的光發(fā)射通常起因于載流子的復(fù)合。當(dāng)半導(dǎo)體的PN結(jié)加有正向電壓時(shí)，會(huì)削弱PN結(jié)勢(shì)壘，迫使電子從N區(qū)經(jīng)PN結(jié)注入P區(qū)，空穴從P區(qū)經(jīng)過PN結(jié)注入N區(qū)，這些注入PN結(jié)附近的非平衡電子和空穴將會(huì)發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長(zhǎng)為λ的光子，其公式如下：
λ=hc/Eg(1)
式中：h—普朗克常數(shù)；c—光速；Eg—半導(dǎo)體的禁帶寬度。
上述由于電子與空穴的自發(fā)復(fù)合而發(fā)光的現(xiàn)象稱為自發(fā)輻射。當(dāng)自發(fā)輻射所產(chǎn)生的光子通過半導(dǎo)體時(shí)，一旦經(jīng)過已發(fā)射的電子—空穴對(duì)附近，就能激勵(lì)二者復(fù)合，產(chǎn)生新光子，這種光子誘使已激發(fā)的載流子復(fù)合而發(fā)出新光子現(xiàn)象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會(huì)形成和熱平衡狀態(tài)相反的載流子分布，即粒子數(shù)反轉(zhuǎn)。當(dāng)有源層內(nèi)的載流子在大量反轉(zhuǎn)情況下，少量自發(fā)輻射產(chǎn)生的光子由于諧振腔兩端面往復(fù)反射而產(chǎn)生感應(yīng)輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對(duì)某一頻率具有增益。當(dāng)增益大于吸收損耗時(shí)，就可從PN結(jié)發(fā)出具有良好譜線的相干光——激光，這就是激光二極管的簡(jiǎn)單原理。
隨著技術(shù)和工藝的發(fā)展，目前實(shí)際使用的半導(dǎo)體激光二極管具有復(fù)雜的多層結(jié)構(gòu)。
常用的激光二極管有兩種:①PIN光電二極管。它在收到光功率產(chǎn)生光電流時(shí)，會(huì)帶來量子噪聲。②雪崩光電二極管。它能夠提供內(nèi)部放大,比PIN光電二極管的傳輸距離遠(yuǎn)，但量子噪聲更大。為了獲得良好的信噪比，光檢測(cè)器件后面須連接低噪聲預(yù)放大器和主放大器。
半導(dǎo)體激光二極管的工作原理，理論上與氣體激光器相同。
激光二極管本質(zhì)上是一個(gè)半導(dǎo)體二極管，按照PN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。同激光器相比，激光二極管具有效率高、體積小、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)，但其輸出功率小（一般小于2mW），線性差、單色性不太好，使其在有線電視系統(tǒng)中的應(yīng)用受到很大限制，不能傳輸多頻道，高性能模擬信號(hào)。在雙向光接收機(jī)的回傳模塊中，上行發(fā)射一般都采用量子阱激光二極管作為光源。
半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)有：
（1）波長(zhǎng)：即激光管工作波長(zhǎng)，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長(zhǎng)有635nm、650nm、670nm、690nm、780nm、810nm、860nm、980nm等。
（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）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。
（5）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。
（6）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。
激光二極管檢測(cè)方法有兩種：
Ⅰ：阻值測(cè)量法：拆下激光二極管，用萬用表R×1k或R×10k檔測(cè)量其正、反向電阻值。正常時(shí)，正向電阻值為20~40kΩ之間，反向電阻值為∞(無窮大)。若測(cè)得正向電阻值已超過50kΩ，則說明激光二極管的性能已下降。若測(cè)得的正向電阻值大于90kΩ，則說明該二極管已嚴(yán)重老化，不能再使用了。
Ⅱ：電流測(cè)量法：用萬用表測(cè)量激光二極管驅(qū)動(dòng)電路中負(fù)載電阻兩端的電壓降，再根據(jù)歐姆定律估算出流過該管的電流值，當(dāng)電流超過100mA時(shí)，若調(diào)節(jié)激光功率電位器，而電流無明顯的變化，則可判斷激光二極管嚴(yán)重老化。若電流劇增而失控，則說明激光二極管的光學(xué)諧振腔已損壞。
