前言：在影碟機各組成部分中，激光頭技術難度最大。因此，激光頭是影碟機的心臟，其性能是決定整機性能的主要因素。本文將對激光頭原理、激光二極管更換后的調(diào)整進行介紹，并匯編部分影碟機激光頭電路資料供維修時參考。

一、半導體激光器
半導體PN結的發(fā)光原理如圖1所示。

半導體激光器采用一塊P型和N型鋁鎵砷(ALGaAS)半導體組合而成，其形狀為長方形，長約250um，寬約100um，兩個端面磨成鏡面，相互平行，構成了一個“光學式諧振腔”。在N型半導體與P型半導體之間設有激活層(GaAS)如圖2所示，由這三層構成了“雙異質結”，這個雙異質結能把半導體中流動的兩種載流子約束在激活層，還能把光約束在激活層中。

也就是說有電流流過時，因三層的禁帶亮度不同，P層韻空穴和N層的電子分別注入中央的激活層，其電子受到P層和激活層之間形成的勢壘的阻擋，無法向P層擴散，如圖3所示。對于注入的空穴來說，由于N層和激活層之間形成的勢壘的阻擋，也無法向N層擴散，這稱之為“雙異質結”的戴流子約束。被約束在激活層中的載流子復合而發(fā)光，因雙異質結三層的折射率不同，可以把光關閉在激活層內(nèi)。在“光學共振腔”的作用下，只有與反射鏡面垂直方向傳播的光來回多次地反射，受激輻射強度越來越強，便產(chǎn)生了連續(xù)的激光振蕩，由激光器的端面發(fā)出單一波長、相位及偏振方向一致的激光，適合用作影碟機光盤的信息讀取。

在半導體激光器上加上電壓，就可以用較低的電流密度激發(fā)起高密度的電子和空穴。若由小到大便會出現(xiàn)以下幾種情況：在較小時僅處于發(fā)光二極管狀態(tài)而發(fā)光；若將電流增大，激光器開始激光振蕩，這一電流Ith稱為起振電流，如圖4所示。但這個狀態(tài)是不穩(wěn)定的，是多頻率的振蕩，不適用于光碟讀取。一般要求工作電流比Ith稍微大一點，在約1．3Ith條件下，激光器才能產(chǎn)生單縱模激光，這種激光才適用于進行高密度的重放。因此，用于激光唱機和激光影碟機中激光頭內(nèi)的激光二極管，其電流是可調(diào)整的，通常將這一電流調(diào)整為1．3～1．5Ith，但要注意電流絕不允許超過170mA，否則將損壞任何種類激光二極管內(nèi)的激光器。

二、激光二極管

三、影碟機激光頭
光盤上錄制的信息軌跡中的基本信息單元是橢圓形的坑槽，表示視頻和音頻信號的坑槽長為0．8～3．2um，寬為0．4um、深為0．11um，并按1．67um軌距呈螺旋狀排列。影碟機采用激光讀取光盤上這些超細微信息，必須要有一套高精度的光學系統(tǒng)來保證將激光束垂直地投射到光盤表面，激光束的直徑至少要小于信息軌跡的間距1．67um否則會同時觸及兩條信息紋軌，產(chǎn)生竄擾而無法讀出正確的信號，或分辯不了軌跡上最短的坑槽而使畫質變劣。
影碟機的光學系統(tǒng)是指從激光源開始到光敏傳感器為止的整個系統(tǒng)。它包括信號檢測、聚焦和循跡檢測等裝置。各廠家雖有不同的結構形式，但基本原理是相同的，現(xiàn)以基本的光學系統(tǒng)進行介紹。
1．激光頭光學系統(tǒng)的基本組成
用于影碟機的激光頭的光學系統(tǒng)的基本組成部件除了半導體激光二極管、準直透鏡、分光棱鏡(半透鏡)、1／4波長片、光敏傳感器等外(如圖8所示)，還必須有衍射光柵、柱面透鏡、聚焦調(diào)節(jié)及循跡調(diào)整機構等。

