摘 要： 激光型光電開關(guān)與目前常用的非相干光型光電開關(guān)雖同屬光電開關(guān)一類，但由于它是由相干性極強(qiáng)的半導(dǎo)體激光器制成，與后者相比，有著檢測距離遠(yuǎn)、探測位置精度高、可供選用的波長范圍寬，即從可見光到紅外波段多達(dá)十余種品種等顯著的優(yōu)點(diǎn)，因而有著十分廣闊的新的應(yīng)用領(lǐng)域。 關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器；光電開關(guān);光電二級管 一、前言 半導(dǎo)體激光器是利用半導(dǎo)體晶體材料產(chǎn)生激光的器件，它和其他激光器一樣，具有相干性好、方向性強(qiáng)、發(fā)散角小、亮度高等特點(diǎn)，并且還有著體積小、效率高、調(diào)制方便等獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)。因而，這一產(chǎn)品在集成光學(xué)、光纖通信、光纖傳感、激光測距、光貯存、激光印刷、軍事工程等領(lǐng)域有著廣泛應(yīng)用。利用半導(dǎo)體激光器制作光電開關(guān)，是其在光電傳感技術(shù)方面的一個(gè)成功用例。本文將就半導(dǎo)體激光型光電開關(guān)的簡單工作原理，它獨(dú)具的特點(diǎn)及其應(yīng)用實(shí)例作一簡單的介紹。 二、激光型光電開關(guān)工作原理 1、半導(dǎo)體激光二極管的工作原理 為了了解激光型光電開關(guān)的工作原理，首先對半導(dǎo)體激光二極管的工作原理及其特點(diǎn)作一簡單的介紹。 半導(dǎo)體激光二極管的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，垂直于PN結(jié)面的一對平行平面構(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)，會削弱PN結(jié)勢壘，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發(fā)生復(fù)合，從而發(fā)射出波長為λ的光子，其公式如下： 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—空穴對附近，就能激勵二者復(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)。圖2為日本三洋公司的紅光半導(dǎo)體激光二極管的結(jié)構(gòu)。 圖3為小功率激光管剖視圖，由圖可見，激光芯片貼在用來散熱的熱沉上，在管座上靠近激光芯片下部封有PIN光電二極管。 圖4為普通激光二極管的外形，由圖可見，小功率激光管有三條引腳，這是因?yàn)樵诠軆?nèi)還封裝有一個(gè)光電二極管，用于監(jiān)控激光管工作電流。 半導(dǎo)體激光二極管的常用參數(shù)有： （1）波長：即激光管工作波長，目前可作光電開關(guān)用的激光管波長有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)動電流，此值對于設(shè)計(jì)調(diào)試激光驅(qū)動電路較重要。 （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。 2、半導(dǎo)體激光型光電開關(guān) 激光型光電開關(guān)由激光發(fā)射器與接收器兩部分組成，用來完成檢測目標(biāo)、計(jì)數(shù)、定位、行程控制、遙控等工作，其一般原理框圖如圖5所示。 圖5為用專用遙控集成電路芯片BA5104、BA5204（編者注：BA5104/5204現(xiàn)已不生產(chǎn)，代替型號為SM5031/5032）和M6938制作的半導(dǎo)體激光型光電開關(guān)發(fā)射、接收電路。圖6（a）中BA5104是發(fā)射器芯片，K1～K8是控制輸入端，內(nèi)接上拉電阻。當(dāng)按下其中任一鍵時(shí)，OSC1和OSC2腳所內(nèi)接的時(shí)鐘電路及外接455kHz晶體、電容C1、C2組成的振蕩電路起振，經(jīng)內(nèi)部電路分頻產(chǎn)生38kHz載頻。 