半导体激光器特性参数测量系统的研制

论文摘要

随着光电子技术的迅猛发展,半导体激光器（LD）已经成为光电子领域重要的组成部分。半导体激光器作为该领域中的核心器件,其性能不断提高,人们对激光器测量的需要也逐渐延伸。半导体激光器的性能指标主要依靠测量技术来保证,因此对半导体激光器参数的测量具有重大意义和研究价值。本课题在深入了解半导体激光器基本工作原理和基本特性的基础上,对半导体激光器的参数测量技术作了较深入的研究。半导体激光器特性参数测量系统由激光器、PC机、LD检测仪和其他仪器组成。本文分析了当前已有的半导体激光器检测系统的特点和存在的不足,提出了一种能够测量激光器各种参数的测量系统。本文研究了激光器的电压特性、阈值特性、功率特性、波长和光谱等相关参数的物理意义和测量方法;由于温度对激光器的各种特性有着明显的影响,本文还特别对半导体激光器特性参数测量系统的温度控制系统进行了专门的设计,该温度控制系统主要包括温度设定模块、PI控制处理模块、制冷器恒流源驱动模块、制冷器限幅模块,温度传感器探测模块和反馈环节等几个单元模块;测量系统基于GPIB及RS232接口和PC机,讨论了一种具有通用性、开放性和高测量效率的测量系统平台组建的方法,详细介绍了GPIB和RS232接口通讯、软件开发环境、测量软件的开发、测量数据处理等问题;针对本系统的功能,本文还详细设计了软件的测量方案,给出了测量结果,并对测量中遇到的问题给出了相应的改进方案。本文根据实际需要,设计出了一种体积小、价格低、精度高、操作灵活的半导体激光器特性参数测量系统,该系统实现了从微小电流到大电流4个量程范围的宽幅半导体激光器驱动,系统具有ACC、AVC、APC和AMC四种驱动方式,同时具有高精度温控调节功能。可检测半导体激光器所需要的特性参数,如LD驱动电流If,驱动电压Vf,输出功率Po,驱动电流的阈值电流Ith和波长及光谱等,并可打印出半导体激光器的I-L、I-V、I-Im、dV/dI-I、dL/dI-I等特性参数曲线。除此,还可测量半导体制冷器的温度、Itec、Vtec等各种特性。在描绘曲线过程中,通过对测量数据采取平滑和拟合处理,尤其对边缘数据进行专门处理,使描绘的特性曲线更加真实合理,测量结果更为可靠。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 绪论
• 1.1 课题的目的和意义
• 1.2 国内外发展现状
• 1.2.1 国外发展现状
• 1.2.2 国内发展现状
• 1.3 本课题的来源与任务
• 1.3.1 课题来源
• 1.3.2 本课题的任务
• 第二章 半导体激光器特性参数测量系统的组成及其特性分析
• 2.1 半导体激光器
• 2.1.1 半导体激光器的基本工作原理
• 2.1.2 半导体激光器的分类及常用封装形式
• 2.2 半导体激光器特性参数及其基本特性
• 2.2.1 半导体激光器的电压-电流（V-I）特性
• 2.2.2 半导体激光器的P-I特性（又称I-L特性）
• 2.2.3 半导体激光器的阈值特性
• 2.2.4 半导体激光器的波长特性
• 2.2.5 半导体激光器的光谱特性
• 2.3 半导体激光器特性参数的测量方法
• 2.3.1 LD特性参数测量系统的总体组成
• 2.3.2 半导体激光器的PIV特性测量
• 2.3.3 阈值电流的测量方法
• 2.3.4 波长的测量方法
• 2.3.5 光谱的测量方法
• 2.4 本章小结
• 第三章 半导体激光器的温度控制
• 3.1 半导体激光器的温度特性
• 3.1.1 温度对阈值特性的影响
• 3.1.2 温度对输出光功率的影响
• 3.1.3 温度对输出光波长的影响
• 3.2 半导体激光器温度控制的总体设计
• 3.3 热敏电阻线性化
• 3.4 半导体制冷器的工作原理
• 3.5 R/V转换电路
• 3.6 温度设定电路
• 3.7 温度比较电路
• 3.8 比例积分调节电路
• 3.8.1 比例积分控制原理及实现
• 3.8.2 积分分离电路
• 3.9 半导体制冷器驱动电路
• 3.10 辅助电路设计
• 3.10.1 半导体激光器静电保护
• 3.10.2 慢启动电路
• 3.10.3 半导体制冷器保护电路
• 3.10.4 温度控制异常报警电路
• 3.11 本章小结
• 第四章 单片机控制系统软件设计
• 4.1 主程序模块
• 4.2 A/D采集模块
• 4.3 D/A设定模块
• 4.4 单片机串行通信
• 4.5 GPIB接口系统软件设计
• 4.6 温度控制模块软件的设计
• 4.7 半导体激光器光电特性测量模块的设计
• 4.7.1 功能分析
• 4.7.2 设计实现及其说明
• 4.8 测量数据的数据处理
• 4.8.1 数值微分方法
• 4.8.2 数据的曲线拟合
• 4.8.3 数据的平滑化处理
• 4.9 本章小结
• 第五章 测量软件系统的界面设计与实现
• 5.1 开发环境的选择
• 5.2 主菜单
• 5.3 设定模块
• 5.3.1 测定模块
• 5.3.2 系统设定
• 5.4 测量模块
• 5.5 数据输出列表
• 5.6 本章小结
• 总结
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的学术论文
• 致谢
• 附录