一、半导体激光器
半导体PN结的发光原理如图1所示。
半导体激光器采用一块P型和N型铝镓砷(ALGaAS)半导体组合而成，其形状为长方形，长约250um，宽约100um，两个端面磨成镜面，相互平行，构成了一个“光学式谐振腔”。在N型半导体与P型半导体之间设有激活层(GaAS)如图2所示，由这三层构成了“双异质结”，这个双异质结能把半导体中流动的两种载流子约束在激活层，还能把光约束在激活层中。
也就是说有电流流过时，因三层的禁带亮度不同，P层韵空穴和N层的电子分别注入中央的激活层，其电子受到P层和激活层之间形成的势垒的阻挡，无法向P层扩散，如图3所示。对于注入的空穴来说，由于N层和激活层之间形成的势垒的阻挡，也无法向N层扩散，这称之为“双异质结”的戴流子约束。被约束在激活层中的载流子复合而发光，因双异质结三层的折射率不同，可以把光关闭在激活层内。在“光学共振腔”的作用下，只有与反射镜面垂直方向传播的光来回多次地反射，受激辐射强度越来越强，便产生了连续的激光振荡，由激光器的端面发出单一波长、相位及偏振方向一致的激光，适合用作影碟机光盘的信息读取。
在半导体激光器上加上电压，就可以用较低的电流密度激发起高密度的电子和空穴。若由小到大便会出现以下几种情况：在较小时仅处于发光二极管状态而发光；若将电流增大，激光器开始激光振荡，这一电流Ith称为起振电流，如图4所示。但这个状态是不稳定的，是多频率的振荡，不适用于光碟读取。一般要求工作电流比Ith稍微大一点，在约1．3Ith条件下，激光器才能产生单纵模激光，这种激光才适用于进行高密度的重放。因此，用于激光唱机和激光影碟机中激光头内的激光二极管，其电流是可调整的，通常将这一电流调整为1．3～1．5Ith，但要注意电流绝不允许超过170mA，否则将损坏任何种类激光二极管内的激光器。
半导体激光器输出功率一般约5mw，但光输出的功率往往随环境温度而变化，具有负温度特性，如图4所示。其输出功率随温度变化的不稳定特性会直接影响激光唱机和影碟机伺服电路的增益特性，故必须对激光二极管发射电流电路进行功率自动控制(APC)，使激光器输出功率保持稳定。
二、激光二极管
激光二极管(Laser Diode)是激光唱机和激光影碟机光头组件的光源，其外形结构有两种，如图5所示。一种发射窗为斜面，俗称“斜头”；另一种发射窗为平面，俗称“平头”。斜头多用于激光唱机，平头一般用于激光影碟机，其内部构造如图6所示。
主要由半导体激光器、光敏二极管、散热器、管帽管座、透镜及引脚等构成。半导体激光器位于管座中央的项端，激光发射面垂直于透镜与光敏二极管(PD)接收面，激光器的阳极引脚为AL，阴极通过散热器与管壳相连，引脚为K，如图7所示，光敏二极管位于管座面上，其接收面(即光靶)朝激光器，并与激光发射面垂直，光敏管的阳极用引脚AP引出管座。
在管壳顶端安装有透镜，用以很好地补偿半导体激光器的像散现象。半导体激光器振荡时所需的电流大，因此必须为微小体积的激光器加装散热器；同时因激光器具有负温度特性，随温度的变化，输出的激光功率也会发生变化，因此在激光二极管中装有光敏二极管进行温度补偿。利用半导体激光器的光束是从两边输出这一特点，其中一方的光输出由光敏二极管接收，用作监测激光器光输出的变化，并反馈到激光发射功率自动控制(APC)电路，去控制激光器的驱动电流，使激光输出功率保持恒定。知道了激光二极管内部构造和原理，即可用电压表测量光敏管AP对K的电压有无来判断激光二极管中的激光器的好坏，若损坏不能发射激光，则光敏管输出电压为0V，这是一种既简单又方便的方法。
