摘 要： 激光型光電開關與目前常用的非相干光型光電開關雖同屬光電開關一類，但由于它是由相干性極強的半導體激光器制成，與后者相比，有著檢測距離遠、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十余種品種等顯著的優點，因而有著十分廣闊的新的應用領域。 關鍵詞：半導體激光器；光電開關;光電二級管 一、前言 半導體激光器是利用半導體晶體材料產生激光的器件，它和其他激光器一樣，具有相干性好、方向性強、發散角小、亮度高等特點，并且還有著體積小、效率高、調制方便等獨特的優點。因而，這一產品在集成光學、光纖通信、光纖傳感、激光測距、光貯存、激光印刷、軍事工程等領域有著廣泛應用。利用半導體激光器制作光電開關，是其在光電傳感技術方面的一個成功用例。本文將就半導體激光型光電開關的簡單工作原理，它獨具的特點及其應用實例作一簡單的介紹。 二、激光型光電開關工作原理 1、半導體激光二極管的工作原理 為了了解激光型光電開關的工作原理，首先對半導體激光二極管的工作原理及其特點作一簡單的介紹。 半導體激光二極管的基本結構如圖1所示，垂直于PN結面的一對平行平面構成法布里——珀羅諧振腔，它們可以是半導體晶體的解理面，也可以是經過拋光的平面。其余兩側面則相對粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。 半導體中的光發射通常起因于載流子的復合。當半導體的PN結加有正向電壓時，會削弱PN結勢壘，迫使電子從N區經PN結注入P區，空穴從P區經過PN結注入N區，這些注入PN結附近的非平衡電子和空穴將會發生復合，從而發射出波長為λ的光子，其公式如下： 式中：h—普朗克常數；c—光速； Eg—半導體的禁帶寬度。 上述由于電子與空穴的自發復合而發光的現象稱為自發輻射。當自發輻射所產生的光子通過半導體時，一旦經過已發射的電子—空穴對附近，就能激勵二者復合，產生新光子，這種光子誘使已激發的載流子復合而發出新光子現象稱為受激輻射。如果注入電流足夠大，則會形成和熱平衡狀態相反的載流子分布，即粒子數反轉。當有源層內的載流子在大量反轉情況下，少量自發輻射產生的光子由于諧振腔兩端面往復反射而產生感應輻射，造成選頻諧振正反饋，或者說對某一頻率具有增益。當增益大于吸收損耗時，就可從PN結發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。 隨著技術和工藝的發展，目前實際使用的半導體激光二極管具有復雜的多層結構。圖2為日本三洋公司的紅光半導體激光二極管的結構。 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，這是因為在管內還封裝有一個光電二極管，用于監控激光管工作電流。 半導體激光二極管的常用參數有： （1）波長：即激光管工作波長，目前可作光電開關用的激光管波長有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，此值對于設計調試激光驅動電路較重要。 （4）垂直發散角θ⊥：激光二極管的發光帶在垂直PN結方向張開的角度，一般在15˚～40˚左右。 （5）水平發散角θ∥：激光二極管的發光帶在與PN結平行方向所張開的角度，一般在6˚～ 10˚左右。 （6）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。 2、半導體激光型光電開關 激光型光電開關由激光發射器與接收器兩部分組成，用來完成檢測目標、計數、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現已不生產，代替型號為SM5031/5032）和M6938制作的半導體激光型光電開關發射、接收電路。圖6（a）中BA5104是發射器芯片，K1～K8是控制輸入端，內接上拉電阻。當按下其中任一鍵時，OSC1和OSC2腳所內接的時鐘電路及外接455kHz晶體、電容C1、C2組成的振蕩電路起振，經內部電路分頻產生38kHz載頻。 BA5104將C1、C2端及K1 ～ K8腳輸入的數據進行編碼，由D0端串行輸出，經達林頓管D1581放大后驅動半導體激光管LD送出調制載波脈沖激光信號。電位器W用以調節激光管的工作電流，以使其處于額定工作電流之內。LED端是發射狀態顯示輸出端，有高電平輸出時，LED發亮。C1、C2端為用戶編碼輸入端，可以設定4種編碼方式。