激光二極管使用方法及注意事項(xiàng)
激光二極管在目前制造的器件中是對(duì)靜電最敏感的器件之一，一般激光二極管都會(huì)配有使用說明書，如果您是按照說明書使用時(shí)，激光二極管具有極長(zhǎng)的使用壽命，這是因?yàn)榧す舛䴓O管損壞的大部分原因在于錯(cuò)誤操作或使用時(shí)超出了激光器的額定值。所以無論在任何時(shí)候取放激光二極管時(shí)，都應(yīng)該采取適當(dāng)?shù)撵o電保護(hù)措施。
激光二極管取放和存放措施
1.靜電手環(huán)：在取放激光二極管時(shí)應(yīng)使用接地的防靜電手環(huán)。
防靜電手環(huán)可以安全地將去除接觸激光二極管、放大光電探測(cè)器和其他靜電敏感設(shè)備的人員身上的靜電。接地線內(nèi)含1兆歐的電阻以確保用戶的安全，如果腕帶與靜電控制平臺(tái)墊一起使用，防靜電效果會(huì)更好。
2.防靜電臺(tái)墊：應(yīng)在接地的防靜電臺(tái)墊上對(duì)其進(jìn)行操作。
靜電弛豫時(shí)間50毫秒，防靜電臺(tái)墊可以保護(hù)敏感的光電器件免受靜電放電的損壞。這些重型墊的靜電弛豫時(shí)間為50毫秒，確保能在極端條件下發(fā)揮防護(hù)作用。靜電防護(hù)腕帶一般可以與平臺(tái)墊相連接，當(dāng)接觸敏感電子器件時(shí)，通過腕帶使操作人員接地是非常必要的。
3.激光二極管存放：在不適用激光二極管時(shí)，將激光二極管的導(dǎo)線短接，從而防止發(fā)生ESD損壞。
激光二極管操作和安全措施
1使用合適的驅(qū)動(dòng)器：
激光二極管要求對(duì)工作電流和電壓進(jìn)行控制，從而防止激光二極管過載。此外，激光驅(qū)動(dòng)器應(yīng)針對(duì)電源瞬變提供保護(hù)措施。基于上述考慮，用戶應(yīng)選用合適其應(yīng)用的激光器驅(qū)動(dòng)器。不能使用帶限流電阻的電壓源，它不能提供足夠的措施以保護(hù)激光器。
2.反射：
光學(xué)系統(tǒng)中位于激光二極管之前的平面會(huì)引起一定的激光能量反射回激光器中的監(jiān)測(cè)光電二極管，從而錯(cuò)誤地給出較高的光電二極管電流。如果系統(tǒng)中的光學(xué)部件發(fā)生移動(dòng)，反射的光能不再入射到監(jiān)測(cè)光電二極管上，激光器中的橫店功率反饋電路就會(huì)感應(yīng)到光電二極管電流的降低，并會(huì)通過提高激光器驅(qū)動(dòng)電流以補(bǔ)償光電二極管電流，這樣一來，就有可能過度驅(qū)動(dòng)激光器。后向反射還會(huì)引起激光二極管發(fā)生其它故障和損壞。為了防止這些損壞，請(qǐng)確保所有器件的表面都具有5-10°的傾斜角，必要時(shí)可以采用光學(xué)隔離器對(duì)激光器的直接反饋進(jìn)行衰減。
3.電壓和電流過載：
在使用激光二極管時(shí)，應(yīng)注意不能超過其規(guī)格表中對(duì)應(yīng)的電壓和驅(qū)動(dòng)電流，即使是短時(shí)間內(nèi)也不能超過其規(guī)定的數(shù)值。此外，即使是3伏的反響電壓也會(huì)損壞激光二極管。
4.ON/OFF和電源偶合瞬態(tài)：
由于激光二極管具有很開的響應(yīng)時(shí)間，因此它們很容易在小于1微秒的瞬態(tài)下受到損壞。高電流器件，如烙鐵、真空泵和熒光燈等，都會(huì)引起嚴(yán)重的瞬時(shí)瞬態(tài)。因此，應(yīng)使用沖擊保護(hù)插座。
5.電源計(jì)：
在通過驅(qū)動(dòng)器設(shè)置和標(biāo)定激光二極管時(shí)，可以使用一個(gè)NIST可追跡功率計(jì)對(duì)激光輸出進(jìn)行精密測(cè)量。在將激光器加入光學(xué)系統(tǒng)之前對(duì)激光器的輸出直接進(jìn)行測(cè)量通常是最安全的測(cè)量方法。如果不能如此測(cè)量，請(qǐng)確保在確定激光器總輸出時(shí)考慮了所有光學(xué)損耗(透射、孔徑光闌等)。
6.散熱器：
激光二極管的壽命是與工作溫度成反比的。激光二極管應(yīng)安裝在合適的散熱器中，從而將激光器外包裝上過多的熱量及時(shí)傳遞出去。
7.ESD敏感器件：
目前，激光二極管的操作極其容易受到ESD損壞的影響。在激光二極管和其驅(qū)動(dòng)器之間使用長(zhǎng)接線時(shí)，這種情況尤為嚴(yán)重。避免在任意時(shí)刻將激光器或