激光頭中的半導體激光二極管是激光光源，它發(fā)射出單一波長、相位一致的激光，其波長在0．78um左右，光輸出最大功率5mv。衍射光柵能將一束光分裂成三束光。分光棱鏡(半透鏡)具有把偏光軸不同的激光束分離開，對于激光二極管發(fā)射出的光為透射，而對于從物鏡反射回來的光為反射；1／4波長片是一個旋光器件，能把偏光軸旋轉45度；準直透鏡用來把從二極管發(fā)射的大約有11度／33度左右的散射光矯正成為平行光。物鏡把平行光聚焦成光點落在光盤信息面上。物鏡是光系統(tǒng)中最重要的零件、很大程度上影響著各種參數(shù)，其表面精度要求為0．1um，早期采用3片玻璃球面透鏡構成，目前廣泛采用新開發(fā)的塑料非球面的單片透鏡。光敏傳感器用來接收從物鏡返回的調(diào)制反射光，并把它變成電信號，在獲得RF信號的同時，還取出聚焦和循跡誤差信號。
由激光二極管發(fā)射出的激光束，經(jīng)過衍射光后變成三束光，再經(jīng)過分光棱鏡和1／4波長片及淮直透鏡后變成平行光，投射到物鏡，聚焦成光點落在光落在光盤表面上。其反射光返回經(jīng)過物鏡后，再次變成平行光，再經(jīng)過1／4波長片投射到分光棱鏡，此時光束已往返兩次通過1／4波長片，已將偏光軸旋轉了90度，分光棱鏡根據(jù)偏光軸的角度進行反射，便將反射光束導向光敏傳感器，由光敏傳感器輸出RF和聚焦及循跡信號。這樣便避免了反射光返回激光器，穩(wěn)定了激光器的振蕩，可提高伺服的穩(wěn)定性。
2．影碟機激光頭常用光學系統(tǒng)
目前影碟機廣泛采用三束法激光頭，其光學系統(tǒng)因世界各國廠家采用的不同結構型式而品種繁多如圖9所示，但原理基本相同，大致可分為衍射光柵型和全息照相型兩大類。目前，還研制出光電集成混合型激光頭與自耦型激光頭，但還未進入實用化階段。

(1)三束法衍射光柵型光學系統(tǒng)
三束法衍射光柵型的光學系統(tǒng)如圖10所示10在發(fā)射光路中激光二極管與分光棱鏡之間，增設一個衍射光柵，能將入射的單束激光束分裂為0次光和±1次光束。

這種光柵是在玻璃平面上刻有大量寬窄和間距都分別相等的規(guī)則平行刻痕(細線)。根據(jù)光學上的“多光束干涉”原理，當激光二極管發(fā)射出來的一束平行單束光通過它后，由于光的繞射和干涉作用結果，便將入射的激光束分裂成一些彼此相間隔的細光束，中間的一束最亮，仍依照原來的光軸方向前進，稱為0次光束或主光束；并以它為中心，在其兩側分布有所謂的±1次、±2次……很多的光束如圖11所示，但遠離主光束的幾次光束急劇變?nèi)?，激光影碟機利用這一特性，將衍射光柵分裂成的0次和±1次光束，通過物鏡就可以聚焦成相距20um的三個很小的光點(如圖12所示)，其光點直徑約為1um。