现将中外部分激光二极管参数性能利于下表，供选择激光二极管或更换激光二极管后进行电气调整时参考。
三、影碟机激光头
光盘上录制的信息轨迹中的基本信息单元是椭圆形的坑槽，表示视频和音频信号的坑槽长为0．8～3．2um，宽为0．4um、深为0．11um，并按1．67um轨距呈螺旋状排列。影碟机采用激光读取光盘上这些超细微信息，必须要有一套高精度的光学系统来保证将激光束垂直地投射到光盘表面，激光束的直径至少要小于信息轨迹的间距1．67um否则会同时触及两条信息纹轨，产生窜扰而无法读出正确的信号，或分辩不了轨迹上最短的坑槽而使画质变劣。
影碟机的光学系统是指从激光源开始到光敏传感器为止的整个系统。它包括信号检测、聚焦和循迹检测等装置。各厂家虽有不同的结构形式，但基本原理是相同的，现以基本的光学系统进行介绍。
1．激光头光学系统的基本组成
用于影碟机的激光头的光学系统的基本组成部件除了半导体激光二极管、准直透镜、分光棱镜(半透镜)、1／4波长片、光敏传感器等外(如图8所示)，还必须有衍射光栅、柱面透镜、聚焦调节及循迹调整机构等。
激光头中的半导体激光二极管是激光光源，它发射出单一波长、相位一致的激光，其波长在0．78um左右，光输出最大功率5mv。衍射光栅能将一束光分裂成三束光。分光棱镜(半透镜)具有把偏光轴不同的激光束分离开，对于激光二极管发射出的光为透射，而对于从物镜反射回来的光为反射；1／4波长片是一个旋光器件，能把偏光轴旋转45度；准直透镜用来把从二极管发射的大约有11度／33度左右的散射光矫正成为平行光。物镜把平行光聚焦成光点落在光盘信息面上。物镜是光系统中最重要的零件、很大程度上影响着各种参数，其表面精度要求为0．1um，早期采用3片玻璃球面透镜构成，目前广泛采用新开发的塑料非球面的单片透镜。光敏传感器用来接收从物镜返回的调制反射光，并把它变成电信号，在获得RF信号的同时，还取出聚焦和循迹误差信号。
由激光二极管发射出的激光束，经过衍射光后变成三束光，再经过分光棱镜和1／4波长片及淮直透镜后变成平行光，投射到物镜，聚焦成光点落在光落在光盘表面上。其反射光返回经过物镜后，再次变成平行光，再经过1／4波长片投射到分光棱镜，此时光束已往返两次通过1／4波长片，已将偏光轴旋转了90度，分光棱镜根据偏光轴的角度进行反射，便将反射光束导向光敏传感器，由光敏传感器输出RF和聚焦及循迹信号。这样便避免了反射光返回激光器，稳定了激光器的振荡，可提高伺服的稳定性。
2．影碟机激光头常用光学系统
目前影碟机广泛采用三束法激光头，其光学系统因世界各国厂家采用的不同结构型式而品种繁多如图9所示，但原理基本相同，大致可分为衍射光栅型和全息照相型两大类。目前，还研制出光电集成混合型激光头与自耦型激光头，但还未进入实用化阶段。
(1)三束法衍射光栅型光学系统
三束法衍射光栅型的光学系统如图10所示10在发射光路中激光二极管与分光棱镜之间，增设一个衍射光栅，能将入射的单束激光束分裂为0次光和±1次光束。
这种光栅是在玻璃平面上刻有大量宽窄和间距都分别相等的规则平行刻痕(细线)。根据光学上的“多光束干涉”原理，当激光二极管发射出来的一束平行单束光通过它后，由于光的绕射和干涉作用结果，便将入射的激光束分裂成一些彼此相间隔的细光束，中间的一束最亮，仍依照原来的光轴方向前进，称为0次光束或主光束；并以它为中心，在其两侧分布有所谓的±1次、±2次……很多的光束如图11所示，但远离主光束的几次光束急剧变弱，激光影碟机利用这一特性，将衍射光栅分裂成的0次和±1次光束，通过物镜就可以聚焦成相距20um的三个很小的光点(如图12所示)，其光点直径约为1um。
