半导体激光技术（共12篇）
半导体激光技术 篇1
光纤和能与光纤配套使用的激光器是构建光通信系统和光纤激光器系统的先决条件.半导体激光器, 特别是半导体激光二极管 (LD) 可直接作为光通信用光源, 也可作为激光器、放大器的泵浦源在激光工程研究领域有着十分重要的地位.随着光纤激光器输出功率的进一步提高, 一个高功率光纤激光系统往往需要多个LD提供足够的泵浦功率.于是, 将LD发出的光高效地耦合进光纤, 以及将众多的泵浦光束高效地合成一束已成为光纤激光器研究的重要问题, 引起了国内外激光器研究者及制造商的重视.光纤耦合技术包括“LD与输出尾纤的耦合技术”和“泵浦激光器尾纤与光纤激光器光纤的耦合技术”等, 相对来说“LD与输出尾纤的耦合技术”方法更多, 形式更灵活, 有些技术稍加延伸就可推广应用在“泵浦激光器尾纤与光纤激光器光纤”的耦合中.因此, 文中论述的重点放在“LD与输出尾纤的耦合技术”上, 如无特殊强调, 文中一律以“光纤耦合技术”代之.
半导体激光二极管 (LD) 包括二极管单管 (Tube) 、条形巴 (Bar) 、二维堆栈 (Stack) 以及二极管阵列 (Array) 等.随着光纤激光器和光纤放大器研究的不断深入和制作工艺的不断提高, 各种更新颖的想法和更先进的光纤耦合技术层出不穷, 文中细致比较了国内外各种光纤耦合技术的研究现状, 总结寻找出各种光纤耦合技术之间的规律, 供今后的研究人员选择和参考.
1 二极管单管与光纤的耦合技术
二极管单管结构相对简单, 功率较小, 发光元基本上只有一个, 但同样存在光束质量差, 快轴、慢轴发散性差异大等问题.要想高效的将二极管单管的出射激光耦合进光纤, 仍需采用一些特殊技术.
1.1 柱状锲形微透镜光纤法
为提高光纤耦合技术的耦合效率和失配容忍度, 可用带柱状楔形微透镜的多模光纤与大功率单片式LD进行耦合, 有关实验表明, 该方法可得到最高为87.06%的耦合效率[1].
柱状楔形光纤微透镜是近年出现的一种新型光纤微透镜.首先在光纤端头通过研磨和抛光等机械加工得到楔形角, 然后在楔角顶端继续通过研磨加工得到柱状微透镜.柱状楔形光纤微透镜通过楔角和柱状透镜的组合来对发散角比较大的半导体激光光束快轴方向整形, 激光光束慢轴方向发散角较小, 满足正弦值小于数值孔径的限制, 对这个方向上的出射光束不必整形即可顺利耦合.图1所示为柱状楔形微透镜光纤与LD耦合系统结构示意图.
与此原理类似的耦合方法还包括球状光纤耦合法[2]和伞状光纤耦合法[3,4]等.这类耦合方法的工作原理都是增大光纤对激光的接收角.就目前的文献资料来看, 柱状楔形微透镜光纤耦合法的耦合效率最高, 同时, 该方法经仔细设计还有望用于宽发射域半导体激光器及高功率二极管Bar条与光纤的耦合系统中.
1.2 V型槽侧面耦合法
不同于柱状楔形微透镜光纤耦合法, VSP (V-groove side-pumping) 技术是一种侧面耦合系统.有资料显示法国Keopsys公司利用该技术结合双包层有源光纤, 已实现了20 W的光纤激光输出.其原理如图2所示:在双包层光纤的内包层上加工出V型结构, 使激光二极管发射的泵浦光从侧面垂直入射后, 经V型槽侧面反射进入内包层中传播.
该方法应用灵活, 可将多个二极管激光器耦合在同一根光纤上, 有利于实现高功率激光输出, 但该方法也存在如下缺点:
(1) 加工工艺较为复杂:光纤内包层直径一般都很小, 需要特殊工具加工出V型槽结构, 切割成形后还需要对加工表面进行抛光处理, 技术难度大.
(2) 对激光二极管的对准精度要求很高:微小的误差都会严重影响泵浦耦合效率, 不仅调试困难, 而且环境适应性差.
(3) 单元泵浦功率一般只有瓦级, 采用这种技术研制的光纤激光器功率也较小.
可能正是基于以上因素, 这种耦合方法国内采用的并不多.
1.3 微透镜耦合法
图3所示为一种多LD单管与单根光纤的耦合结构图.其工作原理是先用一组准直器 (collimators) 将每个LD单管发出的光束在快轴方向上进行预压缩, 再用一组反射镜 (1st mirrors) 将准直后的激光束按一定角度反射到反射镜2上 (2nd mirror) , 使这10条光束排列成如图4所示的紧密结构的类圆形光束.之后再由一组透镜 (Focusing lens) 将这组光束聚焦耦合到一根光纤中去.
此结构简单明了, 便于理解和实现, 其设计思路还可被用在二极管条形巴与光纤的耦合技术以及二极管阵列与光纤的耦合技术中.但此类耦合方法仍然存在耦合效率不稳定, 系统调节复杂等问题.下文将进行详细分析.
2 二极管条形巴 (Bar) 与光纤的耦合技术
大功率二极管Bar条的光束质量很差, 在2个方向上的发散性差异也很大, 通常由19个 (或49个) 发光元组成, 每个发光元面积为150 μm×1 μm, 发光元间距为500 μm (即阵列总长为1 cm) .出射激光在快轴方向上的发散角<40°, 慢轴方向上的发散角<10°.图5 所示为一个典型的输出功率数十瓦的Bar, 它由19个发光元组成, 其光束质量为
这样差的光束质量, 不仅无法直接应用, 而且无法用简单的透镜耦合法直接耦合到一根直径小于4 mm、NA=0.22的光纤中 (若要用简单的透镜耦合法直接将Bar条发出的光耦合进一根光纤, 必须满足:
需要注意的是, 上述计算中包含了LD发光元之间的间隙对光束质量的影响.如果剔除间隙的影响, 则有
针对这种情况, 以下各种二极管条形巴与输出尾纤的耦合技术应运而生
2.1 光纤束耦合法
图6所示为早期采用的一种光纤束的耦合方法.目前有过文献报道的采用该方法的单位包括中科院半导体所、Coherent和SDL等.
光纤束耦合法是在输入端将耦合光纤排列成具有固定周期的光纤列阵, 使列阵中的光纤一一对应于组成Bar的数十个LD发光元, 在经过快轴成像之后, 将每个发光元的光耦合进一根光纤.在输出端, 以上数十根光纤将排列成圆形的光纤束 (排列原则与2.3节光束的排列原则一样, 都是要排成一个“密结构”) .必要时还可在光纤束的输出端进一步对接另一根单芯光纤, 但这就要求有很好的对接光学系统.目前已在Coherent和SDL的产品中发现有进一步的对接操作.
光纤束耦合法的优点是思路简单明了, 剔除了LD发光元之间的间隙对整体光束质量的影响, 耦合效率高.缺点是光纤束的直径、或对接的光纤的芯径通常会比较粗, 光纤输出亮度的极限低.若要得到更小的输出截面, 单根光纤的芯径就必须很细.因此, Bar的数十个LD发光元在慢轴方向上常常也必须单个地聚焦进光纤.若能结合2.1节中提到的柱状楔形光纤耦合法、球状光纤耦合法等二极管单管与光纤的耦合技术, 提高每一个发光元与对应光纤的耦合效率, 则光纤束法的整体耦合效率还可有较大幅度的提高.根据中科院长春光机所[5]、吉林大学[6]以及河南大学[7]2006年的相关文献报道, 利用微球透镜光纤列阵技术的光纤束耦合法可将最大耦合效率提高到80%以上.
其中中科院长春光机所的做法是将19根芯径均为200 m 的光纤的端面分别熔融拉锥成具有相同直径的微球透镜, 利用V形槽精密排列, 排列周期等于二极管Bar条各发光单元的周期.将微球透镜光纤列阵直接对准二极管Bar条的l9个发光单元.精密调节两者之间的距离, 使耦合输出功率达到最大.通过微球透镜光纤列阵从各个方向压缩激光束的发散角, 有效实现对激光束的整形和压缩.中科院长春光机所通过该方法用数值孔径为0.16的光纤实现了30 W的激光输出, 最大耦合效率大于80%.图7和图8分别是他们所使用的微球透镜光纤结构示意图以及二极管Bar条与微球透镜光纤列阵耦合结构简图.
河南大学的做法是用一段直径为600 μm的裸石英光纤代替柱透镜对LD输出光束进行准直整形, 再用微球透镜光纤对光束进行聚焦后直接实现和光纤耦合, 耦合效率也在80%左右.图9为其实验装置示意图.
光纤束耦合法结构简单明了, 便于理解和实现, 其耦合输入端和输出端应用的光纤列阵和光纤束的设计思路还分别被二极管阵列与光纤的耦合技术以及多根光纤和一根光纤的耦合技术所借鉴.比如, 现有部分高功率N×1的光纤耦合器 (Combiner) 就是将多根光纤排列成如图6所示的密结构, 再采用熔融拉锥法 (fused biconical taper, 简称FBT) 将其拉制成与后继光纤匹配的几何尺寸, 制成N×1的光纤耦合器, 实现将多根光纤的输出光耦合到一根光纤中的目的.耦合效率已达到90%以上, 具有很高的实用价值.表1列出了部分在国内出售的高功率光纤耦合器情况.
2.2 光束整形法
光束整形法的思路如图10所示.首先对Bar条的光束在快轴和慢轴方向上分别准直.准直后的光束为一线状光束.再通过光束整形器把这一线状光束切割成n条, 并重新排列成一个预定的分布, 譬如矩形、方形、圆形、椭圆形等.经过重排后的光束在聚焦性能上将得到极大地改善, M2因子将缩小n倍, 因此对光纤芯径的要求也将减小n倍, 可以用一个透镜聚焦耦合到一根纤细的光纤中去.经验表明, 如果在慢轴准直中使用透镜阵列以减少畸变, M2因子还可以有效地减小.
和光纤束耦合法相比较, 光束整形法的优点是可以实现更细光纤芯径的耦合, 因而实现更高的亮度.假设Bar条在快轴和慢轴方向上M2因子分别为M
图11所示为经过光束整形后的光束图样.光束整形法通常可分为两步重排整形法和一步重排整形法.