三束法激光頭利用主束光(0次光點)來讀取光盤上錄制的信息紋軌和聚焦誤差，利用±1次光束來獲取循跡伺服誤差信號。

這種形式的光學系統(tǒng)為了防止返回物鏡的反射光按原來的光路返回到激光器中，對激光源的激發(fā)狀態(tài)產(chǎn)生不良影響，甚致引起激光輸出的波動而造成伺服系統(tǒng)不能工作。因此，在光路中還安裝有分光棱鏡和1／4波長片。利用1／4波長片具有改變通過它的光束的偏振方向的特性，便將來去兩次通過1／4波長片的反射光的偏光軸旋轉了90度，反射光進到分光棱鏡處時，將其全反射而成水平偏振的激光束，改變前進方向，再通過柱面透鏡后投射到光電二極管傳感器上，轉換成各種信號而輸出。
此種三束法衍射光柵型光學系統(tǒng)構成的激光頭組件品種繁多，原理相同，差別在其安裝支架不同、激光二極管與光敏傳感器位置不同、外形不同及各公司生產(chǎn)的品種型號差異。如索尼公司生產(chǎn)的KHS130A型激光頭，用在很多機型上如索尼MDP—K3、K5、K8、K15、U3、455SA、555等，還用在早期的夏普、富麗、菲力薄等機型中。先鋒公司生產(chǎn)有多種激光頭，用得最多的是排線上印有英文字母I俗稱I頭的激光頭，廣泛用于先鋒980、990、1080、1190、1580、1590、K1000等影碟機，先鋒公司還生產(chǎn)有T頭，用于S260、360、1720等先鋒影碟機上；還有M頭，用在先鋒S250、350、1710等影碟機上，數(shù)量很大。其中T頭與M頭外形結構完全一樣，可以直接代換。I頭與T頭區(qū)別在于沒有帶支架。先鋒公司還生產(chǎn)有翻碟機上用的C頭，用在先鋒2710、2720、2590等影碟機上。
松下公司生產(chǎn)有兩種激光頭，一種用于單面機，另一種用于翻碟機上，如LX-670、680、750機型上。

這種三束法激光頭組件，一般用衍射光柵與柱面鏡來調(diào)節(jié)光路，現(xiàn)以先鋒生產(chǎn)的I頭為例進行介紹。通常是將可調(diào)的衍射光柵安裝在靠近激光二極管的光路前面，參見圖13其調(diào)整范圍很小，只有±4度。通過調(diào)整衍射光柵，可使被分裂出的±1次光束沿信息軌跡中心線繞主光束旋轉位移，如圖14所示。一般出廠時已調(diào)整好，不可亂調(diào)，否則將造成影碟機不能工作，只有在更換了激光二極管后，才需調(diào)整衍射光柵，使±1次光點中心線沿主光束中心0．5um之內(nèi)，才能保證影碟機正常工作。

一般是將可調(diào)的柱面透鏡安裝在靠近光敏傳感器的前面(參見圖13)。通過調(diào)整柱面透鏡左右或上下，可使射入透鏡的三個光點投射在光敏傳感器適當位置上，左右和上下位移光點狀態(tài)如圖15所示。調(diào)整它可使反射的主束光點均等地投射在四分光敏傳感器上，讓反射的±1次光束光點落在兩個循跡光敏傳感檢測器上，以保證影碟機能正常地檢拾出信息軌跡的內(nèi)容，并獲得聚焦和循跡伺服信號。通常在更換了激光二極管后只作微調(diào)，更換了光敏傳感器后必須認真進行此項調(diào)整。