三束法激光头利用主束光(0次光点)来读取光盘上录制的信息纹轨和聚焦误差，利用±1次光束来获取循迹伺服误差信号。
这种形式的光学系统为了防止返回物镜的反射光按原来的光路返回到激光器中，对激光源的激发状态产生不良影响，甚致引起激光输出的波动而造成伺服系统不能工作。因此，在光路中还安装有分光棱镜和1／4波长片。利用1／4波长片具有改变通过它的光束的偏振方向的特性，便将来去两次通过1／4波长片的反射光的偏光轴旋转了90度，反射光进到分光棱镜处时，将其全反射而成水平偏振的激光束，改变前进方向，再通过柱面透镜后投射到光电二极管传感器上，转换成各种信号而输出。
此种三束法衍射光栅型光学系统构成的激光头组件品种繁多，原理相同，差别在其安装支架不同、激光二极管与光敏传感器位置不同、外形不同及各公司生产的品种型号差异。如索尼公司生产的KHS130A型激光头，用在很多机型上如索尼MDP—K3、K5、K8、K15、U3、455SA、555等，还用在早期的夏普、富丽、菲力薄等机型中。先锋公司生产有多种激光头，用得最多的是排线上印有英文字母I俗称I头的激光头，广泛用于先锋980、990、1080、1190、1580、1590、K1000等影碟机，先锋公司还生产有T头，用于S260、360、1720等先锋影碟机上；还有M头，用在先锋S250、350、1710等影碟机上，数量很大。其中T头与M头外形结构完全一样，可以直接代换。I头与T头区别在于没有带支架。先锋公司还生产有翻碟机上用的C头，用在先锋2710、2720、2590等影碟机上。
松下公司生产有两种激光头，一种用于单面机，另一种用于翻碟机上，如LX-670、680、750机型上。
这种三束法激光头组件，一般用衍射光栅与柱面镜来调节光路，现以先锋生产的I头为例进行介绍。通常是将可调的衍射光栅安装在靠近激光二极管的光路前面，参见图13其调整范围很小，只有±4度。通过调整衍射光栅，可使被分裂出的±1次光束沿信息轨迹中心线绕主光束旋转位移，如图14所示。一般出厂时已调整好，不可乱调，否则将造成影碟机不能工作，只有在更换了激光二极管后，才需调整衍射光栅，使±1次光点中心线沿主光束中心0．5um之内，才能保证影碟机正常工作。
一般是将可调的柱面透镜安装在靠近光敏传感器的前面(参见图13)。通过调整柱面透镜左右或上下，可使射入透镜的三个光点投射在光敏传感器适当位置上，左右和上下位移光点状态如图15所示。调整它可使反射的主束光点均等地投射在四分光敏传感器上，让反射的±1次光束光点落在两个循迹光敏传感检测器上，以保证影碟机能正常地检拾出信息轨迹的内容，并获得聚焦和循迹伺服信号。通常在更换了激光二极管后只作微调，更换了光敏传感器后必须认真进行此项调整。
(2)三束法全息照相型光学系统
三束法全息照像型光学系统如图16所示。
它是在光路中用全息照像元件将激光二极管发射的激光和到达光敏传感检测器的反射光分开，以避免反射光按原来的光路返回到激光器中，保证伺服系统的稳定性。
激光二极管发射的激光束经过衍射光栅后被分裂成三束光，然后通过全息照像镜片和平行光透镜，并由物镜将激光束聚焦于光盘面上。光盘反射回来的光再通过物镜、平行光透镜，再由全息照像镜片折射，将反射光引入光敏传感器(PD)。全息照像镜片是由两个不同周期的衍射光栅组成，对反射回来的主束光再进一步分裂成两束光；对反射回来的两束辅助光束进一步分裂成四束光，投射在5分检测器上(即光敏传感器)。利用分裂后的两主束反射光产生RF信号和聚焦信号，用分裂后的四束辅助反射光产生循迹信号。这种型式比衍射光栅型所用零件少，激光器和光敏传感检测器以及全息照像镜片与衍射光栅等都装在同一壳体内组成一个组件，如图17所示，一般全息照像镜片与衍射光栅是不可调整的，损坏或老化后只能更换激光组件。
