激光型光电开关讲解.pdf

激光型光电开关 摘要：激光型光电开关与目前常用的非相干光型光电开关虽同属光电开关一类，但由于 它是由相干性极强的半导体激光器制成，与后者相比，有着检测距离远、探测位置精度 高、可供选用的波长范围宽，即从可见光到红外波段多达十余种品种等显著的优点，因 而有着十分广阔的新的应用领域。 关键词： 半导体激光器；光电开关; 光电二级管 中图分类号： TP212.14 文献标识码：A 一、前言 半导体激光器是利用半导体晶体材料产生激光的器件，它和其他激光器一样，具有 相干性好、方向性强、发散角小、亮度高等特点，并且还有着体积小、效率高、调制方 便等独特的优点。因而，这一产品在集成光学、光纤通信、光纤传感、激光测距、光贮 存、激光印刷、军事工程等领域有着广泛应用。利用半导体激光器制作光电开关，是其 在光电传感技术方面的一个成功用例。本文将就半导体激光型光电开关的简单工作原 理，它独具的特点及其应用实例作一简单的介绍。 二、激光型光电开关工作原理 1、半导体激光二极管的工作原理 为了了解激光型光电开关的工作原理，首先对半导体激光二极管的工作原理及其特 点作一简单的介绍。 半导体激光二极管的基本结构如图1 所示，垂直于PN 结面的一对平行平面构成法 布里 珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。其 余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其它方向的激光作用。 半导体中的光发射通常起因于载流子的复合。当半导体的PN 结加有正向电压时， 会削弱 PN 结势垒， 迫使电子从 N 区经 PN 结注入 P 区，空穴从 P 区经过 PN 结注入 N 区，这些注入PN 结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为的光 子，其公式如下： = hc/Eg(1) 式中： h普朗克常数； c光速；Eg半导体的禁带宽度。 上述由于电子与空穴的自发复合而发光的现象称为自发辐射。当自发辐射所产生的 光子通过半导体时，一旦经过已发射的电子空穴对附近，就能激励二者复合，产生新 光子，这种光子诱使已激发的载流子复合而发出新光子现象称为受激辐射。如果注入电 流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。当有源层内的载 流子在大量反转情况下，少量自发辐射产生的光子由于谐振腔两端面往复反射而产生感 应辐射，造成选频谐振正反馈，或者说对某一频率具有增益。当增益大于吸收损耗时， 就可从 PN 结发出具有良好谱线的相干光激光，这就是激光二极管的简单原理。 随着技术和工艺的发展，目前实际使用的半导体激光二极管具有复杂的多层结构。 图 2 为日本三洋公司的红光半导体激光二极管的结构。 图 3 为小功率激光管剖视图，由图可见，激光芯片贴在用来散热的热沉上，在管座 上靠近激光芯片下部封有PIN 光电二极管。 图 4 为普通激光二极管的外形，由图可见，小功率激光管有三条引脚，这是因为在 管内还封装有一个光电二极管，用于监控激光管工作电流。 半导体激光二极管的常用参数有： （1）波长：即激光管工作波长，目前可作光电开关用的激光管波长有635nm、6 50nm 、670nm、690nm、780nm 、810nm、860nm、980nm等。 （2）阈值电流Ith ：即激光管开始产生激光振荡的电流，对一般小功率激光管而 言，其值约在数十毫安，具有应变多量子阱结构的激光管阈值电流可低至10mA以下。 （3）工作电流Iop ：即激光管达到额定输出功率时的驱动电流，此值对于设计调 试激光驱动电路较重要。 （4）垂直发散角 ：激光二极管的发光带在垂直PN 结方向张开的角度，一般在 15?40?左右。 （5）水平发散角 ：激光二极管的发光带在与PN 结平行方向所张开的角度，一 般在 6? 10? 左右。 （6）监控电流Im ：即激光管在额定输出功率时，在PIN 管上流过的电流。 2、半导体激光型光电开关 激光型光电开关由激光发射器与接收器两部分组成，用来完成检测目标、计数、定 位、行程控制、遥控等工作，其一般原理框图如图5 所示。 图 5 为用专用遥控集成电路芯片BA5104 、BA5204 （编者注： BA5104/5204现 已不生产，代替型号为SM5031/5032） 和 M6938制作的半导体激光型光电开关发射、 接收电路。图6（a）中 BA5104是发射器芯片，K1K8是控制输入端，内接上拉电 阻。当按下其中任一键时， OSC1 和 OSC2 脚所内接的时钟电路及外接455kHz晶体、 电容 C1 、C2 组成的振荡电路起振，经内部电路分频产生38kHz载频。 