圖中的LD半導體激光二極管，是光電開關發射器的關鍵元件。 接收電路如圖6（b）所示，當接收、解調模塊M6938接收到激光信號時，對該信號進行放大、選頻與脈沖解調，此后輸出低電平，經VT1反向后，作用于BA5204的D1端，經該電路進行比較、解碼后，由BA5204的3～10腳輸出相應的控制信號。當按下發射器K1 ～ K6任一鍵時，BA5204相應的HP端輸出高電平，松開發射鍵，則輸出低電平；CP1、CP2端為自鎖反向電平輸出端，當按下K7、K8中某一鍵時，BA5204相應的CP端輸出的電平翻轉，每按一次，輸出的電平翻轉一次。C1、C2端為用戶碼輸入端。有4種編碼方式，要求與BA5104的C1、C2端設置一致。電容C1、電阻R2與BA5204的13腳內部電路組成振蕩回路，頻率為38kHz。AS1117為低壓差穩壓器，輸出3.3V。 圖7為由單片機與鎖相環電路組成的激光型光電開關電路。由單片機編程實現編碼、調制功能，使電路大大簡化，且穩定性好，有利于批量制作。此外，半導體激光管對浪涌即瞬間過電壓、過電流較敏感，采用單片機后，除用軟件實現編碼調制功能外，尚可采用軟件延時實現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行放大，并具有解調功能，而鎖相環則起譯碼作用。將鎖相環的壓控振蕩頻率調到由軟件確定的編碼頻率，則當接收器接收到激光器發射的編碼調制信號并經接收器放大、解調譯碼后，在LM567的8端輸出一個低電平信號，則在PNP晶體管的集電極輸出一個高電平，從而完成對發射信號的接收。 接收器的輸出形式可以有多種形式，如以PNP或NPN晶體管驅動，或帶有繼電器驅動等，輸出狀態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。 激光型光電開關既有一般光電開關所有的功能，還具有以下顯著優點。 （1）檢測距離可長達數百米至數公里 半導體激光光源是一種相干性強的光源，因而方向性很強，用光學系統準直后，可很容易的把發散角限制在0.2mrad以內，如示意圖8。激光照射的光斑大小可按下式近似計算： 式中，d — 光斑直徑（mm）； L — 檢測距離（m）；θ — 發散角（mrad）。 若一束激光投射到500m遠處，可近似得光斑直徑為 100mm，可見光斑并不大，在此范圍內仍有較大的能量分布，足以驅動接收器工作。同時，采用功率較大的激光管則容易實現數公里遠的目標探測。 目前常用的用非相干光源作的紅外線型光電開關的作用距離一般只能是幾十米遠，原因是當這種紅外光照射到二、三十米處時，輻射光束直徑大到數十厘米以上，能量已十分分散。因此，采用激光型光電開關，將會使光電開關的用途大大拓寬，如可用于大范圍的邊界報警、遙控開關、遙控爆破、遠距離控制等等。圖9為作用距離可達600m的激光型光電開關。 這種長檢測距離工作的激光型光電開關，如用可見光如紅光激光管作光源，則容易實現目標對準工作；如用紅外波段的激光器作光源，則在對準時宜用夜視儀或紅外測試卡配合進行調準。 （2）可實現高精度的定位控制和微小目標的檢測 由于半導體激光是方向性很強的相干光源，經光學透鏡準直或聚焦后，光束很細，因此可用小光闌獲取直徑為0.1mm～0.5mm的激光光束，用這種細的準直光束可以實現高精度的定位控制、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。特別是將半導體激光束通過芯徑5mm～9mm單模光纖耦合并準直后，可以將檢測精度提高到微米級，像頭發絲直徑這樣大小的目標均可輕而易舉地檢測出來。 值得一提的是，將準直后的激光束通過柱面光學透鏡后，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，可以實現流水作業中材料定位切割、醫學上CT檢測中目標定位、物體的直線度、不平度檢測等，應用十分廣泛。此外，將準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到的應用之處。 （3）適應不同使用要求，有多種波長的激光光源可供選用 近一、二十年來，半導體激光技術取得長足的發展，業已商品化的半導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。根據使用要求，可靈活選擇其中任何一種作為光電開關的激光電源。一般來說，若選擇可見光波段，則在安裝、調試、對準上都比較方便，若選用近紅外波段，則在安裝、調試過程中，須使用夜視儀或紅外測試卡配合進行。