2.2.1 两步重排整形法
要把线形光束分割、排列成矩形分布, 首先是把线形光束分裂成n份, 在一个方向上实现不等量的移动, 称为第一次重排;再在另一个方向上实现不等量的移动, 实现第二次重排.如图12中2个箭头所示的过程.
典型的两步重排整形法是梯形镜法 (step-mirror) .如图13所示, 线形光束先由数个微小镜片分割并反射, 实现第一次光束重排.重排后的光束再经过第二次反射, 实现第二次重排.第一次重排的结果是分割后的数节光束在一个方向上实现不同量的平移;第二次重排的结果是实现另一个方向上不同量的平移.最终得到如图12中的整形后的输出图案.JOLD等大多数公司提供的产品里使用的都是梯形镜.另外, 属于2次重排整形法的还有棱镜组法 (Prism-group) , 一般的耦合效率在70%左右.
2.2.2 一步重排整形法
在上述的两步重排法里, 一方面结构复杂, 不利于小型化和模块化;另一方面, 由于每一次反射都损失一些光能量, 致使整形后的效率受到影响.因此, 近期发展起来的一种一步重排整形法相比之下显得很有特色, 下文将介绍2种常见的一步重排整形法.
(1) 45°倾斜柱透镜阵列旋转整形法
由于倾斜的柱透镜成像可以实现旋转功能, 如图14a中所示.可以证明, 如果柱透镜的旋转角为q, 则像的旋转的角度为2q.使用45°放置的柱透镜, 一个水平的线状物AB所成的像为一个垂直的线状A′B′.
在此思路的启示下, Limo公司设计制造了如图14b所示的45°倾斜的柱透镜阵列.水平分布的Bar条在快轴准直后, 每个发光元对应45°倾斜的柱透镜阵列中的一个柱透镜.在光经过柱透镜阵列之后, 就会出现和发光元数目相等的、已经实现重排了的矩形光分布.
和梯度镜法相比较而言, 倾斜柱透镜阵列旋转整形法只用一步就实现了光束的整形重排, 但排列出的光不再是准直光, 而是在垂直方向上发散的一个矩形分布.在Limo的实际产品中, 首先使用一个柱透镜在垂直方向上进行准直.之后再使用2个柱透镜分别在水平和垂直方向上聚焦, 最终实现了与光纤的耦合.
与此类似的一步重排整形法还有Apollo公司使用的体光栅整形法.在该方法中Apollo公司使用了具有专利权的体光栅取代了Limo公司的倾斜柱透镜阵列, 实现了单个二极管条形巴的光束整形.
(2) 折射整形法
另一种整形原理, 即折射整形法.根据折射原理, 光束以一定的角度入射到透明介质 (如玻璃等) 中时, 方向将发生改变.如果此介质是平行介质, 光束穿过后传播方向不变, 但在入射面内位置将发生移动, 如图15a所示.不同的移动量可以通过不同的入射角和介质长度来控制.采用多层透明介质即可实现光束的重排.图15b所示为一个整形模块的剖面图.
利用折射整形法, 不仅可以排列出光纤耦合所需要的矩形分布, 还可以排列出圆形、椭圆形等其他分布.同时具有体积小、结构紧凑、损耗小的优点.
另外, 一次重排实现光束整形的还有双反射器法 (Two-reflector) 等, 因为原理类似, 这里就不再展开描述.
3 二维堆栈 (Stack) 与光纤的耦合技术
一般来说, Bar条的连续功率局限在百瓦数量级.为了得到更大功率的激光输出, 就必须采用二维堆栈的组装技术.LD二维堆栈的结构如图16所示.多个条形巴平行放置, 相邻Bar之间的间隔一般在1.5～2.0 mm之间, 主要是由于散热的局限, 无法更近.目前市场上的产品中条形巴的数目从2个到25个不等, 连续输出功率可达1 000 W.
二维堆栈在快轴方向上由多条条形巴组成 (如典型的25条) , 因此, 其在快轴上的光参积 (发光尺寸和发散角之乘积, Beam-Parameter-Product, BPP) 至少要增大25倍.在图17a所示的耦合法中, 首先将每条巴分别用柱面透镜进行了快轴准直, 然后使用一个大面积柱面微透镜列阵进行慢轴准直.为了消除巴之间的不发光面积的影响, 还使用了一个光束整形镜 (Beam shaper 1) 剔除每条准直光之间的间隙——光束压缩.处理之后的光束形状如图17b所示, 其快慢轴方向上的BPP分别为100 mm·mrad和1 200 mm·mrad.
为了耦合这样的光到光纤中去, 首先必须调整2个方向上的光参积为近似对称, 调节技术依然为上面描述过的整形技术, 如上文提到的两步整形法.这里使用棱镜组法作为例子. 从图17b中得知, 经过光束压缩后的光束的快慢轴方向上的理想的BPP分别是100 mm·mrad和1 200 mm·mrad.但由于压缩效果的限制, 快轴方向上的BPP实际大致为130 mm·mrad.若想使得快慢轴方向上对称, 可以把光束在慢轴方向上切成3份然后在快轴方向重排.
如图18所示的, 采用3块直角棱镜叠加在一起组成的重排模块实现一个方向上的重排.2个这样的模块即可实现所需的光束整形.此时的快、慢轴上的BPP分别被调整为390 mm·mrad和400 mm·mrad, 近似于对称.这样的光经过合适焦距的透镜聚焦后, 就可以耦合到光纤中了.
4 多个二极管Bar条或Stack堆与光纤的耦合技术
接下来介绍一种在多个二极管Bar条或Stack堆与光纤的耦合中应用的比较多的偏振合束法.该方法是在第4节的基础上进行的, 主要由2个光束整形的二维堆栈组成, 其中一个堆栈的输出经过一个半波片后偏振方向发生90°旋转, 再使用偏振合束器对2路堆栈输出的光束进行合束, 最后经过光学聚焦系统实现光纤耦合.
其实不论是条形巴还是堆栈都可以使用偏振合束法结合前面提到的各种整形耦合法实现多个激光器巴/堆栈的单光纤耦合.如Apollo公司就是利用3.2节提到的光束整形法将每个Bar条的出射光先进行初步的重排整形后, 再结合2.3节提到的微透镜耦合法实现了10个二极管Bar条的整形耦合.最后再利用偏振合束法实现了2组共20个Bar条出射激光的耦合.最后经过光学聚焦系统实现了与400 μm光纤的耦合, 输出功率高达400 W.另外, 这种偏振合束法还可用在多个带尾纤的光纤激光器的输出功率合成中, 考虑到技术的共通性, 这里就不再展开介绍.
5 结 束 语
随着半导体激光二级管 (LD) 及其应用技术的发展, 大功率半导体激光二级管的光纤耦合技术也在不断的发展, 人们还在向着更新的整形技术, 更细的光纤耦合, 更高亮度的光纤输出等研究方向进行着不断的开拓和探究, 也取得了显著的进步.在美国、德国已经出现了40 W、100 μm光纤输出的半导体激光器组件.国内受限于制作工艺的不足, 目前还局限在实验室小批量研究阶段, 暂时还没发现自主研制的可供实用化批量生产的相关产品.因此, 激光工作者们仍需加强对半导体激光器光纤耦合技术的研究.
参考文献
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半导体激光技术 篇2
2、列出20世纪上半叶对半导体产业发展做出贡献的4种不同产业。P2 答：真空管电子学、无线电通信、机械制表机及固体物理。答：高速、耐久性、功率控制能力。缺陷：功耗高。19.场效应晶体管（FET）有什么优点？P49 答：利于提高集成度和节省电能。22.FET的最大优势是什么？P49
3、什么时间、什么地点、由谁发明了固体晶体管？P3 答：1947年12月16日在贝尔电话实验室由威廉·肖克利、约翰·巴丁和沃尔特·布拉顿发明了固体晶体管。
5、列出5个集成时代，指出每个时代的时间段，并给出每个时代每个芯片上的元件数。P46、什么是硅片？什么是衬底？什么是芯片？
答：芯片也称为管芯（单数和复数芯片或集成电路），硅圆片通常被称为衬底
8、列出集成电路制造的5个重要步骤，简要描述每个步骤。P410、列出提高微芯片制造技术相关的三个重要趋势，简要描述每个趋势。P811、什么是芯片的关键尺寸？这种尺寸为何重要？P9
13、什么是摩尔定律？它预测了什么？这个定律正确吗？P1014、自1947年以来靠什么因素使芯片价格降低？给出这种变化的两个原因。
16、描述硅片技师和设备技师的职责。P16
第三章
11.解释pn结反偏时发生的情况。P45
答：导致通过二极管的电流很小，甚至没有电流。12.解释pn结正偏时发生的情况。P45
答：将一正偏施加于pn结，电路中n区电子从偏压电源负极被排斥。多余的电子从负极注入到充满空穴的p区，使n区中留下电子的空穴。同时，p区的空穴从偏压电源正极被排斥。由偏压电源正极提供的空穴中和由偏压电源负极提供的电子。空穴和电子在结区复合以及克服势垒电压大大的减小了阻止电流的行为。只要偏压对二极管能维持一个固定的空穴和电子注入，电流就将持续的通过电路。
13.双极晶体管有多少个电极、结和类型？电极的名称分别是什么？类型名称分别是什么？P46
答：有三电极和两个pn结、两种类型。电极名称：发射极、基极、集电极。类型名称：pnp、npn.16．BJT是什么类型的放大器器件？它是怎么根据能量要求影响它的应用的？P47
答：驱动电流的电流放大器件。发射极和集电极都是n型的重掺杂，比如砷或磷。基极是p型杂质硼的轻掺杂。基极载流子减少，基极吸引的电流将明显地比集电极吸引的电流小。这种差别说明了晶体管从输入到输出电流的增益。晶体管能线性地将小的输入信号放大几百倍来驱动输出器件。
18.双极技术有什么显著特征？双极技术的最大缺陷是什么？P48
答：低电压和低功耗。
25.FET的两种基本类型是什么？他们之间的主要区别是什么？P50
答：结型（JFET）和金属-氧化物型（MOSFET）半导体。区别是：MOSFET作为场效应晶体管输入端的栅极由一层薄介质与晶体管的其他两极绝缘。JFET的栅极实际上同晶体管其他电极形成物理的pn结。
26.MOSFET有哪两种类型？它们怎么区分？P50 答：nMOS(n沟道)和pMOS（p沟道）。每种类型可由各自器件的多数载流子来区分。
第四章
1.列举得到半导体级硅的三个步骤。半导体级硅有多纯？P64
4.描述非晶材料。为什么这种硅不能用于硅片？P65 9.为什么要用单晶进行硅片制造？P67 14.什么是CZ单晶生长法？P68
22.为什么要用区熔法生长硅晶体？P71 23.描述区熔法。P71
25.给出更大直径硅片的三大好处。P72 26.什么是晶体缺陷？P73
37.在直径为200mm及以上硅片中切片是怎么进行的？P77