BA5104将 C1、C2 端及 K1 K8 脚输入的数据进行编码，由D0 端串行输出， 经达林顿管D1581放大后驱动半导体激光管LD 送出调制载波脉冲激光信号。电位器 W 用以调节激光管的工作电流，以使其处于额定工作电流之内。LED 端是发射状态显 示输出端，有高电平输出时，LED 发亮。 C1 、C2 端为用户编码输入端，可以设定4 种编码方式。图中的LD 半导体激光二极管，是光电开关发射器的关键元件。 接收电路如图6(b) 所示，当接收、解调模块M6938接收到激光信号时，对该信号 进行放大、选频与脉冲解调，此后输出低电平，经VT1 反向后，作用于BA5204的 D 1 端，经该电路进行比较、解码后，由BA5204的 310脚输出相应的控制信号。当 按下发射器K1 K6 任一键时， BA5204相应的 HP 端输出高电平，松开发射键，则 输出低电平； CP1、CP2 端为自锁反向电平输出端，当按下K7 、K8 中某一键时， BA 5204相应的 CP 端输出的电平翻转，每按一次，输出的电平翻转一次。C1 、C2 端为 用户码输入端。有4 种编码方式，要求与BA5104的 C1、C2 端设置一致。电容C1 、 电阻 R2 与 BA5204的 13 脚内部电路组成振荡回路，频率为38kHz 。AS1117为低 压差稳压器，输出3.3V 。 图 7 为由单片机与锁相环电路组成的激光型光电开关电路。由单片机编程实现编码、 调制功能，使电路大大简化，且稳定性好，有利于批量制作。此外，半导体激光管对浪 涌即瞬间过电压、过电流较敏感，采用单片机后，除用软件实现编码调制功能外，尚可 采用软件延时实现对激光回路的慢启动，可有效防止激光管因电浪涌引起的损坏。 图 7（b）中的 IRM8881V可对接收到的激光信号进行放大，并具有解调功能，而 锁相环则起译码作用。将锁相环的压控振荡频率调到由软件确定的编码频率，则当接收 器接收到激光器发射的编码调制信号并经接收器放大、解调译码后，在LM567的 8 端 输出一个低电平信号，则在PNP 晶体管的集电极输出一个高电平，从而完成对发射信 号的接收。 接收器的输出形式可以有多种形式，如以PNP 或 NPN 晶体管驱动，或带有继电器 驱动等，输出状态有常开型和常闭型两种，检测方式有对射方式、漫反射方式、镜反射 方式和光纤耦合方式等。 激光型光电开关既有一般光电开关所有的功能，还具有以下显著优点。 （1）检测距离可长达数百米至数公里 半导体激光光源是一种相干性强的光源，因而方向性很强，用光学系统准直后，可 很容易的把发散角限制在0.2mrad以内，如示意图8。激光照射的光斑大小可按下式 近似计算： d L（2） 式中， d 光斑直径（ mm ）； L 检测距离（ m ）； 发散角（ mrad ）。 若一束激光投射到500m远处，可近似得光斑直径为100mm，可见光斑并不大， 在此范围内仍有较大的能量分布，足以驱动接收器工作。同时，采用功率较大的激光管 则容易实现数公里远的目标探测。 目前常用的用非相干光源作的红外线型光电开关的作用距离一般只能是几十米远， 原因是当这种红外光照射到二、三十米处时，辐射光束直径大到数十厘米以上，能量已 十分分散。因此，采用激光型光电开关，将会使光电开关的用途大大拓宽，如可用于大 范围的边界报警、遥控开关、遥控爆破、远距离控制等等。图9 为作用距离可达600 m 的激光型光电开关。 这种长检测距离工作的激光型光电开关，如用可见光如红光激光管作光源，则容易 实现目标对准工作；如用红外波段的激光器作光源，则在对准时宜用夜视仪或红外测试 卡配合进行调准。 （2）可实现高精度的定位控制和微小目标的检测 由于半导体激光是方向性很强的相干光源，经光学透镜准直或聚焦后，光束很细， 因此可用小光阑获取直径为0.1mm0.5mm的激光光束，用这种细的准直光束可以 实现高精度的定位控制、位置检测、线径测量，并可以检测直径小到像绣花针头般大小 的目标。特别是将半导体激光束通过芯径5mm9mm单模光纤耦合并准直后，可以 将检测精度提高到微米级，像头发丝直径这样大小的目标均可轻而易举地检测出来。 值得一提的是， 将准直后的激光束通过柱面光学透镜后，可以射出一条直线光，其线 宽可做到 0.5mm，如图 10 所示。采用这种线光源，可以实现流水作业中材料定位切 割、医学上 CT 检测中目标定位、物体的直线度、不平度检测等，应用十分广泛。此外， 将准直的激光光束通过某种光栅片后可射出十字形激光，在检测和定位方面亦有独到的 应用之处。 （3）适应不同使用要求，有多种波长的激光光源可供选用 近一、二十年来，半导体激光技术取得长足的发展，业已商品化的半导体激光管在 可见光波段有波长为635nm、650nm、670nm、690nm四种类型，在近红外波段 则有 780nm、810nm、830nm、850nm、860nm、910nm、980nm等几种。根 据使用要求，可灵活选择其中任何一种作为光电开关的激光电源。一般来说，若选择可 见光波段，则在安装、调试、对准上都比较方便，若选用近红外波段，则在安装、调试 过程中，须使用夜视仪或红外测试卡配合进行。当使用波长短于860nm的型号时，虽 然看不见激光光束， 但激光管窗口还能清楚看到有红色光，即所谓有 “ 红暴现象 ” 。因此， 在作周界报警的光电发射传感器时，宜选用无“ 红暴现象 ” 的 910nm、980nm激光器， 以免暴露目标。有时还要考虑传输介质中的损耗问题，例如，绿色激光在水中很少被吸 收，其他波段则很容易被水吸收引起激光能量严重衰减。因此，在水中工作时，选用5 32nm的绿色激光最为适宜。总之，今天的半导体激光波长范围之宽，品种之丰富，均 为使用者提供了充分选择的余地。 三、应用举例 激光型光电开关的应用可遍及原有红外线型光电开关的所有领域，并且还有其独特 的作用。 1、用于安全警戒 图 11 为在大范围安全警戒方面的实例，假设需要对一个正方形或矩形的区域（其 他形状区域亦可酌情解决）进行警戒，则如图所示，可以在方形的三边的各自交角部位 安置与光束成45? 的表面镀光学反射材料的平面镜，在激光发射器与接收器通电后，通 过调整反射镜使接收器能接收到激光信号。这样，当激光束通路上有移动目标通过而挡 住光束时， 则接收器就有信号输出给微机监控系统，达到安全报警的目的。实际使用中， 通常在适当位置采用双光束激光系统，以避免由于落叶、 飞禽、猫狗通过时引起误告警。 这种告警系统，可适用于家居小区、机场、养殖场、电站、监狱、边防等设施，用 途广泛。在一些重要的设施上，可考虑每一侧都安装一套独立的发射 接收系统，每 一接收器均与监控系统相连，这样一旦出现告警信号，就可立即知道是哪一侧的告警， 为及时处理赢得时间，亦可免去反射镜的维护。 2、车辆超高超限的检测 铁路及交通运输部门对于车辆装载物体的高度和宽度都有严格的要求，避免引起道 路及周边交通设施损坏或重大交通事故。若采用激光型光电开关可以方便的检测车辆超 高超限。图12 为火车车辆检测装置示意图。 在来车方向距离检测系统约100m处安装磁传导器， 当火车头的车轮经过磁传导器 时，该装置向检测系统发出开机信号，使系统开始工作。当车辆通过检测系统时，若有 物体阻挡激光光束（双光束系统），接收器就会发出告警信号，如果再配置一套根据我 国车辆结构编制的统计车轴和车辆的软件，则可告知是在哪一辆车上发生超高超限。不 过此时需在一定间隔上安装2 个磁传感器。以便提供所需的轮间距、 及车速等辅助信息。 3、纺织系统中的应用 在纺织行业中，有大量的纺纱机械在工作，一台宽十多米的纺纱机械上，有许多的 纱锭在运转，若有一根纱线断线，需要及时停机由操作人员接上断头。用激光型光电开 关能有效实现断纱在线检测作业。 在棉纱通路的下方，垂直于棉纱运动方向，安装透射式激光发射与接收器，这样当 有棉纱断线下落时，由于挡住激光束通路，接收器输出告警信号，使纺纱机械停车，此 时便可完成接线作业。 4、特殊环境下激光遥远供电 在像石油、采掘领域那样有高浓度、易燃易爆气氛的场合，对所使用的电源都有严 格的限制，绝对不允许产生火花现象，因此，对所有检测仪器的供电电源都有严格的要 求，采用激光进行此类环境下的遥供电无疑是一种新颖的安全选择。图15 是某种低功 耗传感器供电系统的结构框图。调制频率在10kHz左右的半导体激光束经光学透镜准 直后，经与芯径125mm的多模光纤耦合，远距离传送到有易燃易爆气氛的现场，接 收系统中的光电池接收到光纤端部射出的激光脉冲，产生交变的电压，并经升压变压器 升压后，再经全桥整流能输出3V5V的电压。数十毫瓦的激光脉冲，可望输出数百微 安、甚至毫安级电流，这对驱动CMOS 类低功耗电路已够用，若要获得更大输出电流， 可用功率更大的激光器。为了提高整流效率，宜用正向压降仅有0.3V 左右的肖特基二 极管组成桥路，从图15 可知，该系统接收器的输出部分与常用光电开关有所不同，但 亦不妨将其看成一种功能变异。 半导体激光型光电开关还可用于遥控爆破、山体滑坡预报、桥梁在车辆通过时的 振动检测、激光打靶等许多场合，这里不一一列举。 四、结束语 激光型光电开关是对原有采用非相干光源的红外线光电开关功能的强有力的补充，并极 大地拓宽了光电开关的应用范围，是后者的优良替代品。相信其今后会有越来越广泛的 应用前景，在探测领域、工业控制、安全检测及其他领域会发挥更为重要的作用。