當使用波長短于860nm的型號時，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“紅暴現象”。因此，在作周界報警的光電發射傳感器時，宜選用無“紅暴現象”的910nm、980nm激光器，以免暴露目標。有時還要考慮傳輸介質中的損耗問題，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重衰減。因此，在水中工作時，選用532nm的綠色激光最為適宜。總之，今天的半導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、應用舉例 激光型光電開關的應用可遍及原有紅外線型光電開關的所有領域，并且還有其獨特的作用。 1、用于安全警戒 圖11為在大范圍安全警戒方面的實例，假設需要對一個正方形或矩形的區域（其他形狀區域亦可酌情解決）進行警戒，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˚的表面鍍光學反射材料的平面鏡，在激光發射器與接收器通電后，通過調整反射鏡使接收器能接收到激光信號。這樣，當激光束通路上有移動目標通過而擋住光束時，則接收器就有信號輸出給微機監控系統，達到安全報警的目的。實際使用中，通常在適當位置采用雙光束激光系統，以避免由于落葉、飛禽、貓狗通過時引起誤告警。 這種告警系統，可適用于家居小區、機場、養殖場、電站、監獄、邊防等設施，用途廣泛。在一些重要的設施上，可考慮每一側都安裝一套獨立的發射——接收系統，每一接收器均與監控系統相連，這樣一旦出現告警信號，就可立即知道是哪一側的告警，為及時處理贏得時間，亦可免去反射鏡的維護。 2、車輛超高超限的檢測 鐵路及交通運輸部門對于車輛裝載物體的高度和寬度都有嚴格的要求，避免引起道路及周邊交通設施損壞或重大交通事故。若采用激光型光電開關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約100m處安裝磁傳導器，當火車頭的車輪經過磁傳導器時，該裝置向檢測系統發出開機信號，使系統開始工作。當車輛通過檢測系統時，若有物體阻擋激光光束（雙光束系統），接收器就會發出告警信號，如果再配置一套根據我國車輛結構編制的統計車軸和車輛的軟件，則可告知是在哪一輛車上發生超高超限。不過此時需在一定間隔上安裝2個磁傳感器。以便提供所需的輪間距、及車速等輔助信息。 3、紡織系統中的應用 在紡織行業中，有大量的紡紗機械在工作，一臺寬十多米的紡紗機械上，有許多的紗錠在運轉，若有一根紗線斷線，需要及時停機由操作人員接上斷頭。用激光型光電開關能有效實現斷紗在線檢測作業。 在棉紗通路的下方，垂直于棉紗運動方向，安裝透射式激光發射與接收器，這樣當有棉紗斷線下落時，由于擋住激光束通路，接收器輸出告警信號，使紡紗機械停車，此時便可完成接線作業。 4、特殊環境下激光遙遠供電 在像石油、采掘領域那樣有高濃度、易燃易爆氣氛的場合，對所使用的電源都有嚴格的限制，絕對不允許產生火花現象，因此，對所有檢測儀器的供電電源都有嚴格的要求，采用激光進行此類環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的結構框圖。調制頻率在10kHz左右的半導體激光束經光學透鏡準直后，經與芯徑125mm的多模光纖耦合，遠距離傳送到有易燃易爆氣氛的現場，接收系統中的光電池接收到光纖端部射出的激光脈沖，產生交變的電壓，并經升壓變壓器升壓后，再經全橋整流能輸出3V～5V的電壓。數十毫瓦的激光脈沖，可望輸出數百微安、甚至毫安級電流，這對驅動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，該系統接收器的輸出部分與常用光電開關有所不同，但亦不妨將其看成一種功能變異。 半導體激光型光電開關還可用于遙控爆破、山體滑坡預報、橋梁在車輛通過時的振動檢測、激光打靶等許多場合，這里不一一列舉。 四、結束語 激光型光電開關是對原有采用非相干光源的紅外線光電開關功能的強有力的補充，并極大地拓寬了光電開關的應用范圍，是后者的優良替代品。相信其今后會有越來越廣泛的應用前景，在探測領域、工業控制、安全檢測及其他領域會發揮更為重要的作用。 參考文獻： [1] 明海，張國平等. 光電子技術[M]. 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