41.为什么要对硅片表面进行化学机械平坦化？P78 43.列举硅片的7种质量要求。P79
第五章
1.什么是物质的四种形态？试分别描述之。P87
6.描述三种温标，哪一种是科学工作中最常用的温标？P89
8.给出真空的定义。什么是最常用的真空单位，它是怎么定义的？P91
9.给出冷凝和蒸发的定义。吸收和吸附之间有什么不同？P91-92
11.给出升华和凝华的定义。P92 13.什么是表面张力？P93
14.给出材料的热膨胀系数P94。
20.什么是酸？列出在硅片厂中常用的三种酸。P95 21.什么是碱？列出在硅片厂中常用的三种碱。P96 23.什么是溶剂？列出在硅片厂中常用的三种溶剂。P97 24.描述在硅片厂中使用的去离子水的概念。P97 31.什么是处理特殊气体所面临的最大挑战？P99 38.描述三种特殊气体并分别举例。P101
第六章
4.说明五类净化间沾污。P107
6.解释半导体制造中可以接受的颗粒尺寸的粗略规则。P108
9.什么是MIC?P109
13.解释自然氧化层。识别由自然氧化层引起的三种问题。27．为什么潮湿是工艺腔的一大问题.P183
28．列出减少设备维修中的沾污的必要步骤。P184
第九章
1．列出芯片厂中6个不同的生产区域并对每一个区域做P110
15.给出在硅片制造中由ESD引起的三种问题。P111 16.列举硅片制造厂房中7种沾污源。P112 30.列举并解释ESD的三种控制方法。P117 34.描述反渗透(RO)过滤。什么是超过滤？P119 39.列举并讨论四类过滤器。P121 42.描述工艺气体的过滤。P121
49.描述微环境，解释为何这种环境在净化间内改善了沾污控制。P125
53.描述RCA清洗工艺。P126
61.列出典型的硅片湿法清洗顺序。什么是清洗槽？P127
第七章
1.什么是测量学？集成电路制造中测量学的目的是什么？P140
2.缺陷的定义。硅片缺陷密度是怎样定义的？P140
6.半导体质量测量的定义。列出在集成电路制造中12种不同的质量测量。陈述使用不同质量测量的工艺。P142 10.解释四探针法，并给出测方块电阻四探针法的优点。P144-145
12.解释等值线图。P145
13.解释椭偏仪的基本原理。用椭偏仪测薄膜厚度有哪些优点？P145-146
17.用X射线怎样测薄膜厚度？XRF是什么的缩写。什么是全反射XRF?P147
24.什么是亮场探测？什么是暗场探测？P151 28.解释什么是每步每片上的颗粒数（PWP）。P153 29.哪些是硅片关键尺寸的主要测量工具。P154 30.解释SEM的主要操作。P154
33.什么是套准精度？陈述并解释测量套准精度的主要技术。P156
36.描述二次离子质谱仪（SMIS）。P160 38.解释什么是原子加力显微镜。P162 41.解释透射电子能显微镜。P163
43.描述聚焦离子束加工并解释它的好处。P165
第八章
1．什么是工艺腔？它的五项功能是什么？P171 4．半导体制造业中的真空由有什么优点？P173 7．什么是平均自由程？为什么它很重要？P173 12．描述冷凝泵的原理，并解释其过程。P176
16．列出气流控制中4个基本的对工艺腔的要求。P178 19．质量流量计的原理是什么？P178
23．什么是等离子体？它对工艺腔有什么益处？P181
简单的描述。P188-189
3．举出在高温设备中进行的5步工艺。P189 4．光刻的目的是什么？P189
11．举出薄膜区用到的4种不同的设备和工艺。P191 13．列出典型的CMOS工艺的14个主要生产步骤。P192 17．离子注入后进行退火工艺的原因是什么？P194 19．什么是浅槽隔离？它取代了什么工艺？P194 25．轻掺杂漏（LDD）注入是如何减少沟道漏电流效应的？P197
26．解释侧墙的目的。P198 29．什么是局部互连？P200
31．什么是通孔？什么是钨塞？P201
第十章
1．生长氧化层与淀积氧化层间的区别是什么？P210 3．热预算的定义，解释为什么其不受欢迎。P211
11．列出热氧化物在硅片制造的6种用途，并给出各种用途的目的。不懂这题。
14．如果热生长氧化层厚度为2000A，那么硅消耗多少？0
17．举出氧化工艺中掺氯的两个优点。P217 24．解释晶体晶向对氧化物生长的影响。P218
27．LOCOS是什么，热氧化中如何使用？鸟嘴效应是什么，为什么它不受欢迎？P220 28．解释浅槽隔离（STI）。P220 32．什么是热壁炉？P222
33．列出卧式炉和立式炉的五个性能因素，判断哪种炉体是最适合的。P223
47．什么是快速热处理（RTP）？相比于传统炉其6大优点是什么？P228
第十一章
1． 什么是多层金属化？它对芯片加工来说为什么是必
需的？P240
3． 解释ILD层的作用。在芯片中，ILD-1层所在的位置
是哪里？P241
4． 什么是薄膜？列举并描述可接受的薄膜的8个特征。
P242
5． 什么是深度比？为什么高深度比对ULSI器件很重
要？P243
6． 列举并描述薄膜生长的三个阶段。P244 7． 列举淀积的5种主要技术。P245 8． 什么是CVD?P246
11．识别并描述CVD反应中的8个步骤。P247
20．为什么LPCVD较APCVD更普遍？描述LPCVD的工艺过程。P253
27．什么是PECVD?PECVD和LPCVD的主要差别是什么？P257
40．什么是外延？解释自掺杂和外扩散。P267 41．列举并讨论外延的三种方法。P268
第十二章
9． 列出并讨论引入铜金属化的5大优点。P283
17．描述钨塞填充，并讨论它是怎样被用于多层金属化的？P289
18．为什么蒸发作为金属淀积系统被取代？P290 30．在高级IC中，什么是产生钨填充的典型方法？ 32．解释铜电镀的基本过程。P299
35．列出双大马士革金属化过程的10个步骤。P302
第十三章
1． 什么是光刻？P310
2． 描述投影掩膜版和掩膜版的区别。P311 4，定义分辨率。P312
5．什么是套准精度？它对掩膜版的套准容差有什么作用？P313
6．讨论工艺宽容度。P314
7．解释负性和正性光刻的区别。P314 8．描述亮场掩膜版。P315 10．列出光刻的8个步骤，并对每一步做出简要解释。P316 14．HMDS是什么？起到什么作用？P317 17．给出硅片制造中光刻胶的两种目的。P322 28．列出并描述I线光刻胶的4种成分。P325 29．负胶的两大缺点是什么？P326
34．给出I线正胶具有良好分辨率的原因。P327 35．为什么I线光刻胶不能用在深紫外波长？P328 42．列出并描述旋转涂胶的4个基本步骤。P330 45．描述边圈去除。P333
46．陈述软烘的4个原因。P333
第十四章
3． 步进光刻机的三个基本目标是什么？P342 7．列出并解释两种形式的光波干涉。什么是滤波器？P344 8．什么是电磁波谱，什么是UV范围？P345
9．列出并描述光刻中使用的两种UV曝光光源。P346 13．哪种激光器用做248nm的光源？193nm的光源是什么？P348
14．什么是空间想干？为什么在光刻中控制它？P348 24．什么是数值孔径？陈述它的公式，包括近似公式。P353 26．列出并解释硅片表面光反射引起的最主要的两个问题。P354
27．什么是抗反射涂层，它是怎样减小驻波的？P354 28．陈述分辨率公式。影响光刻分辨率的三个参数是什么？P358
30．计算扫描光刻机的分辨率，假设波长是248nm，NA是0.65，k是0.6。P358
31．给出焦深和焦面的定义。写出计算焦深的公式。P359 35．解释接触光刻机。它使用掩膜还是投影掩膜？P360 36．解释接近光刻机是怎样工作的。它要解决什么问题？P361
37．解释扫描投影光刻机是怎样工作的。扫描投影光刻机努力解决什么问题？P361
38．解释分步重复光刻机的基本功能。P363
39．光刻中采用步进扫描技术获得了什么好处？P364
第十五章
1． 解释光刻胶显影，其目的是什么？P387第一段第一句 2． 为什么要对化学放大深紫外光刻胶进行后烘？简述
去保护作用。P385
3． 为什么温度均匀性对后烘很重要？P385
.5。简述负胶显影。负胶用于亚微米图形的主要问题是什么？P386
6．为什么正胶是普遍使用的光刻胶？P88 9．最常用的正胶是指哪些光刻胶？P388 12．对化学放大深紫外光刻胶而言，PHS与显影液之间是否发生了化学反应？P389
13．列举两种光刻胶显影方法。P389 14．解释连续喷雾显影。P389 15．描述旋覆浸没显影。P390
17．解释为什么要进行坚膜。P391 19．为什么要进行显影后检查？P392
21．列举出下一代光刻技术中4种正在研究的光刻技术。P393
第十六章
1． 定义刻蚀，刻蚀的目的是什么？P404
2． 刻蚀工艺有哪两种类型？简要描述各类刻蚀工艺。
P405
3． 列出按资料分类的三种主要干法蚀刻。P405 4． 解释有图形和无图形刻蚀的区别。P405 5． 列举9个重要的刻蚀参数。P406
7．解释负载效应以及它与刻蚀速率的关系。P406 10．什么是方向性？为什么在刻蚀中需要方向性？P407？（这个没找到确切的答案）
12．定义选择比。干法刻蚀有高的或低的选择比？高选择比意味着什么？描述并解释选择比公式。P409 13．什么是刻蚀均匀性？获得均匀性刻蚀的难点是什么？解释ARDE并讨论它与刻蚀均匀性的关系。ARDE的另一个名字是什么？P409~410
14．讨论刻蚀残留物，他们为什么产生以及要怎样去除？P410
16．什么刻蚀中的等离子体诱导损伤，以及这些损伤带来
什么问题?P411 18．干法刻蚀的目的是什么？列举干法刻蚀同湿法刻蚀相比具有的优点。干法刻蚀的不足之处是什么？P411
19．列举在干法刻蚀中发生刻蚀反应的三种方法。P412 20．解释发生刻蚀反应的化学机理和物理机理。P412 25．描述圆桶式等离子体刻蚀机。P414 26．描述平板反应器。P415
29．解释离子束铣。他是用什么材料？P417 33．描述电子回旋共振。P419 37．什么是终点检测？为什么在干法刻蚀中它是必需的？最常用的终点检测类型是什么？P422
十七章
1、什么是掺杂？ P442