BA5104將C1、C2端及K1 ～ K8腳輸入的數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼，由D0端串行輸出，經(jīng)達(dá)林頓管D1581放大后驅(qū)動半導(dǎo)體激光管LD送出調(diào)制載波脈沖激光信號。電位器W用以調(diào)節(jié)激光管的工作電流，以使其處于額定工作電流之內(nèi)。LED端是發(fā)射狀態(tài)顯示輸出端，有高電平輸出時(shí)，LED發(fā)亮。C1、C2端為用戶編碼輸入端，可以設(shè)定4種編碼方式。圖中的LD半導(dǎo)體激光二極管，是光電開關(guān)發(fā)射器的關(guān)鍵元件。 接收電路如圖6（b）所示，當(dāng)接收、解調(diào)模塊M6938接收到激光信號時(shí)，對該信號進(jìn)行放大、選頻與脈沖解調(diào)，此后輸出低電平，經(jīng)VT1反向后，作用于BA5204的D1端，經(jīng)該電路進(jìn)行比較、解碼后，由BA5204的3～10腳輸出相應(yīng)的控制信號。當(dāng)按下發(fā)射器K1 ～ K6任一鍵時(shí)，BA5204相應(yīng)的HP端輸出高電平，松開發(fā)射鍵，則輸出低電平；CP1、CP2端為自鎖反向電平輸出端，當(dāng)按下K7、K8中某一鍵時(shí)，BA5204相應(yīng)的CP端輸出的電平翻轉(zhuǎn)，每按一次，輸出的電平翻轉(zhuǎn)一次。C1、C2端為用戶碼輸入端。有4種編碼方式，要求與BA5104的C1、C2端設(shè)置一致。電容C1、電阻R2與BA5204的13腳內(nèi)部電路組成振蕩回路，頻率為38kHz。AS1117為低壓差穩(wěn)壓器，輸出3.3V。 圖7為由單片機(jī)與鎖相環(huán)電路組成的激光型光電開關(guān)電路。由單片機(jī)編程實(shí)現(xiàn)編碼、調(diào)制功能，使電路大大簡化，且穩(wěn)定性好，有利于批量制作。此外，半導(dǎo)體激光管對浪涌即瞬間過電壓、過電流較敏感，采用單片機(jī)后，除用軟件實(shí)現(xiàn)編碼調(diào)制功能外，尚可采用軟件延時(shí)實(shí)現(xiàn)對激光回路的慢啟動，可有效防止激光管因電浪涌引起的損壞。 圖7（b）中的IRM8881V可對接收到的激光信號進(jìn)行放大，并具有解調(diào)功能，而鎖相環(huán)則起譯碼作用。將鎖相環(huán)的壓控振蕩頻率調(diào)到由軟件確定的編碼頻率，則當(dāng)接收器接收到激光器發(fā)射的編碼調(diào)制信號并經(jīng)接收器放大、解調(diào)譯碼后，在LM567的8端輸出一個(gè)低電平信號，則在PNP晶體管的集電極輸出一個(gè)高電平，從而完成對發(fā)射信號的接收。 接收器的輸出形式可以有多種形式，如以PNP或NPN晶體管驅(qū)動，或帶有繼電器驅(qū)動等，輸出狀態(tài)有常開型和常閉型兩種，檢測方式有對射方式、漫反射方式、鏡反射方式和光纖耦合方式等。 激光型光電開關(guān)既有一般光電開關(guān)所有的功能，還具有以下顯著優(yōu)點(diǎn)。 （1）檢測距離可長達(dá)數(shù)百米至數(shù)公里 半導(dǎo)體激光光源是一種相干性強(qiáng)的光源，因而方向性很強(qiáng)，用光學(xué)系統(tǒng)準(zhǔn)直后，可很容易的把發(fā)散角限制在0.2mrad以內(nèi)，如示意圖8。激光照射的光斑大小可按下式近似計(jì)算： 式中，d — 光斑直徑（mm）； L — 檢測距離（m）；θ — 發(fā)散角（mrad）。 若一束激光投射到500m遠(yuǎn)處，可近似得光斑直徑為 100mm，可見光斑并不大，在此范圍內(nèi)仍有較大的能量分布，足以驅(qū)動接收器工作。同時(shí)，采用功率較大的激光管則容易實(shí)現(xiàn)數(shù)公里遠(yuǎn)的目標(biāo)探測。 目前常用的用非相干光源作的紅外線型光電開關(guān)的作用距離一般只能是幾十米遠(yuǎn)，原因是當(dāng)這種紅外光照射到二、三十米處時(shí)，輻射光束直徑大到數(shù)十厘米以上，能量已十分分散。因此，采用激光型光電開關(guān)，將會使光電開關(guān)的用途大大拓寬，如可用于大范圍的邊界報(bào)警、遙控開關(guān)、遙控爆破、遠(yuǎn)距離控制等等。