(2)三束法全息照相型光學系統(tǒng)
三束法全息照像型光學系統(tǒng)如圖16所示。

四、激光二極管的更換及調(diào)整基本方法
1．激光二極管不良引起的故障現(xiàn)象
激光影碟機依靠激光器發(fā)射的激光，通過物鏡聚焦于光盤上來讀取盤上信息，因此，激光頭組件是影碟機中的關鍵部件，價格昂貴。因激光器內(nèi)的激活層很薄，只有0．1～0．2um，在數(shù)百微米見方范圍內(nèi)用較低電流密度激發(fā)起很高密度的電子和空穴，容易使構成“光學諧振腔”的端面劣化，激光振蕩逐漸減弱，光輸出功率變小，這就是通常所說的激光二極管老化了。“光學諧振腔”的自然嚴重劣化會造成激光器停振，無激光輸出。因此，在影碟機中都設置有激光二極管通／斷控制電路，只在聚焦訪問期間及托盤內(nèi)放有光盤時才通電而發(fā)射激光，其余任何狀態(tài)嚴禁發(fā)射激光，這樣可有效地利用其有限的壽命。
另一種情況是人為損壞激光器，例如在維修過程中盲目地調(diào)整激光頭中激光二極管電流設置電位器(此種電位器為360度旋轉，無止動位)，企圖以增大電流增強光輸出功率的簡單粗暴的方法來修復機器，一旦電流增大到170mA時，激發(fā)起巨大的電子和空穴會在瞬間毀壞“光學諧振腔”體而停振，導致無光輸出，這一點是要注意的。
激光二極管不良的初期，表現(xiàn)為光輸出功率減小、激光強度減弱，造成影碟機讀盤目錄時間變長，甚至識讀不出來；新碟能重放，舊碟不能重放；選曲跳軌、曲目不能從內(nèi)側選到外側或從外側選到內(nèi)側，或者不能選曲，只能從靠前曲依次重放到最后一曲等故障現(xiàn)象。對于此種早期衰老的激光頭，可以通過調(diào)整激光頭功率設定微調(diào)電阻，適當增大電流，保持光輸出率不變。這種補救措施只能使激光頭繼續(xù)工作一段時間。嚴重老化的激光二極管只有微弱激光發(fā)出，微調(diào)功率設定電位器也調(diào)不亮；若激光二極管中的激光器損壞則完全沒有激光發(fā)出，這兩種情況都會使影碟機出現(xiàn)光盤***動(即主軸不旋轉)的故障現(xiàn)象。
2．激光二極管的判別方法
影碟機出現(xiàn)不能識讀目錄或光盤***動故障時，應該檢測激光頭，判別激光二極管是否損壞時有以下幾種方法：
(1)可用量程630～780nm波段的激光功率計的探頭直接對準激光頭物鏡進行檢測，若激光功率計讀數(shù)小于0．1mv，而RF信號輸出電壓幅度又很低，則可判為激光二極管內(nèi)的激光器老化或已損壞。
(2)可用數(shù)字電壓表或萬用表監(jiān)測激光二極管驅動電路中負載電阻上的壓降，估算出激光二極管中的電流，一般此電流超過100mA時，且調(diào)節(jié)功率設定電位器電流不變化時，可判定激光二極管損壞?；蛘叱霈F(xiàn)電流劇增且不可控時，可能是：諧振腔”損壞。
(3)不裝光盤，在拆下機殼上蓋情況，操作托盤關閉，在物鏡進行聚焦訪問期間，抓緊時間從側面觀察物鏡是否出現(xiàn)暗紅色的光點，這也是一種簡單粗略的判別方法。
(4)拆下激光二極管進行電阻測量，要求反向電阻無窮大，正向電阻的正常值一般在20～36K范圍內(nèi)，若大于50K，性能下降；當大于70K以上時，已不能使用了。這一簡單方法既可用來判別激光二極管好壞，也可用在挑選激光二極管時作參考。

(5)測電流觀察激光強度，按圖18進行聯(lián)接。
緩慢調(diào)整電位器，使流過激光二極管的電流逐漸增大，在35～60mA范圍內(nèi)，電壓在2V左右，從發(fā)射窗觀察；不發(fā)光者為已損壞，只微亮者為老化，很亮者為良好。
3．激光二極管的更換與調(diào)整方法
(1)激光二極管的更換
焊取任何型號激光頭中的激光二極管三個引腳時，動作要快，焊取時間要短，時間過長易損壞電纜的塑料帶基。安裝新激光二極管時，應注意將管子外殼座上的凹形缺口對準光頭基座外圓上凸出標志如圖19所示。安裝平整后，再將彈片夾卡緊。

(2)激光頭的拆卸
各種激光頭光學系統(tǒng)的結構總是由兩大部分組成，即物鏡部分與光路部分，通過螺釘將物鏡部分緊固在光路部分的基座上，而成為一體。撐握結構規(guī)律后，便可進行拆卸，現(xiàn)以先鋒生產(chǎn)的I頭為例作簡要介紹，拆卸圖見圖20。首先擰下固緊物鏡的三個螺釘，取下物鏡。注意這里有一排線連在插座上，很容易斷，小心慢慢地取。

開始不熟悉，可把平行線從四個焊點拆焊下來。取下的物鏡不要隨意放置，避免碰觸支撐兩個線圈的引線彈性動臂，否則會造成物鏡的(歪斜)中心偏離，輕者雖可重放、選曲、但畫片出現(xiàn)雜紋、伴音失真；嚴重時會造成不能選曲等新的故障。另外，同時取下傾斜傳感器。
取下物鏡后便把激光頭分開成了兩部分，下半部分是光路，由激光二極管、衍射光柵、分光棱鏡、1／4波長片、反射鏡、柱面透鏡、光敏接收組件等分布在基座上如圖21所示。其中衍射光柵、柱面透鏡是可拆卸的，靠卡環(huán)卡住，均有凸耳可調(diào)。其余各鏡緊固在底座上不能動。