3、简要描述热扩散。P4434、简要描述离子注入。P4435、请列举用于硅片制造的5种常用杂质。
8、什么是结深？P44410、列举并解释扩散的三个步骤。P445
14、为什么杂质需要激活？P446
15、什么是杂质的固溶极限？P44616、解释横向扩散以及不希望有横自扩散的原因。P447
21、给出离子注入机的概况、P44822、说明亚0.25微米工艺中掺杂的两个主要目标。P448
23、列举离子注入优于扩散的7点。P44924、离子注入的主要缺点是什么？如何克服？P450
27、什么是射程？解释能量与射程之间的关系。P450
28、如果电荷数为1的正离子在电势差200keV的电场中运动，它的能量是多少？P45029、列举离子注入机的4种类型，并简要描述。P451
32、描述注入过程中的两种主要能量损失机制。P451
34、列举离子注入设备的5个主要子系统。P45335、离子源的目的是什么？最常用的离子源材料是什么？0N P45339、质量分析器磁铁的作用是什么？描述质量分析器的功能。P45540、加速管是怎样增加粒子束能量的？P456
45、解释离子束扩散和空间电荷中和。P458
46、形成中性离子束陷阱的原因是什么？P458
47、列举并简要解释4种扫描系统。P45950、讨论硅片充电、二次电子喷淋和等离子电子喷淋。P46053、退火的目是什么？高温炉退火和RTA哪一个更优越？P46355、描述沟道效应。列举并简要解释控制沟道效应的三种机制P464。
十八章
41、描述表面形貌，较高的芯片封装密度会引起表面形貌的何种变化？ 4783、列举和论述三种传统的平坦化方法。4805、描述化学机械平坦化，CMP是在恩怨实现的平坦化的？4824、什么是平坦度？如果SHpre10um,SHpost1um，那么DP是多少？4835、解释WIWNU和WTWNU之间的差别。484
6、列举并解释CMP的9个优点。484
7、列举并解释CMP的4个缺点。4848、叙述用于解释CMP平坦化表面方式的两种机理484
2、解释金属抛光的原理。48536、定义磨料。为什么磨料对CMP很重要？487
22、描述抛光垫。48823、解释表面平滑。修正的目的是什么？488~~489
54、CMP中为什么需要终点检测？49111、列举并描述在CMP中用的两种终点检测类型。电机电流终点检测，光学终点监测
36、CMP清洗的终点是什么？49340、列举并简单描述硅片制造中用到CMP的6个例子。495
十九章
1、定义硅片测试。硅片测试的目的是什么？ 506
2、列举并描述IC生产过程中的5种不同电学测试。507
3、列出硅片制造过程中完成的两种硅片级测试。507
6、在线参数测试的另一个名称是什么？在线参数测试是直流测试还是交流测试？ 5097、列举并解释5个进行在线参数测试的理由。509
48、什么是划片道监控？50949、列举并解释在线参数测试中要做的5种不同测试。51030、解释硅片级可靠性。给出一个硅片级可靠性测试的例子。51216、列举在线参数测试的4个主要子系统。512
31、列举并解释硅片挑选测试的目标。51517、列举并描述硅片挑选测试中的三种典型电学测试。51651、列出影响硅片挑选测试的4个要素。519
41、列举并描述三种成品率模型。523
半导体激光技术 篇3
临 床 资 料
本组患者共14例，男性6例，女性8例，年龄最小18岁，最大85岁，平均年龄45.7岁。发痛部位第二枝6例，第三枝5例。二及三枝同时发病3例，病期最短为6个月，最长为18年。除1 例未经任何治疗之外，其余13例分别采用药物、针灸或末稍神经干无水酒精封闭治疗后疼痛复发。
治疗方法与效果
1.定位：三叉神经患者经临床诊断后，采用2%利多卡因对眶下神经或下牙槽神经行诊断性阻滞麻醉，观察20分钟无疼痛发作者可确诊定位。
2.选穴：第二枝选四白、迎香、巨髎、下关穴。第三枝选下关、颊车、地仓、大迎。
3.激光穴位照射：穴位选择准确后行激光照射，照射皮肤穴位距离30cm─50cm。穴位照射3─5分钟，每日一次在，7─70次为一疗程。照射时患者采取坐位。
4.疗效：
（1）疗效判定标准：
Ⅰ级：疼痛停止发作。
Ⅱ级：疼痛显著好转或疼痛发作次数显著减少。
Ⅲ级：疼痛减轻，发作次数减少。
Ⅳ级：疼痛无变化。
（2）14例患者疗效：14例患者有13例坚持10次穴位照射，1例只照4次为间断性治疗。用2─3个月随访观察。
疗效：Ⅰ级疼痛停止发作13例（99%）。
Ⅱ级疼痛显著好转1例（1%）。
疗效Ⅰ级的占99%，全组14例中有1例因间断性治疗后2个月开始服用卡马西平，但较治疗前服药量减少，疼痛程度较轻。
讨 论
激光治疗原理：
1.强力镇痛、神经阻滞、促进镇痛物质释放、降低末稍神经兴奋性。
2.影响局部炎症物质，如激肽而镇痛。
3.可激活脑内的啡肽能系统，增加脑啡肽的代谢，使脑内的类阿片物质释放加快。从而发挥镇痛效应，另外，激光能促进神经组织代谢，提高氧张力，改善微循环。
4.半导体激光照射穿透皮肤深度可达7cm。有微热，采用穴位照射，对穴位深层的感受器起刺激作用，而起到良好的镇痛、麻醉作用。故对三叉神经患者能起到镇痛治疗效果。
5．优点：（1）半导体激光适用于大面积照射，用于治疗各种大面积疼痛，外科术后伤口愈合，溃疡面、褥疮、带状疱疹等。
（2）本疗法对年老、体弱，不适合手术或射频、热凝的治疗患者，采用激光照射方法简便易行，无痛苦、无并发症、无副作用，易为患者接受。对曾服药物、酒精封闭或手术治疗后复发患者均可采用本法。
小 结
1．半导体激光治疗三叉神经痛14例，近期疗效，疼痛停止发作99%。
半导体制造技术综述 篇4
人来研究半导体器件已经超过135年[1]。尤其是进近几十年来, 半导体技术迅猛发展, 各种半导体产品如雨后春笋般地出现, 如柔性显示器、可穿戴电子设置、LED、太阳能电池、3D晶体管、VR技术以及存储器等领域蓬勃发展。本文针对半导制造技术的演变和主要内容的研究进行梳理简介和统计分析, 了解半导体制造技术的专业技术知识, 掌握该领域技术演进路线, 同时提升对技术的理解和把握能力。
1 半导体技术
半导体制造技术是半导体产业发展的基础, 制造技术水平的高低直接影响半导体产品的性能及其发展。光刻, 刻蚀, 沉积, 扩散, 离子注入, 热处理和热氧化等都是常用的半导体制造技术[2]。而光刻技术和薄膜制备技术是半导体制造技术中最常用的工艺, 下面主要对以上两种技术进行简介和分析。
2 光刻技术
主流的半导体制造过程中, 光刻是最复杂、昂贵和关键的制造工艺。大概占成本的1/3以上。主要分为光学光刻和非光学光刻两大类。据目前所知, 广义上的光刻 (通过某种特定方式实现图案化的转移) 最早出现在1796年, Aloys Senefelder发现石头通过化学处理后可以将图像转移到纸上。1961年, 光刻技术已经被用于在硅片上制造晶体管, 当时的精度是5微米。现在, X射线光刻、电子束光刻等已经开始被用于的半导体制造技术, 最小精度可以达到10微米。
光学投影式光刻是半导体制造中最常用的光刻技术, 主要包括涂胶/前烘、曝光、显影、后烘等。非光学光刻技术主要包括极深紫外光刻 (EUV) 、电子束光刻 (E-beam Lithography) 、X射线光刻 (X-ray lithography) 。判断光刻的主要性能标准有分辨率 (即可以曝光出来的最小特征尺寸) 、对准 (套刻精度的度量) 、产量。
随着半导体行业的发展, 器件的小型化 (特征尺寸减小) 和集成电路的密集度提高, 传统的光学光刻制造技术开始步入发展瓶颈状态, 其面临的关键技术问题在于如何提高分辨率。
虽然, 改进传统光学光刻制造技术的方法多种, 但传统的光学投影式技术已经处于发展缓慢的阶段。与传统的投影式光刻技术发展缓慢相比, 下一代光刻技术比如EUV、E-beam、X-ray、纳米压印等的发展很快。各大光刻厂商纷纷致力于研制下一代光刻技术, 如三星的极紫外光刻、尼康的浸润式光刻等。目前先进的光刻技术主要集中在国外, 国内的下一代光刻技术和光刻设备发展相对较为滞后。
3 薄膜制备技术
半导体制造工艺中, 在硅片上制作的器件结构层绝大多数都是采用薄膜沉积的方法完成。薄膜的一般定义为在衬底上生长的薄固体物质, 其一维尺寸 (厚度) 远小于另外二维的尺寸。常用的薄膜包括:Si O2, Si3N4, poli-Si, Metal等。常用的薄膜沉积方法分为化学气相沉积 (Chemical Vapor Deposition) 和物理气相沉积 (Physical Vapor Deposition) 两种。化学气相沉积利用化学反应生成所需的薄膜材料, 常用于各种介质材料和半导体材料的沉积, 如Si O2, poly-Si, Si3N4等[3]。物理气相沉积利用物理机制制备所需的薄膜材料, 常用于金属薄膜的制备, 如Al, Cu, W, Ti等。沉积薄膜的主要分为三个阶段:晶核形成—聚集成束—形成连续膜。为了满足半导体工艺和器件要求, 通常情况下关注薄膜的一下几个特性: (1) 台阶覆盖能力; (2) 低的膜应力; (3) 高的深宽比间隙填充能力; (4) 大面积薄膜厚度均匀性; (5) 大面积薄膜介电电学折射率特性; (6) 高纯度和高密度; (7) 与衬底或下层膜有好的粘附能力。台阶覆盖能力以及高的深宽比间隙填充能力, 是薄膜制备技术的关键技术问题。我们都希望薄膜在不平整衬底表面的厚度具有一致性。厚度不一致容易导致膜应力、电短路等问题。而高的深宽比间隙填充能力则有利于半导体器件的进一步微型化及其性能的提高。同时, 低的膜应力对所沉积的薄膜而言也是非常重要的。
4 结语
虽然, 与不断更新换代的半导产品相比, 半导体制造技术发展较为缓慢, 大部分制造技术发展已经趋于成熟。但是, 随着不断发展的半导体行业, 必然会对半导体制造技术的提出更高的要求, 以满足半导体产品的快速发展。因此, 掌握和了解半导体制造技术的相关专利知识有利于推进该领域的发展。
参考文献
[1]Most of the classic device papers are collected in S.M Sze, Ed., Semiconductor Devices:Pioneering Papers, World Sci., Singapore, 1991.
