一種LD泵浦固體激光器電源的設計

半導體二極管LD泵浦固體激光器（以下簡(jiǎn)稱(chēng)LD激光器）以其發(fā)熱少、光泵耦合方便、結構設計簡(jiǎn)單，
安裝靈活方便、工作穩定、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應用在激光血管內照射血液（ILLLI）治療儀中作為激光泵浦源。但是，這種LD激光器在電路裝配或工作過(guò)程中易受電壓、電流或靜電荷浪涌的沖擊而造成損壞。同時(shí)，由于這種LD激光器不能承受電流突變的浪涌沖擊。因此，對使用功能不完善的簡(jiǎn)單電源LD激光器來(lái)說(shuō)，在每次開(kāi)機時(shí)，必須在接電源后，再慢慢地將激光器的工作電流調到需要的適當值。而每次關(guān)機時(shí)，又必須先將激光器的工作電流慢慢地調到零，然后再關(guān)閉電源。這對激光器的工作很不安全，也給ILLLI激光血療儀的使用帶來(lái)極大的不便。

為此，要設計一個(gè)好的LD激光器電源，就必須保證LD激光器能在各種類(lèi)型的浪涌沖擊情況下安全工，包括LD激光電源的任意開(kāi)啟和關(guān)閉。因此，新型半導體激光器的電源除了具有一定的電源穩定輸出，還應針對LD激光器的安全工作的特殊要求，在電源電路中設計一系列的保護措施。

1 LD激光器電源的慢啟動(dòng)電路

為使LD激光電源任意開(kāi)啟和關(guān)閉而不損壞，可以在LD激光使電源電路中安排一個(gè)慢啟動(dòng)電路，以使電源開(kāi)啟和關(guān)閉時(shí)LD激光器的正向電流iF可以隨時(shí)間緩慢變化，從而保證LD激光器不因電源開(kāi)啟和關(guān)閉而損壞。其慢啟動(dòng)電路的原理圖如圖1所示。

圖中，Vi為輸入直流穩定電壓，K閉合表示電源開(kāi)啟的Vi接入瞬間。RC為充電電路，隨著(zhù)電容C上充電電壓的上升（負值），PNP型三極管T1由截止進(jìn)入導通狀態(tài)，直至飽和導通。由于電感L有減緩電流增長(cháng)速度的作用，而T2的導通電流可同時(shí)提供給LD激光器作供電電流iF，因此流過(guò)LD激光器的供電電流也必然是慢速增加的。

由圖中可以看出：LD供電電流iF的增長(cháng)速度取決于RC的數值。合理選取RC的值便可以確定iF的增加時(shí)間。

2 LD電源電流可調的實(shí)現

在ILLLI激光血療儀中，往往要對固體激光器的光功率在一定范圍內進(jìn)行調整輸出。調節光功率的方法有很多，有用擋光板或偏振片的機械光學(xué)原理方法調節的，也有利于LD發(fā)光功率與驅動(dòng)電流之間的對應關(guān)系來(lái)調節驅動(dòng)電流的方法來(lái)實(shí)現光功率調節的。本ILLLI血療儀就采用了后一種光功率調節方法，這種方法要求LD激光器的供電電源設計有輸出電流可調系統。LD激光器驅動(dòng)電流和輸出光功率的對應關(guān)系如表1所列。

由表中數據可知，當驅動(dòng)電流為890mA時(shí)，LD激光器輸出光功率為13.3mW，經(jīng)光纖光針耦合后的輸出光功率大于5mW，可滿(mǎn)足ILLLI血療儀的要求，而LD激光器的閾值驅動(dòng)電流為300mA，筆者將LD電流的電流可調范圍定為0.3～1A。

要實(shí)現LD電源輸出電流可調，可將圖1電路中T2的基極電阻R1用可調電阻RW+Rs替換，具體電路如圖2所示。圖中，Rs為一個(gè)固定的起始電阻，用以防止T2電流太大而地進(jìn)入飽和。當RW=0時(shí)，T2基極電阻為Rs，此時(shí)基極電流最大。因而R2的輸出電流Ic2也達到最大值ICmax=1A。而當RW調節到最大值Rm時(shí)，R2的基極電阻為Rs+Rm，此時(shí)的基極電流最小，因而T2的輸出電流IC2也為最小Icmin=0.3A。假設Vi為24V，T2管的β=100，并忽圖T1、T2管導通電壓VBE(on)和L上的壓降時(shí)，可選用Rs=2.4kΩ，RW為0～5.6kΩ的電位器（可調電阻）。

3 LD電流電流可調的控制系統

在實(shí)際的激光血療儀中，如果使用可調電阻來(lái)調節輸出電流iF,將有可能由于電位器的頻繁旋轉而使得滑片與電阻絲之間的某些接觸點(diǎn)脫離，從而使可變電阻在調節過(guò)程中不斷出現斷路點(diǎn)。這些斷路點(diǎn)將使輸出電流iF產(chǎn)生突變而形成脈沖電流從而損壞LD激光器。為了改善電流調節的安全可靠性，可以用單片微機控制系統來(lái)實(shí)現LD電源輸出電流的可調功能。另外，采用單片微機系統，還可以進(jìn)一步增加LD電源的使用功能，如顯示、定時(shí)和報時(shí)功能等。

LD電源的單片微機控制系統是采用美國Microchip技術(shù)公司的PIC系列微控制器PIC16C55。該單片機采用精簡(jiǎn)指令集、兩級流水線(xiàn)指令結構和哈佛（Harvard）雙總線(xiàn)結構，是一個(gè)高性?xún)r(jià)比的8位嵌入式微控制器。同時(shí)，該單片機還具有工作電壓低（最低工作電壓可為3V）、功耗低（3V，32kHz時(shí)鐘下的工作電流為15μA）、輸出驅動(dòng)LED能力大以及編程方便等特點(diǎn)。其單片微控制器系統電路如圖3所示。圖中D/A轉換器DAC0832和集成運放LF356可將微控制器PIC16C55的RB口輸出的數字信號轉化為模擬控制電壓，這樣就可以直接控制T2的基極來(lái)調節電流iF。

在微控制器系統開(kāi)機時(shí)，首先將雙擲開(kāi)關(guān)K1、K2打向高電平一邊。RC7口由K1接向高電平，系統軟件進(jìn)入預置狀態(tài)，從而使用戶(hù)可以設置電源輸出電流范圍。調整S1～S4四個(gè)按鍵可將LD電源的輸出電流調到所需值。此時(shí)，再按下S5確認鍵以確認電流范圍。而RC0口的紅色指示燈點(diǎn)亮則表示系統已進(jìn)入輸出等待狀態(tài)。再將雙擲開(kāi)關(guān)K1、K2打向低電平一邊，使綠燈熄滅；RC7由K向低電平，系統進(jìn)入輸出狀態(tài)；按下S6鍵，則微控制系統從慢啟動(dòng)程序開(kāi)始控制LD電源并向LD激光器供電。這時(shí)，S1～S4四個(gè)按鍵，可調節LD電源輸出電流iF，以實(shí)現LD激光器功率的調節。同時(shí)，S1～S4還兼作工作時(shí)間的調節以控制激光血療時(shí)間。另外，電路中還安排了語(yǔ)音提示電路。在電源進(jìn)入穩定工作以后，如果發(fā)生異常情況，則可按下S6鍵以使系統軟件控制LD電源停止供電，來(lái)保護LD激光器。微控制器系統軟件程序框圖如圖4所示。該微控制器LD電源與LD激光器已成功設計應用在ILLLI綠光血療儀中，目前正在試用，效果良好。