这种三束法全息照像型光学系统构成的激光头组件有夏普公司的RCTRH8317AF，它用于夏普系列影碟机如MV—K7000、K7500、K7600、K8000、K8500等机型；有索尼公司的KHS-150A，用于索尼影碟机如MDP-A1／600等机型中。
四、激光二极管的更换及调整基本方法
1．激光二极管不良引起的故障现象
激光影碟机依靠激光器发射的激光，通过物镜聚焦于光盘上来读取盘上信息，因此，激光头组件是影碟机中的关键部件，价格昂贵。因激光器内的激活层很薄，只有0．1～0．2um，在数百微米见方范围内用较低电流密度激发起很高密度的电子和空穴，容易使构成“光学谐振腔”的端面劣化，激光振荡逐渐减弱，光输出功率变小，这就是通常所说的激光二极管老化了。“光学谐振腔”的自然严重劣化会造成激光器停振，无激光输出。因此，在影碟机中都设置有激光二极管通／断控制电路，只在聚焦访问期间及托盘内放有光盘时才通电而发射激光，其余任何状态严禁发射激光，这样可有效地利用其有限的寿命。
另一种情况是人为损坏激光器，例如在维修过程中盲目地调整激光头中激光二极管电流设置电位器(此种电位器为360度旋转，无止动位)，企图以增大电流增强光输出功率的简单粗暴的方法来修复机器，一旦电流增大到170mA时，激发起巨大的电子和空穴会在瞬间毁坏“光学谐振腔”体而停振，导致无光输出，这一点是要注意的。
激光二极管不良的初期，表现为光输出功率减小、激光强度减弱，造成影碟机读盘目录时间变长，甚至识读不出来；新碟能重放，旧碟不能重放；选曲跳轨、曲目不能从内侧选到外侧或从外侧选到内侧，或者不能选曲，只能从第一曲依次重放到最后一曲等故障现象。对于此种早期衰老的激光头，可以通过调整激光头功率设定微调电阻，适当增大电流，保持光输出率不变。这种补救措施只能使激光头继续工作一段时间。严重老化的激光二极管只有微弱激光发出，微调功率设定电位器也调不亮；若激光二极管中的激光器损坏则完全没有激光发出，这两种情况都会使影碟机出现光盘不转动(即主轴不旋转)的故障现象。
2．激光二极管的判别方法
影碟机出现不能识读目录或光盘不转动故障时，应该检测激光头，判别激光二极管是否损坏时有以下几种方法：
(1)可用量程630～780nm波段的激光功率计的探头直接对准激光头物镜进行检测，若激光功率计读数小于0．1mv，而RF信号输出电压幅度又很低，则可判为激光二极管内的激光器老化或已损坏。
(2)可用数字电压表或万用表监测激光二极管驱动电路中负载电阻上的压降，估算出激光二极管中的电流，一般此电流超过100mA时，且调节功率设定电位器电流不变化时，可判定激光二极管损坏。或者出现电流剧增且不可控时，可能是：谐振腔”损坏。
(3)不装光盘，在拆下机壳上盖情况，操作托盘关闭，在物镜进行聚焦访问期间，抓紧时间从侧面观察物镜是否出现暗红色的光点，这也是一种简单粗略的判别方法。
(4)拆下激光二极管进行电阻测量，要求反向电阻无穷大，正向电阻的正常值一般在20～36K范围内，若大于50K，性能下降；当大于70K以上时，已不能使用了。这一简单方法既可用来判别激光二极管好坏，也可用在挑选激光二极管时作参考。
(5)测电流观察激光强度，按图18进行联接。
缓慢调整电位器，使流过激光二极管的电流逐渐增大，在35～60mA范围内，电压在2V左右，从发射窗观察；不发光者为已损坏，只微亮者为老化，很亮者为良好。
3．激光二极管的更换与调整方法
(1)激光二极管的更换