[2]刘恩科.半导体物理学[M].第7版, 电子工业出版社, 2008.
半导体激光疼痛治疗仪检测制程 篇5
1、检测激光功率
检测设备：光功率表、电源供应器
检测方法：把PCB接电流供应器正负极，调整电源电压4.2V、注意正负极，切不可接反，按下开关，激光点亮。把激光器发光口贴到激光功率表授光面内读其最大值，在1.15—1.35MW之间为OK,否则调整PCB上的VR使其达到指定功率。
2、电压检测
检测设备：电源供应器、数字示波器
检测方法：把电源供应器调到4.2V与PCB电池的正负极接通，按下开关，示波器调到电压档，用T探针接到弹簧的两极测其电压，旋转拨动开关大小，其电压在140V—160V之间为OK.3、充电IC检测
检测设备：电源供应器
半导体激光技术 篇6
关键词:二次光学设计LED成组驱动
中图分类号:TM594文献标识码:Ａ文章编号:1674-098X(2011)05(c)-0064-01
1 现阶段轨道交通照明系统的问题
新世纪以来中国城市化进程不断加快,城市人口和交通压力不断增大,促使越来越多的城市兴建地铁。随着地铁轻轨的不断发展,制约其内部的半导体照明系统的瓶颈凸显:传统的灯泡和荧光灯效率不高,能耗大,已经越来越不能适应轨道交通发展的需要和节能降耗的要求;并且由于轨道车厢的高速行驶,厢体有强烈的震动,照明灯具需要经常工作在震动和高温等复杂恶劣的环境下,这也使得缺乏技术含量的荧光灯等普通照明不能有效的抵挡竞争,失去了技术优势。
2 LED应用于轨道交通的难点
LED灯具因受到发光源方向性的限制,以及其发光源太小且数量众多,最大光强值在15°以内,以致光线大部分只是向灯具下端界面照射,难以达到理想的蝙蝠翼形配光的要求,不能完全覆盖相邻二灯之间的暗区,给人造成一种眩光的感觉。这种情况在轻轨车厢和船舶封闭、狭窄的环境中更甚,因此需对LED灯具进行二次光学设计,建立LED精确的光学模型,以获得灯具的最佳有效光效。轻轨车厢经常处于高速运营的状态下,这对于LED照明灯具的长寿命化和抗震性提出很高要求。
3 LED应用于轨道交通的关键技术
3.1 建立精确的光学模型,进行二次光学设计,获得灯具的最佳有效光效
在使用LED照明灯具时,整个系统的出光效果、光强、色温的分布状况也必须进行设计,把器件发出的光线集中到期望的照明区域内,从而让整个LED照明系统能够满足设计的需要,这称为二次光学设计。
基于LED的二次配光设计,对最终的照明器件和产品的性能起着至关重要的作用。第一,部分光线未能达到有效的照明范围从而导致能量的损失,需要使用大数值孔径的光学系统对光线进行汇聚,进一步提高光能利用率;第二,封装之后,像面照度分布均匀性达不到设计要求,难以在每一点的照度值都大于要求的最低照度值,这都需要对LED进行二次配光设计。传统的成像光学强调的是能否在像面上成像以及成像质量如何,成像系统的评价面是与物面共扼的像面,可以用点列图、波像差、传递函数等像质指标进行评价,如果物面是自身发光的或者被均匀照明,只要成像系统的像质足够好,像面上各点的照度就反映了物面上各共扼点的照度,从而得到物的共扼像。但照明系统与成像系统不同之处在于评价面通常不是光源的像面,适用于成像系统的点列图、波像差、传递函数等评价方法不再适用,而非成像光学更强调光能的传输效率以及光能的分配,即收集更多的光能并在指定照明区域达到一定的均匀性要求,因此对于LED的二次配光设计应该使用非成像光学设计。
而Zemax软件拥有多种优化设计方法,不仅可以对系统预定义的评价函数进行优化设计,而且为用户提供了开放的二次开发环境,用户可以用系统提供的宏语言编写自定义的评价函数,这使用户不仅可以利用该软件对成像系统进行优化设计,而且可以在建立照明均匀性物理模型的基础上,找出照明均匀性与光线路径的关系,使编写自定义评价函数对非成像系统进行优化设计成为可能,提高设计效率。这种方法可以对给定LED产品,进行光学系统的准确设计,实现圆形光斑和椭圆光斑的均匀照明,达到在轻轨车厢和船舶舱内良好的照明效果
3.2 LED成组驱动及控制技术
LED成组驱动数字化技术是未来LED照明系统发展的方向,因为其有着灵活的控制性能,更加稳定的系统输出,并且可以防止系统老化等诸多优势。数字化驱动技术以其特有的优点,可以为LED灯具提供高可靠、高性能的驱动。
轻轨车厢的LED照明系统采用LED成组驱动系统,它包括PC机接口、主控制器、若干驱动器、双芯总线及用于照明功能和参数设置的专用管理软件。系统通过PC机的专用管理软件,对LED照明灯具亮、闪、关等功能及参数进行设置。主控制器根据相应的参数设置对驱动器发布控制命令以实现LED照明的脱机控制。控制指令数据由电压信号的脉宽来表示,由总线串行传输。
系统结构及控制方法系统采用主从控制方式,包括一个主控制器、若干驱动器和PC接口。主从式控制器采用总线连接,主控制器接入220V交流电,通过变换向主模块供电,并通过总线向驱动器供电。总线采用全两线制方式,承担双重作用,一方面传递控制信号,一方面向驱动器供电。主模块通过向驱动器的地址发布命令来实现对其的控制。具有单一地址和成组地址两种形式,景观效果通过主模块向各驱动器发布地址命令和成组地址命令来实现。通过这种控制方式,利用PC機能够很容易实现LED照明系统的在线方案调整,达到柔性控制。
驱动器负责接收主控制器通过总线发来的控制信号,程序对接收到的信号执行相应的动作,通过负载驱动电路,使LED照明灯执行相应的动作。其中包括电源电路、MCU及外围电路、负载驱动电路。主控制器每条总线可以控制128/256个驱动器,一个主控制器最多可以接8条总线,这样做的目的是为了便于实现较复杂的控制方案。
3.3 散热技术
目前一般的LED灯具使用寿命仅为5万小时,这不仅成为了制约其广泛民用化的步伐,更成为了制约其应用于轻轨车厢的瓶颈。关乎LED寿命的主要问题是因为散热不佳,导致PN结温度过高,影响到芯片的寿命。功率型LED灯具散热效率提高的技术,如采用新型材料水晶玻璃替代传统的环氧树脂用作LED的封装材料,以提高LED的发光效率,降低PN结工作温度,增加寿命;其次,采用铝质挠曲基板等作为LED的基板材料,不仅可以减少封装应力,使灯具的抗震性能提高,也可以大大提高灯具的散热性能。
4 结语
本文提出了以非成像光学的设计方法进行LED二次光学设计,采用新型的封装材料和基板材料等关键技术来解决将LED应用于轨道交通照明系统所存在的问题。这些问题的解决将极大促进LED的普遍应用,提高照明效果,节约能耗,有利于节约型社会的构建。
参考文献
[1]毛兴武.新一代绿色光源LED及其应用技术[M].人民邮电出版社,2008,1.
半导体激光技术 篇7
1 K785-5W半导体激光器特性
在完成空间激光通信的任务中, 采用高功率激光光源是实现空间激光通信的关键。该文选用K785-5W型半导体激光器, 其最大功率为5W, 属于多模激光二极管, 性能优异, 品质可靠。性能指标如下:输出功率5W, 中心波长785nm, 阈值电流0.38A, 工作电流1.93A, 工作电压5.06V[2]。
2 温度控制电路的设计
LD的一些特性参数如输出波长、阈值电流、功率都与温度有关。温度增加的话, 对应的输出波长会增加, 在电流不变情况下, 温度越高, 它的正方向偏置电压越大。温度控制对于驱动电路的作用非常大, 温度越高, 恒流源设计难度越大。温度变化还会降低曲线的线性度, 减小器件的使用周期, 带来很多问题[3]。
由此可见, 对激光器进行温度控制在设计激光器驱动方案中是非常重要的部分。该论文设计的温度控制器中是利用半导体制冷器 (TEC) 具有的体积小, 效率高, 反应速度快等特点来实现的[4]。该文设计的自动温度控制系统如图1所示, 直到激光器温度在要求范围内, 这就实现了对激光器的温度控制。
自动温度控制的核心部分就是P I D (Proportional Integral Differential) 控制部分。PID控制算法是模拟系统中最基本和常用的一种算法, 它是按照偏差信号的比例、积分、微分三者的合理组合而得到比较满意的控制效果的算法。PID的数学模型可用式 (1) 表示。
IT代表积分时间常数, Kp表示比例系数, DT表示微分时间常数, 系统框图在图2中给出。被控量y (t) 和设定值r (t) 之差用e (t) 表示, 比例控制可以控制e (t) 减小偏差, u (t) 代表控制量。如果Kp过大, 系统不能稳定工作, 所以稳态误差只依靠比例控制难以完全消除。
3 软件设计
软件流程大致为, 首先对单片机进行初始化, 这是为了实现对系统的复位以及初始值的设定。然后启动LD对其温度进行检测, 并将输出的电压信号通过A/D进行模/数转换, 然后把检测到的实际温度值与单片机所设定的温度值进行比较, 之后使用数字PID处理输出信号, 再把输出的控制信号送到MAX1968中从而完成了对TEC的驱动, 进而实现了对激光器温度的控制。
4 结语
该文分别对K785-5W型半导体激光器驱动电路中的温度控制部分进行了硬件以及软件的整体设计。在温度控制中, 该文的主要设计思想是:使用热敏电阻获得激光器的实际温度, 然后通过单片机比较实际温度与设定温度之间的差, 并对其进行数字PID补偿, 最后将输出控制信号接到TEC上对其进行控制, 这样就达到了控制温度的效果。
参考文献
[1]张金胜.高功率半导体激光器结构研究[D].长春:中国科学院研究生院 (长春光学精密机械与物理研究所) , 2014.
