一種用于光纖激光器泵浦的半導體激光器驅動(dòng)電源

摘要：報道一種為光纖激光器泵浦的半導體激光器驅動(dòng)電源。采用大功率MOS管IRL7833為調整管，利用集成運放的深度負反饋工作狀態(tài)實(shí)現恒流輸出。采用單片機AT89C51實(shí)現PID算法進(jìn)行軟件閉環(huán)控制，以縮短系統的動(dòng)態(tài)平衡時(shí)間，進(jìn)一步提高系統的穩定性。給出了限流、延時(shí)軟啟動(dòng)保護電路。經(jīng)實(shí)驗驗證，系統穩定度高、實(shí)時(shí)性好，可以用于光纖激光器泵浦。
關(guān)鍵詞：光纖激光器；恒流源；半導體激光器；泵浦

0 引言
雙包層泵浦光纖激光器具有電光轉換效率高、體積小、壽命長(cháng)、光束質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，在光通信、高精度激光加工、激光醫療以及軍事等領(lǐng)域有著(zhù)廣泛的應用。泵浦源是光纖激光器重要的組成結構，為光信號的放大提供能量。泵浦源性能對光纖激光器影響很大，例如泵浦效率、泵浦光帶寬、泵浦源的壽命、尺寸和價(jià)格等都直接影響最終器件的性能。與其他激光光源相比，半導體激光器作為泵浦源有很多優(yōu)點(diǎn)：電一光轉換效率高、輸出激光波段范圍廣、使用壽命長(cháng)、可靠性高、體積小、質(zhì)量輕、價(jià)格便宜、耗電省、具有直接調制能力等。光纖激光器泵浦源一般是大功率的半導體激光器，要求驅動(dòng)電源能輸出足夠大的電流。同時(shí)半導體激光器是靠注入電流而工作的，是一種電流敏感器件，驅動(dòng)電流的很小波動(dòng)不僅會(huì )產(chǎn)生激光強度噪聲，還會(huì )使輸出激光的波長(cháng)譜展寬，同時(shí)靜電、高壓、浪涌電流以及電網(wǎng)沖擊等都會(huì )使半導體激光器半導體激光器性能惡化，壽命減短，甚至造成永久性損壞。因此設計一種大功率、高穩定度、性能可高的驅動(dòng)電源是十分必要的。
目前，在國外，對半導體激光器驅動(dòng)源的研究已經(jīng)取得了不錯的成果，特別是德國、英國、日本等國家，半導體激光器驅動(dòng)源的研究技術(shù)已經(jīng)非常成熟，達到了很高的水平，并且實(shí)現了商品化，但其價(jià)格比較昂貴。在國內，小功率的半導體激光器驅動(dòng)電源已有成熟的商品，高重復頻率、大功率、窄脈沖驅動(dòng)電源發(fā)展不成熟，有些技術(shù)指標難以達到要求，因此對半導體激光器驅動(dòng)電源繼續進(jìn)行研究，不斷完善其性能指標，有十分重要的意義。

1 系統整體結構
驅動(dòng)電源的整體結構如圖1所示，上位機對泵浦半導體激光器的工作電流和安限電流進(jìn)行設置，通過(guò)RS232通信傳輸到單片機，單片機89C52RC進(jìn)行處理，再由DAC轉換成對應的模擬量，這一模擬量分別作為控恒流源的基準電壓和安限控制電壓。取樣電路對輸出屯流實(shí)時(shí)取樣，采樣電壓送到集成運放的反相輸入端，構成一負反饋網(wǎng)絡(luò )，輸出電流由硬件進(jìn)行閉環(huán)控制，保證恒流輸出。同時(shí)，采樣電壓經(jīng)ADC轉換后輸入單片機，與預設電壓比較，通過(guò)內部的PID算法子程序來(lái)調整預設電壓，從而形成了軟件閉環(huán)控制。硬件和軟件的雙重閉環(huán)控制大大提高了輸出電流的精確度。采樣數據進(jìn)行存儲、上傳，由上位機對電流進(jìn)行顯示。采樣電流大小接近安限電流時(shí)，單片機控制蜂鳴器發(fā)出報警。

可見(jiàn)，理想情況下輸出的電流與輸入電壓是線(xiàn)性關(guān)系，并且電流是穩定的。但是由于元器件的不穩定性，輸出電流會(huì )有波動(dòng)。電流的穩定性受基準電壓Vr、取樣電阻Rs和反饋網(wǎng)絡(luò )R1和R2的影響。對I0全微分得：

式中α1、α2、α3、α4分別表示基準電壓、取樣電阻、負反饋網(wǎng)絡(luò )中R1和R2對電流穩定性的影響。根據電阻實(shí)際取值，α1和α2的值遠大于α3和α4，所以輸出電流的穩定性主要取決于取樣電阻Rs的溫漂和基準電壓的穩定性。增加Rs的值可以減小取樣電阻溫漂帶來(lái)的影響，阻值增加會(huì )使采樣電阻的功耗急劇增加，所以取樣電阻Rs選用光頡屯阻TR35(50m Ω，±50 PPM／℃，精度為±0．5％)。調整管選用大功率MOS管IRL7833，其連續漏極電流最大值可達150A，RDS(on)最大值為44mΩ，開(kāi)啟電壓VGS(th)最大值為2．3V，漏極和源極之間最大電壓VDS為30V。