(3)初步調(diào)整
光敏接收組件貼固在靠近激光二極管一側的基座上，該組件采用透明料材作基片，當用手電筒的光照在上面，通過光路孔往下看，可從反射鏡中看到光敏接收管排列的結構。其圖形為一圓圈內(nèi)包含三個方形的黑斑如圖22所示。這就是光敏接收組件。如果外接光源用60～70W白熾燈或聚光燈提高亮度，在光路孔用放大鏡進行觀察，能清楚分辨出中間方格由四個光敏二極管組成，見圖22中局部放大圖。

影碟機激光頭拾取信息的原理是依靠光學系統(tǒng)將激光器發(fā)射的激光束聚于光盤信息軌跡上，反射的調(diào)制光再通過光學系統(tǒng)投射到光敏接收組件的光靶上，變成各種電信號去準確地讀取光盤信息。因此對光敏接收阻件光靶的著光位置要求十分精確，任一鏡面部位都會影響著光位置，發(fā)生偏移不僅無法獲得正確信息，光盤也***動，所以出廠時激光頭都已經(jīng)過精密的光學調(diào)整和嚴格的電氣調(diào)整。更換激光二極管實際上是更換了光源，自然會導致光源中心出現(xiàn)偏差(工程允許一定誤差)，必然引起激光束在光靶上的著光位置偏差。只有通過調(diào)整，消除或減小這種偏差，才能修復激光頭，其調(diào)整步驟如下：
1)按圖22所示，把60W臺燈或聚光燈放置在光敏接收組件一側，直射接收組件基片；
2)在激光發(fā)射二極管兩引腳間加上一可調(diào)整的直流電壓(即0～2．8V)；
3)在光路孔用高倍放大鏡觀察反射鏡中激光著光點的位置。眼睛要盡量位于觀察孔中心，盡量減小觀察誤差。
4)將激光二極管的電壓升至1．6V時，可觀察到一個紅色弱光點，然后逐漸升到2V，可看到呈一條直線排列的3個亮點和若干個衍射光點(如圖23)。

5)更換激光二極管后，著光點位置往往會發(fā)生偏移，常見下列九種狀態(tài)如圖24，須精確地將偏移的光點調(diào)整到標準位置。

6)當觀察到著光點有傾斜如圖24e～h時，可用專用起子調(diào)整靠近激光二極管前面的衍射光柵凸耳，見圖25所示。可使衍射光柵繞激光中心軸線旋轉，從而可使分裂后的3個光點中的±1次光點繞O次光點轉動，調(diào)成一字水平著光狀態(tài)。注意調(diào)整時只能調(diào)一點，要有耐心，不然光束會偏離很遠而找不見。

7)當觀察到著光點沒有落在光敏組件的光靶上，如圖24a～d時，可調(diào)整靠近接收組件前面的柱面透鏡的兩凸耳，如圖26所示?？梢陨?、下、左、右調(diào)動，使著光點按調(diào)整柱面透鏡的反方向移動，即光點作水平方向左右移動或垂直方向上下移動。

8)仔細反復調(diào)整衍射光柵凸耳與柱面透鏡凸耳，直至使3個光點移動到標準的著光位置為止。
這一調(diào)整過程的耐心和反復程度有點類似錄像機磁頭更換了視頻磁頭的調(diào)整，需要耐心地邊調(diào)邊觀察，最后達到出色的/卓越的/優(yōu)異的/杰出的狀態(tài)，同時也掌握了調(diào)整技巧。
(4)裝機后的調(diào)整
1)初步調(diào)整好的激光頭裝機后，按更換激光二極管起振電流Ith的1．3倍調(diào)整功率設置電位器進行電流調(diào)整。
2)中心調(diào)整
該項是調(diào)整機芯組件的位置，使激光束的路徑不論是在光盤的最內(nèi)圈還是最外圈都在主軸電機的中心軸線上作徑向移動。若調(diào)整不當時，將發(fā)生跳跡、搜索時間變長等現(xiàn)象。根據(jù)各個機型的維修手冊將機器置入測試方式，放入測試碟或重放CD盤，將(TRK ERR)循跡誤差信號接入示波器Y輸入端，將循跡總信號(TRK SUM)接入示波器X輸入端，然后調(diào)整機芯中的中心調(diào)整螺釘(各機型的位置略有不同)，使示波器上的李沙肓圖形由環(huán)形變成一水平線如圖27所示。