[2]于望竹.半导体激光器驱动电源的研制[D].哈尔滨:哈尔滨工业大学, 2010.
[3]周以琳, 李金亮, 杨勇, 等.NTC热敏电阻R-T特性的高精度补偿[J].青岛科技大学学报, 2010, 31 (1) :80-82.
半导体制冷技术及应用 篇8
早在1834年,法国物理学家帕尔帖就发现了帕尔帖效应[1]:当直流电通过两种不同导电材料构成的回路时,节点上将产生吸热或放热的现象。帕尔帖效应发现之后并没有被人们很好地利用,直到20世纪50年代后,约飞等人发现了Bi2Te3、PbTe、SIGe等温差电性能较好的材料[2],20世纪70年代Ag0.58Cu0.29Ti0.94Te四元合金等优值系数较高的材料[3]被合成出来,使得热电效应的效率得到提高,半导体制冷的应用越来越广泛。
1 半导体制冷技术的研究
半导体制冷器具有体积小、没有振动和噪声、不污染环境、作用速度快、精度高、易于控制等优点[4,5],但也存在着制冷效率低等缺点,因此众多学者就致力于提高半导体制冷效率的研究。有人通过对半导体材料的研究,提高半导体制冷片本身的优值系数Z[6](Z=a2σ/λ,a为温差电动势率或seebeck系数,σ为材料的电导率,λ为材料的热导率),从而达到提高制冷效率的目的。同时还有很多人通过分析影响半导体制冷的性能参数,优化各制冷工况,提高热端散热效率等控制手段来提高制冷效率,使其工作在最佳制冷状态。
1.1 半导体制冷影响因素的分析
通过对半导体制冷性能的研究分析可知影响半导体制冷的各因素,优化对这些因素的控制方式,就可以提高半导体制冷的性能。学者们通过实验、数值分析、仿真等手段得出了影响半导体制冷性能的主要因素。
潘玉灼指出半导体内部的传热系数对效率的影响很大,当传热系数很小时,制冷效率很大[7]。李茂德等指出冷端负荷、半导体厚度、输入电压等因素对制冷效率的不同影响[8]:在有冷端负荷时进入稳态的时间比空载时要短;半导体厚度越大,稳定所需时间越长;电压增加越大,初始时温度变化越快。毛佳妮等采用数值分析与解析求解相结合的方法,综合讨论了稳态条件下冷端传冷与热端散热对制冷性能的影响[9]:当系统运行在较低工作电流区域时,增强冷端传冷强度对提高系统制冷性能的经济性较高;当系统稳定运行在最佳工况区域附近时,从增强热端散热强度出发,对进一步提高系统制冷性能的优势更突出。
1.2 制冷工况的研究
利用热电制冷器的冷端对环境介质进行冷却的工况称为热电制冷工况,常见的有最大效率工况、最大温差工况、最大制冷量工况和最大制冷系数工况,许多学者对制冷工况的设计和优化做了研究。
高远、蒋玉思对最大效率和最大温差工况进行了比较研究[10]:在相同的负载、温差、散热条件下,按最大效率工作状态设计时,效率高、耗电少,热节点放出的热量少,但需要的制冷元件多;按最大温差工作状态设计时,效率低、耗电多,热节点放出的热量也多,但需要的制冷元件少、省材料。李茂德、卢希红对半导体制冷的最大制冷量和最大制冷系数工况进行了分析[11]:在相同的设计条件下,最大制冷量工况,制冷系数较低、耗电较多、热端散热较多,但所用元件较少、体积较小、制造成本较低,能够适应许多特殊场合的要求,对便携式野外冷热箱等连续性工作的制冷器,通常采用这种设计方法,而最大制冷系数工况则相反。
但是不管采用哪种设计方法,都必须保证热端有较好的散热效果。若散热效果不好,势必会引起热端温度Th升高,进而影响温差△T,使△T逐渐增加,此时,制冷系数和制冷量都会下降。
1.3 散热的研究
半导体制冷过程中热端散热的效果将直接影响半导体的制冷性能,如果热端温度不能及时降下来,则势必会将热量传给冷端,进而使冷端的制冷效果降低。因此,热端散热很关键,减少冷、热端温差是提高半导体制冷性能的有效方法。半导体制冷的散热方式主要有空气自然对流散热、空气强制对流散热、水冷散热以及热管传热等。
1.3.1 各种散热方式的比较
空气自然对流散热是指散热器利用空气的自然对流把热量散到环境中去。空气强制对流散热,是指在自然对流散热的基础上,在散热片的端部安装轴流风机,其对流换热系数远高于自然对流换热。水冷散热是在半导体制冷器的热端连接一个冷却水箱,通过冷却水管中的水把热端的热量不断带走,其换热是空气自然对流散热的100倍[12]。热管散热器一般由热管和散热片两部分构成,它是一种高效率的散热装置,依靠相变过程换热,因此热管的传热效率很高。
张建成分析比较了翅片式和热管式散热器的传热性能,得出采用热管式散热器的优点[13]:只要有扩展空间,冷侧的换热面积就可以成倍地增加,传热量也大增;在相同的气流对流速度下,其有效面积是翅片式的近4倍;热管式散热器与制冷元件相接触的热端面温度比翅片式散热器的相应温度低得多。因此采用热管式散热器制作的半导体制冷组件具有降温速度快、制冷系数大、耗电量小的特点。
1.3.2 散热强度对制冷效率的影响
张小松、张奕等研究了冷端和热端传热对冷藏箱性能的影响。通过试验及计算,分析了冷藏箱性能与冷端风扇电压及热端冷却水温度的关系[14](见图1、图2)。冷端传热强化后,制冷温度及热端、冷端温度差降低,制冷性能上升。热端冷却水温度降低,制冷温度降低,半导体的热端、冷端温度差减小,运行性能提高。
代伟通过对半导体制冷电偶对进行传热分析,得到了制冷性能与热端散热强度之间的微分方程,得出了散热强度对制冷性能影响的曲线(见图3、图4)。由此得出[15]:随着散热强度的不断增强,热电制冷性能逐渐提高,然后就趋于缓慢。从经济性考虑,半导体制冷存在最佳热端散热强度,所以在实际应用中应合理优化设计和改进热端散热系统。
2 半导体制冷的应用
从出现半导体制冷技术至今,半导体制冷材料有了一次又一次的突破,半导体制冷效率也有了一次又一次的提高,虽然仍然存在着一些问题,但利用其优点,可以为我们的日常生活、科研军事等带来很大的方便,使得半导体制冷技术在当今世界具有越来越重要的地位。例如:在高科技和军事领域对红外探测器、激光器和光电倍增管等光电器件的制冷,利用半导体制冷器体积小的特点,使用方便;在医疗领域中,半导体温控系统的应用更为广泛,用于蛋白质功能研究、基因扩增的高档PCR仪、电泳仪及半导体制冷探针等,利用半导体制冷速度快、无污染等特点,还可以制成低温的恒温箱,用来保存血浆等;在现代测温技术中,热电恒温器、零点仪的开发使用,使半导体制冷在测温技术上的使用成为可能,并得到了广泛应用;在日常生活方面,半导体制冷在空调、冷热两用箱、饮水机、电脑以及其他电器等设备中都有广泛的应用,为我们的日常生活带来极大的方便。
3 结论与展望
半导体制冷技术原理与应用 篇9
与传统制冷技术相比, 半导体制冷技术具有以下优势: (1) 环保, 该技术不使用制冷剂, 不会产生对大气层破坏的物质; (2) 无噪声, 因该技术不需要专门的机械制冷部件, 在运行时自然也就不会发生震动, 产生噪音; (3) 半导体制冷器件能够制作成任何需要的样子, 且其冷、热端也可以通过改变电流的方向进行改变; (4) 虽然单个的半导体制冷片的功率小, 但可以通过并联或串联的方式扩大, 这有助于精密的控制制冷温度; (5) 半导体制冷片的冷热惯性小, 不需要太多时间就可以完成制冷[1]。由此可见, 半导体制冷技术具备很好的环保性和市场性, 已经成为目前主要的制冷技术。
1.半导体制冷技术的原理
半导体技术的原理是基于帕尔帖原理, 该原理是在1834 年由法国科学家J.A.C帕尔帖发现的。帕尔贴原理又称为帕尔贴效益, 是指利用当两种不同的导体A和B组成的电路且通有直流电时, 在接头处除焦耳热以外还会释放出某种其它的热量, 而另一个接头处则吸收热量。而这种效益的所引起的现象是可逆的, 即改变电流方向时, 放热和吸热的接头也随之改变, 吸收和放出的热量与电流强度I[A]成正比, 且与两种导体的性质及热端的温度有关, 如此便出公式: Qab=Iπab。其中πab是作为导体A和B之间的相对帕尔帖系数, 单位为[V], 。当πab为正值时, 表示该导体开始吸热;当πab为负数时, 则表示该导体开始放热。由于该原理具有可逆性, 因此当πab=-πab时, 其系数的大小取决于构成闭合回路的材料的性质和接点温度;当πab的数值可以由赛贝克系数αab和接头处的绝对温度T得出, 那么πab=αab T与塞贝克效应相和, 由此推出帕尔帖系也具有加和性, 公式可以演变为:Qac=Qab+Qbc= (πab+πbc) I, 因此绝对帕尔帖系数符合πab=πa- πb条件[2]。
因为金属材料的帕尔帖效应比较的弱, 而半导体材料的帕尔帖效应则强很多, 因此半导体成为该原理制冷的主要材料。但需要注意的是, 由于大多数的半导体材料的无量纲值在1 左右, 远远低于固体理论模型和较为实际数据计算的上限4, 因此关于半导体材料仍需要进一步的研究与探索。
2.半导体制冷技术的应用
半导体制冷技术在医学、工业和日常生活都得到了广泛的应用。更为具体的来说, 半导体制冷技术已经成为现代制冷机械的必要配置, 如冰箱、空调及其他的电子冷却器等。
半导体冰箱几乎是使用该技术最为常见的机器。根据不同客户的需求, 按照要求将不同数量的半导体制冷片并联或串联起来, 放置在合适的位置, 满足不同种类冰箱的不同要求。如上世纪五十年代前苏联研发了一款容量只有10L的小型冰箱, 该冰箱因体积较小, 方便携带。日本研发了一种只用于存放红酒的冰箱, 因此对其温度的就比较严格了。随着社会的不断发展, 人们对生活品质的不断追求, 人们对于冰箱也不再仅仅满足于制冷的要求, 对于冰箱温度要求更为精准, 对于其便携性也会更高。有研究发现, 半导体冰箱相较于传统冰箱的耗电量降低20%, 是非常具有环保意义[3]。