圖9為作用距離可達(dá)600m的激光型光電開關(guān)。 這種長檢測距離工作的激光型光電開關(guān)，如用可見光如紅光激光管作光源，則容易實(shí)現(xiàn)目標(biāo)對準(zhǔn)工作；如用紅外波段的激光器作光源，則在對準(zhǔn)時(shí)宜用夜視儀或紅外測試卡配合進(jìn)行調(diào)準(zhǔn)。 （2）可實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制和微小目標(biāo)的檢測 由于半導(dǎo)體激光是方向性很強(qiáng)的相干光源，經(jīng)光學(xué)透鏡準(zhǔn)直或聚焦后，光束很細(xì)，因此可用小光闌獲取直徑為0.1mm～0.5mm的激光光束，用這種細(xì)的準(zhǔn)直光束可以實(shí)現(xiàn)高精度的定位控制、位置檢測、線徑測量，并可以檢測直徑小到像繡花針頭般大小的目標(biāo)。特別是將半導(dǎo)體激光束通過芯徑5mm～9mm單模光纖耦合并準(zhǔn)直后，可以將檢測精度提高到微米級，像頭發(fā)絲直徑這樣大小的目標(biāo)均可輕而易舉地檢測出來。 值得一提的是，將準(zhǔn)直后的激光束通過柱面光學(xué)透鏡后，可以射出一條直線光，其線寬可做到0.5mm，如圖10所示。采用這種線光源，可以實(shí)現(xiàn)流水作業(yè)中材料定位切割、醫(yī)學(xué)上CT檢測中目標(biāo)定位、物體的直線度、不平度檢測等，應(yīng)用十分廣泛。此外，將準(zhǔn)直的激光光束通過某種光柵片后可射出十字形激光，在檢測和定位方面亦有獨(dú)到的應(yīng)用之處。 （3）適應(yīng)不同使用要求，有多種波長的激光光源可供選用 近一、二十年來，半導(dǎo)體激光技術(shù)取得長足的發(fā)展，業(yè)已商品化的半導(dǎo)體激光管在可見光波段有波長為635nm、650nm、670nm、690nm四種類型，在近紅外波段則有780nm、810nm、830nm、850nm、860nm、910nm、980nm等幾種。根據(jù)使用要求，可靈活選擇其中任何一種作為光電開關(guān)的激光電源。一般來說，若選擇可見光波段，則在安裝、調(diào)試、對準(zhǔn)上都比較方便，若選用近紅外波段，則在安裝、調(diào)試過程中，須使用夜視儀或紅外測試卡配合進(jìn)行。當(dāng)使用波長短于860nm的型號時(shí)，雖然看不見激光光束，但激光管窗口還能清楚看到有紅色光，即所謂有“紅暴現(xiàn)象”。因此，在作周界報(bào)警的光電發(fā)射傳感器時(shí)，宜選用無“紅暴現(xiàn)象”的910nm、980nm激光器，以免暴露目標(biāo)。有時(shí)還要考慮傳輸介質(zhì)中的損耗問題，例如，綠色激光在水中很少被吸收，其他波段則很容易被水吸收引起激光能量嚴(yán)重衰減。因此，在水中工作時(shí)，選用532nm的綠色激光最為適宜?？傊?，今天的半導(dǎo)體激光波長范圍之寬，品種之豐富，均為使用者提供了充分選擇的余地。 三、應(yīng)用舉例 激光型光電開關(guān)的應(yīng)用可遍及原有紅外線型光電開關(guān)的所有領(lǐng)域，并且還有其獨(dú)特的作用。 1、用于安全警戒 圖11為在大范圍安全警戒方面的實(shí)例，假設(shè)需要對一個(gè)正方形或矩形的區(qū)域（其他形狀區(qū)域亦可酌情解決）進(jìn)行警戒，則如圖所示，可以在方形的三邊的各自交角部位安置與光束成45˚的表面鍍光學(xué)反射材料的平面鏡，在激光發(fā)射器與接收器通電后，通過調(diào)整反射鏡使接收器能接收到激光信號。這樣，當(dāng)激光束通路上有移動目標(biāo)通過而擋住光束時(shí)，則接收器就有信號輸出給微機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)，達(dá)到安全報(bào)警的目的。實(shí)際使用中，通常在適當(dāng)位置采用雙光束激光系統(tǒng)，以避免由于落葉、飛禽、貓狗通過時(shí)引起誤告警。 這種告警系統(tǒng)，可適用于家居小區(qū)、機(jī)場、養(yǎng)殖場、電站、監(jiān)獄、邊防等設(shè)施，用途廣泛。