焊取任何型号激光头中的激光二极管三个引脚时，动作要快，焊取时间要短，时间过长易损坏电缆的塑料带基。安装新激光二极管时，应注意将管子外壳座上的凹形缺口对准光头基座外圆上凸出标志如图19所示。安装平整后，再将弹片夹卡紧。
(2)激光头的拆卸
各种激光头光学系统的结构总是由两大部分组成，即物镜部分与光路部分，通过螺钉将物镜部分紧固在光路部分的基座上，而成为一体。撑握结构规律后，便可进行拆卸，现以先锋生产的I头为例作简要介绍，拆卸图见图20。首先拧下固紧物镜的三个螺钉，取下物镜。注意这里有一排线连在插座上，很容易断，小心慢慢地取。
开始不熟悉，可把平行线从四个焊点拆焊下来。取下的物镜不要随意放置，避免碰触支撑两个线圈的引线弹性动臂，否则会造成物镜的(歪斜)中心偏离，轻者虽可重放、选曲、但画片出现杂纹、伴音失真；严重时会造成不能选曲等新的故障。另外，同时取下倾斜传感器。
取下物镜后便把激光头分开成了两部分，下半部分是光路，由激光二极管、衍射光栅、分光棱镜、1／4波长片、反射镜、柱面透镜、光敏接收组件等分布在基座上如图21所示。其中衍射光栅、柱面透镜是可拆卸的，靠卡环卡住，均有凸耳可调。其余各镜紧固在底座上不能动。
(3)初步调整
光敏接收组件贴固在靠近激光二极管一侧的基座上，该组件采用透明料材作基片，当用手电筒的光照在上面，通过光路孔往下看，可从反射镜中看到光敏接收管排列的结构。其图形为一圆圈内包含三个方形的黑斑如图22所示。这就是光敏接收组件。如果外接光源用60～70W白炽灯或聚光灯提高亮度，在光路孔用放大镜进行观察，能清楚分辨出中间方格由四个光敏二极管组成，见图22中局部放大图。
影碟机激光头拾取信息的原理是依靠光学系统将激光器发射的激光束聚于光盘信息轨迹上，反射的调制光再通过光学系统投射到光敏接收组件的光靶上，变成各种电信号去准确地读取光盘信息。因此对光敏接收阻件光靶的着光位置要求十分精确，任一镜面部位都会影响着光位置，发生偏移不仅无法获得正确信息，光盘也不转动，所以出厂时激光头都已经过精密的光学调整和严格的电气调整。更换激光二极管实际上是更换了光源，自然会导致光源中心出现偏差(工程允许一定误差)，必然引起激光束在光靶上的着光位置偏差。只有通过调整，消除或减小这种偏差，才能修复激光头，其调整步骤如下：
1)按图22所示，把60W台灯或聚光灯放置在光敏接收组件一侧，直射接收组件基片；
2)在激光发射二极管两引脚间加上一可调整的直流电压(即0～2．8V)；
3)在光路孔用高倍放大镜观察反射镜中激光着光点的位置。眼睛要尽量位于观察孔中心，尽量减小观察误差。
4)将激光二极管的电压升至1．6V时，可观察到一个红色弱光点，然后逐渐升到2V，可看到呈一条直线排列的3个亮点和若干个衍射光点(如图23)。
5)更换激光二极管后，着光点位置往往会发生偏移，常见下列九种状态如图24，须精确地将偏移的光点调整到标准位置。
6)当观察到着光点有倾斜如图24e～h时，可用专用起子调整靠近激光二极管前面的衍射光栅凸耳，见图25所示。可使衍射光栅绕激光中心轴线旋转，从而可使分裂后的3个光点中的±1次光点绕O次光点转动，调成一字水平着光状态。注意调整时只能调一点，要有耐心，不然光束会偏离很远而找不见。
7)当观察到着光点没有落在光敏组件的光靶上，如图24a～d时，可调整靠近接收组件前面的柱面透镜的两凸耳，如图26所示。可以上、下、左、右调动，使着光点按调整柱面透镜的反方向移动，即光点作水平方向左右移动或垂直方向上下移动。
8)仔细反复调整衍射光栅凸耳与柱面透镜凸耳，直至使3个光点移动到标准的着光位置为止。