半导体空调最早并没有在日常生活中的空调中得到应用, 而是被大量的应用在飞机机舱、潜水艇等特殊的场所。因为这些场所要求制冷技术需要很好的稳定性, 且能够实现快速制冷, 半导体制冷技术均能满足。最近美国一些公司发现, 将半导体制冷技术应用在活性剂电池中, 能够保证该电力可以连续工作八个小时以上, 成为汽车制冷设备中的重要功能。
此外在农业领域、天文领域、医学领域也开始应用半导体制冷技术。在农业中, 温室大棚的温度对农作物的生长起着决定性的作用, 尤其是一些非常名贵的植物对于环境的要求非常敏感, 要求也非常感。而由于半导体制冷技术的原理具有可逆性, 因此其可制热。将红外探测技术与半导体制冷技术相结合, 就能够准确的控制温室大棚内的温度变化。在天文方面, 美国军方发现周围的温度每升高1℃, 电子设备的失效率就上升2%~3%, 因此必须对电子设备实现在短时间内的降温, 且要保持降温的稳定性, 能在小体积、小功率的环境中正常运行, 而半导体制冷技术则是不二的选择[4]。
3.关于目前半导体制冷技术的难点和问题
3.1 半导体制冷技术的难点
半导体制冷的过程是一个涉及参数较多、工况复杂多变的过程, 任何一个几何参数、结构参数、散热条件对其最终的制冷效果都有着很大的影响, 而这些影响在实验室研究中很难得到满足。其原因是因为实验室研究具有针对性和目的性, 无法对所有的影响因素进行有效的讨论与探究。
半导体制冷技术是基于帕尔贴效应所建立的, 具有可逆性。如此在制冷的过程中半导体的冷、热两端温度差过大就会影响其制冷的效果[5]。所以如何设计半导体的冷、热段的散热也是该技术中的一项难点。
3.2 半导体制冷技术的问题
半导体制冷技术是上世纪五十年代才开始被研究被应用, 虽然目前关于半导体制冷技术的研究已经有了很大的发展, 但还是存在以下问题: (1) 半导体材料的优质系数始终无法得到进一步的提升, 从而限制了该技术的进一步发展; (2) 目前关于冷、热端散热系统的优化设计仍停留在理论阶段, 世界上相关的研究也比较少, 致使半导体制冷技术效果无法得到进一步的提升; (3) 半导体制冷技术对于其他领域或相关领域中的相关技术使用太少, 关于该技术的研究没有在新的研究理念或新的方向得到很好的拓展; (4) 随着市场的要求不断提升和科学技术的发展, 半导体制冷技术需要考虑因素日渐增多。重视半导体制冷技术在不同因素环境下稳定发挥效果, 是今后该技术研究的重要方向[6]。
结论
半导体的材料与相关技术的发展和应用的时间并不长, 但已经获得了很好的进步。半导体制冷技术也被广泛的运用在各个领域中。尽管半导体制冷技术具有环保性、无噪声、稳定性好、可处于小功率的环境中工作、温度控制的精度高等, 但进一步提升其材质的优质系数, 解决半导体冷、热两端的散热问题已经成为限制该项技术发展的重要难点。随着半导体应用的领域不断扩展, 市场对其要求越来越高, 半导体制冷技术仍需要进一步的研究与完善。
参考文献
[1]贾艳婷, 徐昌贵, 闫献国, 田志峰.半导体制冷研究综述[J].制冷, 2012, 01:49-55.
[2]徐昌贵, 贾艳婷, 闫献国, 田志峰.半导体制冷技术及其应用[J].机械工程与自动化, 2012, 03:209-211.
[3]王丹.半导体制冷器件原理及其应用[J].河南科技, 2015, 07:36-39.
[4]Yamanashi M, A new approach to aptimum design in thermoelectric cooling system[J].Appl Phys, 2011, 80:549-502.
[5]陈军, 田芳, 蒙德慈, 贾旭, 高昂, 王明, 李娜, 李莉莎, 倪士峰.新型制冷技术研究进展[J].宁夏农林科技, 2011, 06:67-70.
半导体空间矢量调制技术研究 篇10
关键词：空间矢量,脉宽调制,控制技术
1 SVPWM的原理
1.1 空间矢量控制
矢量控制技术也叫磁场定向技术,原理是将异步电动机的定子电流矢量分解为励磁电流和转矩电流并分别控制,同时需要控制定子电流矢量。空间矢量控制其实是把磁链和转矩进行解耦,对于分别设计调节器比较有好处,从而满足交流电机的调速达到高性能。矢量控制低频转矩高,高频稳定性较好;速度控制良好,能够适应高精度同步控制。
在电子电能变换器之中,开关器件信号的通断是控制系统的作用最终反应,而其中重要的一个问题是如何根据得到的控制信号最终生成通断信号。SVPWM空间矢量调制是比较先进的一种计算密集型算法,它除了能提高直流利用率,还能降低元器件关断、导通所产生的损耗,应用前景十分广阔。
1.2 SVPWM概述
SPWM的方法只是从电源出发,生成可以调频调压的一个正弦波电源。空间矢量PWM是利用交流器的空间电压切换来对其进行控制的一种新策略,是把异步电机同逆变系统当做整体,用空间电压的矢量来获取圆形旋转磁场,这样的模型简单,有利于微处理器进行实时控制,相比SPWM对交流电动机的控制性能更佳。SVPWM看成是三角波和一定量三次谐波正弦基波共同组成。
普通的三相全桥由六个开关器件构成的三个半桥。这六个器件组合得到8种安全的开关状态,其中000、111不产生有效电流,其他6种就是六个有效矢量。它们把电压空间平均分六个扇区,每个60度。利用8个矢量合成360度以内的任何矢量。
要合成一个矢量先把它分解到最近的两个基本矢量,作用时间长短就代表每个矢量的作用大小。将电压矢量用不同的时间比合成所需电压矢量,保证电压波形约等于正弦波。
当电机为变频驱动时,矢量方向不断变化,需要不停计算作用时间。合成时通常采用定时计算比较方便。但是实际计算时两个时间的总合很少能正好是设定时间,这时就按实际插入零矢量以满足定时的要求。这种PWM基于电压空间矢量因此称为SVPWM。
SVPWM具有以下三个特点:
1)每小区间开关切换次数多,但每次涉及仅一个器件,损耗小。
2)计算简单,电压空间矢量直接生成三相PWM波。
3)逆变器输出线最大电压是直流侧电压,比普通SPWM的电压高出15%。
2 SVPWM算法
SVPWM算法是以空间矢量为基础的,它的基本算法是:如图2.1的三相逆变器通常分3个桥臂,每个桥臂又有S和两个开关器件,这样一共就有8种工作状态,对应于2个零矢量U0、U7,6个非零电压空间矢量U1-U6,U1-U6的模为。如表1所示,1表示上桥臂开关导通,0表示下桥臂导通。逆变器输出电压矢量一个周期跳变一次,由磁链和电压空间矢量的关系得到正六边形的磁链轨迹。通过控制电压空间矢量轨迹为圆形来实现交流时稳态和动态中都保持圆形磁链轨迹。
计算各个电压空间矢量作用时间。采样周期TS平均分成2个时间段Tc。在一个Tc中,定义t1的作用时间是Uk,t2的为UK+1(若K=6,UK+1=UK+1)。如图2,Uref在扇区1时:
Udc为直流侧电压,Ua为Uref位于α轴的分量,Ub Uref为位于β轴分量。
t0为零矢量作用时间,不足的时间让t0作用。
同样的Uref在其它扇区时,计算出对应的t1和t2。
想要在开关状态切换只进行一个动作来降低开关的损耗,可在一个采样周期Ts中平均插入U0和U7零矢量。各矢量的作用顺序按照表2,电压空间矢量在每个Ts中的PWM波如图2,以U0为开始和结束,前后Ts/2对称。从上分析可以看出对称波形既减小开关损耗又有效降低输出电压的谐波量。
3 SVPWM算法分析及仿真
3.1 仿真工具
MATLAB是目前世界上控制系统辅助设计最流行的语言和工具,是一种高科技的计算语言,它将许多功能都集成到一个交互式环境中。在MATLAB中,Simulink是一种特别的工具,拥有仿真和链接两大功能。Simulink是用于动态和嵌入式系统的多领域仿真和对模型的设计工具。Simulink同时支持连续、离散或者两种采样时间混合的建模,还支持多速率系统。Simulink提供了建立模型方块图的一个GUI,创建过程只要鼠标操作就能够轻松完成,是一种快捷、直接的创建方式,仿真结果还能马上就呈现给用户。
以Simulink为基础的其他产品扩展了其建模功能,还提供设计、执行、验证等相应工具。Simulink和MATLAB的集成,可以结合MATLAB的工具一同来研发算法、仿真和创建脚本、定义信号参数等。
3.2 SIMULINK实现SVPWM
图3为利用Simulink建立的SVPWM的仿真模型。Va、Vb、Vc都设为220,相角分别为120、-120、0,频率也都设为314;T设为10,Vde设为600。本文仿真了示波器,仿真结果如图4所示,从波形图显示仿真的效果良好,符合SVPWM控制算法的要求,完全可以用作数字信号处理器。
4 结论
本文对空间矢量调制和SVPWM的原理等做了介绍;接着比较详细地描述了SVPWM的基本思想,计算了各个电压空间矢量作用时间和执行次序。最后选择了MATLAB/Simulink工具来建立SVPWM算法的仿真模型。
参考文献
[1]徐德鸿.电力电子系统建模及控制[M].北京:机械工业出版社,2007.
[2]Bimal K.Bose.现代电力电子学与交流传动.英文版[M].北京:机械工业出版社,2006.
[3]KATSLJNORI T.Traperiodal modulation signal for three-phace PWM inverter.