在一些重要的設(shè)施上，可考慮每一側(cè)都安裝一套獨(dú)立的發(fā)射——接收系統(tǒng)，每一接收器均與監(jiān)控系統(tǒng)相連，這樣一旦出現(xiàn)告警信號，就可立即知道是哪一側(cè)的告警，為及時(shí)處理贏得時(shí)間，亦可免去反射鏡的維護(hù)。 2、車輛超高超限的檢測 鐵路及交通運(yùn)輸部門對于車輛裝載物體的高度和寬度都有嚴(yán)格的要求，避免引起道路及周邊交通設(shè)施損壞或重大交通事故。若采用激光型光電開關(guān)可以方便的檢測車輛超高超限。圖12為火車車輛檢測裝置示意圖。 在來車方向距離檢測系統(tǒng)約100m處安裝磁傳導(dǎo)器，當(dāng)火車頭的車輪經(jīng)過磁傳導(dǎo)器時(shí)，該裝置向檢測系統(tǒng)發(fā)出開機(jī)信號，使系統(tǒng)開始工作。當(dāng)車輛通過檢測系統(tǒng)時(shí)，若有物體阻擋激光光束（雙光束系統(tǒng)），接收器就會發(fā)出告警信號，如果再配置一套根據(jù)我國車輛結(jié)構(gòu)編制的統(tǒng)計(jì)車軸和車輛的軟件，則可告知是在哪一輛車上發(fā)生超高超限。不過此時(shí)需在一定間隔上安裝2個(gè)磁傳感器。以便提供所需的輪間距、及車速等輔助信息。 3、紡織系統(tǒng)中的應(yīng)用 在紡織行業(yè)中，有大量的紡紗機(jī)械在工作，一臺寬十多米的紡紗機(jī)械上，有許多的紗錠在運(yùn)轉(zhuǎn)，若有一根紗線斷線，需要及時(shí)停機(jī)由操作人員接上斷頭。用激光型光電開關(guān)能有效實(shí)現(xiàn)斷紗在線檢測作業(yè)。 在棉紗通路的下方，垂直于棉紗運(yùn)動方向，安裝透射式激光發(fā)射與接收器，這樣當(dāng)有棉紗斷線下落時(shí)，由于擋住激光束通路，接收器輸出告警信號，使紡紗機(jī)械停車，此時(shí)便可完成接線作業(yè)。 4、特殊環(huán)境下激光遙遠(yuǎn)供電 在像石油、采掘領(lǐng)域那樣有高濃度、易燃易爆氣氛的場合，對所使用的電源都有嚴(yán)格的限制，絕對不允許產(chǎn)生火花現(xiàn)象，因此，對所有檢測儀器的供電電源都有嚴(yán)格的要求，采用激光進(jìn)行此類環(huán)境下的遙供電無疑是一種新穎的安全選擇。圖15是某種低功耗傳感器供電系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖。調(diào)制頻率在10kHz左右的半導(dǎo)體激光束經(jīng)光學(xué)透鏡準(zhǔn)直后，經(jīng)與芯徑125mm的多模光纖耦合，遠(yuǎn)距離傳送到有易燃易爆氣氛的現(xiàn)場，接收系統(tǒng)中的光電池接收到光纖端部射出的激光脈沖，產(chǎn)生交變的電壓，并經(jīng)升壓變壓器升壓后，再經(jīng)全橋整流能輸出3V～5V的電壓。數(shù)十毫瓦的激光脈沖，可望輸出數(shù)百微安、甚至毫安級電流，這對驅(qū)動CMOS類低功耗電路已夠用，若要獲得更大輸出電流，可用功率更大的激光器。為了提高整流效率，宜用正向壓降僅有0.3V左右的肖特基二極管組成橋路，從圖13可知，該系統(tǒng)接收器的輸出部分與常用光電開關(guān)有所不同，但亦不妨將其看成一種功能變異。 半導(dǎo)體激光型光電開關(guān)還可用于遙控爆破、山體滑坡預(yù)報(bào)、橋梁在車輛通過時(shí)的振動檢測、激光打靶等許多場合，這里不一一列舉。 四、結(jié)束語 激光型光電開關(guān)是對原有采用非相干光源的紅外線光電開關(guān)功能的強(qiáng)有力的補(bǔ)充，并極大地拓寬了光電開關(guān)的應(yīng)用范圍，是后者的優(yōu)良替代品。相信其今后會有越來越廣泛的應(yīng)用前景，在探測領(lǐng)域、工業(yè)控制、安全檢測及其他領(lǐng)域會發(fā)揮更為重要的作用。 參考文獻(xiàn)： [1] 明海，張國平等. 光電子技術(shù)[M]. 中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社，1998. 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