3)切向調(diào)整
該項調(diào)整目的是使激光束垂直地對準光盤。若調(diào)整不當，將發(fā)生串擾。按維修手冊讓機器進入測試方式，放入測試碟，用示波器觀察RF信號，調(diào)整切向調(diào)整螺釘，使RF信號幅度最大且清晰，如圖28所示。調(diào)整結束后重放圖像應無串擾。

(5)拆裝激光二極管出現(xiàn)的問題及解決辦法
拆裝激光頭時務必撥掉電源線，而且要插好軟性排線，并用金屬夾將排線引腳短接如圖29所示，以防靜電損壞激光二極管內(nèi)的激光器。

在拆裝激光頭物鏡時需仔細，若不慎將四根固定繞在物鏡上的聚焦線圈、循跡線圈的彈性引線弄變形或拉長，會導致物鏡歪斜；輕者造成重放畫面出現(xiàn)雜紋水波紋干擾、伴音失真或選曲不良；重者會無法讀碟。如果出現(xiàn)上述故障現(xiàn)象一般不需要換光頭，只需調(diào)整即可。若物鏡因四根支撐彈性引線變形拉長而歪斜，可采用插片方法進行修復，其方法如下：
1)把一個六角螺帽塞入物鏡與基板之間，限定物鏡上限高度。
2)在磁靴與物鏡之間插入一膠卷片，在其另一邊插入一銅片校正，平按物鏡，前后邊空隙移到相等位置即可。
3)若彈性引線修前即歪斜，可用烙鐵重新焊下后再焊上，使其自動復原。這種情況下，應最后才拔出兩邊的插片，便可對歪斜的物鏡進行糾正。
物鏡如果被擦花了，可以用鑷子把物鏡撬出來，重新更換一個新的即可；需按壓時，最好在物鏡下邊墊一個墊塊(螺帽也可)，不留間隙，再將物鏡平壓，這樣不致把彈性引線弄變形。
4．激光頭組件代換的注意事項
從激光頭組件表面可以觀察到一只光功率輸出設定微調(diào)電位器，這種電位器非常小，成片狀，可360度可旋轉，沒有限位，調(diào)整它可改變激光二極管的電流，控制光輸出功率的大小。但激光二極管的電流有一定的限度。因此必須小心謹慎調(diào)節(jié)此電位器，若不小心將阻值調(diào)得過小，電流超過170mA，很容易燒壞二極管中的激光器，一般不輕易調(diào)整它。對于I頭來講，該電位器的在路電阻約2k，如調(diào)至小于1k，便會損壞激光器。因此在代換光頭組件時，因各機型激光二極管的驅動電路不同，產(chǎn)生的驅動電流各有差異，故預先注意該電位器的在路電阻顯得特別重要。如F頭的外形與I頭完全一樣，F(xiàn)頭用在先鋒CLD-1070、1570型機中。若將F頭直接裝入I頭機器上，會立即燒壞激光器，因F頭的微調(diào)電位器出廠時是調(diào)在500Ω左右的。
F頭與I頭必須通過調(diào)整微調(diào)電位器才可以互換。將I頭電位器調(diào)到500Ω左右可代換F頭的機器如CLD-1070、1570機型；將F頭電位器預調(diào)到1．5k才可以裝在I頭機器上。
激光頭組件代換時，除外形結構要求完全一致外．還要求撓性排線各引腳功能完全相同。

五、影碟機激光頭資料匯編
本文共收集各公司影碟機激光頭電路9個(圖30～圖38)，并附有影碟機激光頭應用一覽表，可供維修人員在修機和更換激光頭時參考。