这一调整过程的耐心和反复程度有点类似录像机磁头更换了视频磁头的调整，需要耐心地边调边观察，最后达到最佳状态，同时也掌握了调整技巧。
(4)装机后的调整
1)初步调整好的激光头装机后，按更换激光二极管起振电流Ith的1．3倍调整功率设置电位器进行电流调整。
2)中心调整
该项是调整机芯组件的位置，使激光束的路径不论是在光盘的最内圈还是最外圈都在主轴电机的中心轴线上作径向移动。若调整不当时，将发生跳迹、搜索时间变长等现象。根据各个机型的维修手册将机器置入测试方式，放入测试碟或重放CD盘，将(TRK ERR)循迹误差信号接入示波器Y输入端，将循迹总信号(TRK SUM)接入示波器X输入端，然后调整机芯中的中心调整螺钉(各机型的位置略有不同)，使示波器上的李沙肓图形由环形变成一水平线如图27所示。
3)切向调整
该项调整目的是使激光束垂直地对准光盘。若调整不当，将发生串扰。按维修手册让机器进入测试方式，放入测试碟，用示波器观察RF信号，调整切向调整螺钉，使RF信号幅度最大且清晰，如图28所示。调整结束后重放图像应无串扰。
(5)拆装激光二极管出现的问题及解决办法
拆装激光头时务必拨掉电源线，而且要插好软性排线，并用金属夹将排线引脚短接如图29所示，以防静电损坏激光二极管内的激光器。
在拆装激光头物镜时需仔细，若不慎将四根固定绕在物镜上的聚焦线圈、循迹线圈的弹性引线弄变形或拉长，会导致物镜歪斜；轻者造成重放画面出现杂纹水波纹干扰、伴音失真或选曲不良；重者会无法读碟。如果出现上述故障现象一般不需要换光头，只需调整即可。若物镜因四根支撑弹性引线变形拉长而歪斜，可采用插片方法进行修复，其方法如下：
1)把一个六角螺帽塞入物镜与基板之间，限定物镜上限高度。
2)在磁靴与物镜之间插入一胶卷片，在其另一边插入一铜片校正，平按物镜，前后边空隙移到相等位置即可。
3)若弹性引线修前即歪斜，可用烙铁重新焊下后再焊上，使其自动复原。这种情况下，应最后才拔出两边的插片，便可对歪斜的物镜进行纠正。
物镜如果被擦花了，可以用镊子把物镜撬出来，重新更换一个新的即可；需按压时，最好在物镜下边垫一个垫块(螺帽也可)，不留间隙，再将物镜平压，这样不致把弹性引线弄变形。
4．激光头组件代换的注意事项
从激光头组件表面可以观察到一只光功率输出设定微调电位器，这种电位器非常小，成片状，可360度可旋转，没有限位，调整它可改变激光二极管的电流，控制光输出功率的大小。但激光二极管的电流有一定的限度。因此必须小心谨慎调节此电位器，若不小心将阻值调得过小，电流超过170mA，很容易烧坏二极管中的激光器，一般不轻易调整它。对于I头来讲，该电位器的在路电阻约2k，如调至小于1k，便会损坏激光器。因此在代换光头组件时，因各机型激光二极管的驱动电路不同，产生的驱动电流各有差异，故预先注意该电位器的在路电阻显得特别重要。如F头的外形与I头完全一样，F头用在先锋CLD-1070、1570型机中。若将F头直接装入I头机器上，会立即烧坏激光器，因F头的微调电位器出厂时是调在500Ω左右的。
F头与I头必须通过调整微调电位器才可以互换。将I头电位器调到500Ω左右可代换F头的机器如CLD-1070、1570机型；将F头电位器预调到1．5k才可以装在I头机器上。
激光头组件代换时，除外形结构要求完全一致外．还要求挠性排线各引脚功能完全相同。
五、影碟机激光头资料汇编
本文共收集各公司影碟机激光头电路9个(图30～图38)，并附有影碟机激光头应用一览表，可供维修人员在修机和更换激光头时参考。
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