半导体激光技术 篇11
[关键词] 半导体激光；正交分析；难治性青光眼
[Abstract] Objective To evaluate the preferred plan of transscleral diode laser cyclophotocoagulation for refractory glaucoma. Methods 63 patients were randomly divided into seven groups. Each group had nine patients.63eyes from 63 patients with refractory glaucoma underwent transscleral diode laser cyclophotocoagulation with different factors, included laser power, time, spots and range. Each factor had 3 levels. The optimum mix radio of laser factors is advanced by orthogonal analysis. Results The patients were followed 13 to 22 months. The optimum mix radio were the treatments with 1.8W for 1.0 second, 30 spots, ranging 270°. Laser power, time and spots were the main factors to IOP. IOP was significantly decreased by transscleral diode laser cyclophotocoagulation(P<0.05). The range was secondary factor(p>0.05). Conclusions Preferred plan of transscleral diode laser cyclophotocoagulation for refractory glaucoma is a safe and effective therapy.
[Key Words]: Diode laser Orthogonal analysis Refractory glaucoma
难治性青光眼是眼科常见的棘手的致盲眼病之一，患者不仅视功能很差或丧失，而且疼痛难忍，严重影响工作和学习，挽救这类病人的视功能，解除痛苦，具有重要的社会意义。半导体激光经巩膜睫状体光凝应用于难治性青光眼的治疗，以降低眼压，解除眼球疼痛，近年来成为治疗难治性青光眼的主要手段之一，而不同激光功率、曝光时间、激光点数及激光范围对降低眼压的影响作用大小，许多医师都在不断进行临床实践探讨，我院2004年3月至2010年6月对63例难治性青光眼采用正交分析方法，探讨半导体激光经巩膜睫状体光凝治疗难治性青光眼的优化方案，现报告如下：
1 对象与方法
1.1对象 纳入标准：①新生血管青光眼、原发闭角型青光眼已无光感者、外伤性青光眼、无晶体或人工晶体眼青光眼、葡萄膜炎性青光眼、发育性青光眼、滤过手术失败的青光眼等因有高危并发症因素而不适于其它手术者；②用可耐受最大剂量的降眼压药物无法控制，眼压≥30mmHg者；③最佳矫正视力＜0.3者。排除标准：①最佳矫正视力≥0.3；②有其他严重疾病（如恶性肿瘤、一年内的心肌梗死、心力衰竭、严重肝病、中风、精神病、慢性酒精中毒、肾功能损害等）。2004年3月至2010年6月共入选63例（63眼），其中男37例，女26例；年龄22～83岁，平均（52.9±16.3）岁；右眼35例，左眼28例。其中新生血管性青光眼29例，原发闭角型青光眼已无光感者16例，人工晶体眼青光眼3例，外伤继发性青光眼5例，葡萄膜炎性青光眼6例，滤过手术失败的青光眼4例。视力：无光感27例，光感19例，手动11例，指数6例。采用Goldman压平眼压计测量术前平均眼压（51.2463±9.9mmHg）（33.2～65.7mmHg），所有患眼均有明显眼痛，使用降眼压药物最大耐受剂量后仍不能有效控制眼压。
1.2统计学方法选择
1.2.1采用PEMS3.1统计软件，选择正交分析方法，按L9（34）正交表设计，将63例难治性青光眼分为7个组，每组9个病人，选择激光功率、曝光时间、激光点数及激光范围四个因素，每个因素考虑3个水平（见表1），经过统计学处理，正交设计计算出各效应值，再根据方差分析结果，比较不同激光功率、曝光时间、激光点数及范围对眼压的影响，找出诸因素各水平的最佳配比。
表1 因素及水平
1.2.2手术前后平均眼压进行配对t检验。
1.3手术方法 病人取仰卧位，用2%利多卡因2ml和0.75%布比卡因2ml混合后行球周浸润麻醉，采用法国IRIDIS半导体激光机，波长810nm，将激光G探头置于角膜缘后1.0～1.5mm巩膜处，探头方向对准睫状体冠部，激光功率1.5～2.0w，曝光时间1.0～2.0s，激光点数12～30点、激光范围180°～360°，点间距2mm，避开3点和9点钟位置，以免伤及睫状长血管。
1.4术后处理 术毕结膜囊涂碘必殊眼膏，单眼包扎24h，术眼滴典必殊眼液每日7次，共2～4周，0.5%噻吗心胺眼液每日2次，共1～2周，口服醋氮酰胺0.25g，每日2次，3～5日。
1.5疗效判断标准 以术后眼压下降≥30%或眼压≤21mmHg，为手术成功标准。
2 结果
随访13～16个月。
2.1正交试验手术后眼压结果（表2）。
方差分析表
正交试验分析由表2可见，Var1，2手术后眼压均数最小，说明一因素中2水平为最佳水平；Var2，1手术后眼压均数最小，说明二因素中1水平为最佳水平；Var3，3手术后眼压均数最小，说明三因素中3水平为最佳水平；Var4，2手术后眼压均数最小，说明四因素中2水平为最佳水平，即1.8W、1.0S、30点、270°为最佳激光参数组合；根据方差分析结果显示，激光功率、曝光时间、激光点数是影响手术后眼压的主要因素（P<0.05），而激光范围是次要因素（P>0.05）。
正交试验手术前后眼压差结果表3
方差分析表
正交试验分析由表3可见，Var1，2手术前后眼压差均数最大，说明一因素中2水平为最佳水平；Var2，1手术前后眼压差均数最大，说明二因素中1水平为最佳水平；Var3，3手术前后眼压差均数最大，说明三因素中3水平为最佳水平；Var4，2手术前后眼压差均数最大，说明四因素中2水平为最佳水平，即1.8W、1.0S、30点、270°为最佳激光参数组合；根据方差分析结果显示，激光功率、曝光时间、激光点数是影响手术前后眼压差的主要因素（P<0.05），而激光范围是次要因素（P>0.05）。
2.2眼压 最后随诊平均眼压为（19.6935±6.1mmHg）（12.1～32.7mmHg），与手术前平均眼压（51.2463±9.9mmHg）（33.2～65.7mmHg）相比，治疗前后平均眼压差异有统计学意义（t=21.5371，p＜0.05）。
2.3手术成功率 50例眼压下降＞30%，其中24例＜21mmHg，手术成功率79.37%。
2.4症状 58例（92.06%）疼痛明显减轻，其中29例疼痛消失。
2.5视力 视力提高6眼，视力无变化48眼，视力下降9眼。
2.6并发症：术中前房出血3例，术后前房出血4例，房水闪光（+++）11例，（++）15例，（+）21例。前房出血及葡萄膜炎在用药后3周内消失。
3 讨论
难治性青光眼包括新生血管性青光眼、无晶体或人工晶体眼青光眼、葡萄膜炎性青光眼、发育性青光眼、滤过手术失败的青光眼等。既往多采用滤过性手术，由于易出血，滤过泡瘢痕形成而难以建立有效的滤过通道，成功率仅为11～33%；睫状体破坏手术已经成为治疗难治性青光眼的手段之一，尤其对视功能较差的重症青光眼，它更是一种相对安全的治疗方法，20世纪60年代多采用睫状体冷冻术治疗，产生的并发症如眼球萎缩较多，70～80年代用YAG激光睫状体光凝术，由于激光系统庞大的体积和昂贵的价格限制了它的推广应用。1992年Gassterland和Pollack[1]首先将半导体激光经巩膜睫状体光凝应用于难治性青光眼的治疗，以降低眼压，解除眼球疼痛，由于半导体激光体积小，价格便宜，功能可靠，近年来成为治疗难治性青光眼的主要手段之一。但由于采用的技术参数多以国外为参考，而白种人与黄种人睫状体色素含量存在明显差异，所需激光的能量也明显不同，因此对激光参数：激光功率、曝光时间、激光点数及激光范围的组合对眼压的影响掌握不足，怎样找出最佳激光参数组合，既能降低眼压、减轻疼痛，又不至于造成眼球萎缩等并发症，使医生能在术前设计出最理想的激光参数优化组合方案，更好地指导临床，是大家都在探讨的问题。
正交设计是按照正交表进行的实验设计，它是进行多因素多水平实验的效率最高的设计方法，能明确各因素的主次地位，找出诸因素各水平的最佳配比，已广泛应用于各领域研究[2]。本研究按照正交表进行实验设计，将63例难治性青光眼分为7个组，每组9个病人，选择激光功率、曝光时间、激光点数及激光范围四个因素，每个因素考虑3个水平，经统计学处理，正交设计计算出各效应值，再根据方差分析结果：激光功率1.8W、曝光时间1.0S、激光点数30点、激光范围270°为最佳激光参数组合；激光功率、曝光时间、激光点数是影响手术后眼压及手术前后眼压差的主要因素（P<0.05），而激光范围是次要因素（P>0.05），为今后临床工作提供了具体指导。
本组63例手术前平均眼压（51.2463±9.9mmHg）（33.2～65.7mmHg），最后随诊平均眼压为（19.6935±6.1mmHg）（12.1～32.7mmHg），治疗前后平均眼压差异有统计学意义（t=21.5371，p＜0.05）。术后50例眼压下降＞30%，手术成功率79.37%；58例（92.06%）疼痛明显减轻，与国内葛坚[3]、唐忻[4]报道相当。术中前房出血3例，术后前房出血4例，皆为新生血管性青光眼病例，考虑为患者房角、虹膜、眼内组织新生血管脆性大，容易发生血管破裂出血。本组无1眼发生眼球萎缩。
参考文献：
[1] Gassterland D E，Pollack l P．Initial experience with a new method of laser transscleral cyclophotocoanulation for ciliary ablation in severe glaucoma[J]．Trans Am Ophthalmol Soc，1992．90：225.
[2]陈冠民，胡剑北，常兴哲.临床科研方法学[M].郑州：河南医科大学出版社，2000：37～41.
[3]葛坚，王难，金陈进，等.半导体二级管激光经巩膜睫状体光凝治疗难治.
性青光眼的近期疗效[J].中国实用眼科杂志1999，17（11）：661～663.
大功率半导体激光器 篇12
(2009-038-圣彼得堡-001)
该项目用于制造大功率二极管激光器, 波长800-1800nm, 工作方式为脉冲或恒时。借助于新的异质结结构激光器设计, 使得单个光源的光功率超过10瓦特, 有效功率达70%以上。主要特性在于在不对称激光器设计中使用了超宽的 (2-4微米) 波层, 对量子活跃区域做出了单独限制。这在俄罗斯属于首创。
该激光器已经具有专利, 目前可以小批量生产。
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