摘 要： 半导体激光器已经应用至许多领域，温度变化会在一定程度上影响激光器信号输出质量，文章建立模型进行量化分析，并进行了仿真验证，直观体现了具体影响。
关键词：线性调频；多普勒；误差
1.引言
半导体激光器技术的发展，使得激光测量趋于小型化与实用化，但与He-Ne激光器相比，其输出光功率的稳定性要稍逊色一些，尤其受环境温度的影响较大[51]。另外，尽管半导体激光器的电光转换效率很高，但由于存在着各种非辐射复合损耗、自由载流子吸收等损耗机制，这使得其外微分量子效率（半导体激光器输出光子数随注入的电子数增加的比率）只能达到[1]，其它未转化成光子的电子所做的功将转换化成热量，致使半导体激光器升温。对于半导体激光器，其温度的升高会导致阈值电流增加，电光转化效率依比例降低。因此温度的变化会直接影响半导体激光器输出光信号的质量。
2.阈值电流与温度的关系
阈值电流密度与半导体激光器的结区温度的关系非常密切。温度升高，自由电子的光学吸收会造成很大的光功率损耗，阈值电流密度随温度变化的曲线如图1所示。从图中可以看出，温度较低时，阈值电流密度随温度的变化较小，当温度增至约时，阈值电流密度急剧变化。
.png)
影响半导体激光器温度特性的因素较多，目前通常采用实验验证公式来描述
其阈值电流密度与温度的关系，其关系为
.png)
3.温度对半导体激光器斜率效率的影响
描述半导体激光器的输出特性的另一个重要参数是斜率效率。半导体激光器在阈值电流以上的曲线接近直线，斜率效率用以描述半导体激光器阈值电流以上部分（线性区）的曲线斜率的大小。对于确定的半导体激光器，斜率效率与工作电流无关，仅与温度有关[2]，为温度的函数。温度对半导体激光器斜率效率的影响如图2所示。图2为华上激光器所提供的半导体激光器曲线测试图，该图充分说明半导体激光器的斜率效率为温度的函数。由图中可以清晰看到，在五个不同的温度下，这五条曲线线性区部分并不平行，并且随着温度的升高，斜率在减小，这是因为随着温度的升高，半导体激光器中自由载流子的吸收引起的损耗将增加，从有源层溢出的载流子数目增加，致使外微分量子效率减小，宏观上表现为斜率效率的减小。
.png)
半导体激光器斜率效率的数学定义式为
.png)
式中，和分别对应于阈值电流以上额定光功率的与；和分别为半导体激光器曲线中和所对应的电流。
结合(4)式与图2计算出半导体激光器在、、、的斜率效率，如表1所示
目前，大都采用对较小温度范围内的数据进行数据拟合的方法来逼近半导体激光器斜率效率与温度的数学函数关系。本文利用表1的数据进行三次多项式拟合，拟合的效果如图3所示，拟合后斜率效率与温度的关系为
.png)
4.温度对半导体激光器输出信号的影响
通常半导体激光器工作时的温度并不是一成不变的，而是随着时间不断的发生变化，当温度升至某一温度（该温度称作平衡温度）时达到动态平衡状态，此时半导体激光器的发热速率与散热速率基本相等，但在平衡温度附近，半导体激光器的温度会发生小幅度的波动，且波动频率基本保持不变，该温度为时间的周期函数，记为。
在线性区，半导体激光器的输出光功率与输入电流、阈值电流、斜率效率三者的关系为
.png)
从图中可以看到，当温度一定时，输出光功率随输入电流的增大而增大；而当输入电流一定时，输出光功率随着温度的升高而减小，这主要是由温度的升高引起阈值电流增大、斜率效率减小所致。
将(2)式与(5)式以及调制信号代入(6)式得
.png)
5.结论
由(7)式可以看出，在不考虑调制信号时，半导体激光器输出光信号强度包络为一时间函数。因此，温度对半导体激光器的输出信号起到一定的调制作用，影响到了本体制激光雷达的输出信号的频谱，对测量精度产生了一定的影响。另外，由于温度具有周期性的变化规律，这使得斜率效率、阈值电流均成为时间的周期函数。结合(7)式可知，若温度变化的幅度较大时会产生虚假目标。目前，在精确测量场合都采取对半导体激光器加温控装置，其作用一方面可以在不增加输入电流的情况下提升激光输出功率；另一方面可以减小半导体激光器的温度波动幅度，改善输出信号质量。
参考文献
[1]黄德修,刘雪峰.半导体激光器及其应用[M].北京:国防工业出版社.1999.5.
[2]杨小丽.光电子技术基础[M].北京:北京邮电大学出版社.2005.2.
作者简介：
张晓永（1984—），男，黑龙江哈尔滨市人，驻哈尔滨地区第二军代室工程师，硕士，主要从事质量监督研究。
张 林（1977—），男，黑龙江哈尔滨市人，驻哈尔滨地区第二军代室工程师，硕士，主要从事质量监督研究。