半導體激光器電源設計技術(shù)匯總

通常，摻釹固體晶體是對其相對較寬的808nm吸收帶進(jìn)行泵浦，標準的半導體激光器系統能很容易地滿(mǎn)足808nm泵浦的光譜要。但是在過(guò)去幾年里，隨著(zhù)半導體激光器bar條的工作電流和功率的不斷提高，導致在從閾值電流上升到工作電流的過(guò)程中產(chǎn)生了更大的波長(cháng)漂移。為了確保在整個(gè)工作范圍內實(shí)現穩定、有效的泵浦，需要控制泵浦半導體激光器的光譜，使其光譜帶寬始終與激活激光介質(zhì)的吸收帶寬相匹配。

另一方面，光纖激光器的迅速發(fā)展，也增加了對其他波長(cháng)的泵浦源的需求。例如，泵浦波長(cháng)為1080nm左右的標準摻鐿光纖激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纖耦合半導體激光器系統，特別是980nm泵浦區尤為重要，因為摻鐿材料在該泵浦區具有較高的吸收系數和較窄的吸收帶寬。

半導體激光器系統亮度的進(jìn)一步增強是通過(guò)偏振耦合和波長(cháng)復用實(shí)現的。偏振耦合僅能將亮度提高一個(gè)單位系數的兩倍，而波長(cháng)復用技術(shù)受可用波長(cháng)數量n的限制。 事實(shí)上，波長(cháng)復用進(jìn)行功率擴展是以犧牲光譜亮度為代價(jià)。

5.實(shí)現智能控制的半導體激光器電源設計

由于具有體積小、重量輕等特點(diǎn)，半導體激光器(LD)在信息、通訊、醫療等領(lǐng)域得到日益廣泛的應用，且與電子器件結合實(shí)現單片光電子集成。但是LD容易受到過(guò)電壓、電流或靜電荷的沖擊而損壞，其電源的研究愈來(lái)愈受到人們的重視。若電源輸出電壓或電流波形質(zhì)量不高，又缺乏有效保護，將導致激光器性能下降或造成損壞，因此要設計性能優(yōu)良的電源來(lái)保證LD安全穩定地工作。

本文以數字集成電路為核心，設計能夠實(shí)現智能控制的半導體激光器電源。

半導體激光器LD工作影響因素

半導體激光器的核心是PN結一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞，則無(wú)法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復合，視其破壞程度而表現為激光器輸出降低或失效。

造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過(guò)凈化工作環(huán)境來(lái)解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會(huì )產(chǎn)生半導體激光器PN結損傷或擊穿，其產(chǎn)生原因是多方面的，包括：①電源開(kāi)關(guān)瞬間電流;②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機;③雷電;④強的靜電場(chǎng)等。實(shí)際工作環(huán)境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短，因此必須采取措施加以防護。

傳統激光器電源是用純硬件電路實(shí)現的，采用模擬控制方式，雖然也能較好的驅動(dòng)激光，但無(wú)法實(shí)現精確控制，在很多工業(yè)應用中降低了精度和自動(dòng)化程度，也限制了激光的應用。使用單片機對激光電源進(jìn)行控制，能簡(jiǎn)化激光電源的硬件結構，有效地解決半導體激光器工作的準確、穩定和可靠性等問(wèn)題。隨著(zhù)大規模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高。

系統設計

系統框圖見(jiàn)圖1。主要由以下幾部分構成。

圖1 系統框圖

6.半導體激光器驅動(dòng)電源的控制系統

使用單片機對激光器驅動(dòng)電源的程序化控制，不僅能夠有效地實(shí)現上述功能，而且可提高整機的自動(dòng)化程度。同時(shí)為激光器驅動(dòng)電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

本系統主要實(shí)現電流源驅動(dòng)及保護、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤(pán)顯示等功能，整個(gè)系統由單片機控制。本系統中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統級芯片(SOC)，他在一個(gè)芯片內集成了構成一個(gè)單片機數據采集或控制系統所需要的幾乎所有模擬和數字外設及其他功能部件，如本系統中用到的ADC和DAC。這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應用系統提供了方便，也大大降低了系統的成本。光功率及溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由單片機內部A/D轉換為數字信號，進(jìn)行運算處理，反饋控制信號經(jīng)內部D/A轉換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路，形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。光功率設定從鍵盤(pán)輸入，并由LED數碼管顯示激光功率和電流等數據。

目前，凡是高精密的恒流源，大多數都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過(guò)負反作用，使加到比較放大器兩個(gè)輸入端的電壓相等，從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩定性的因素可歸納為兩部分：一是構成恒流源的內部因素，包括：基準電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調整環(huán)節)、零點(diǎn)漂移和噪聲電壓;二是恒流源所處的外部因素，包括：輸入電源電壓、負載電阻和環(huán)境溫度的變化。

7.基于NCP5662的半導體激光器驅動(dòng)電源

二極管激光器及二極管泵浦的固體激光器現已成為固體激光器的發(fā)展主流,其轉換效率高,穩定性好、可靠性高,是迄今惟一不需維護的激光系統,具有輸出的光束質(zhì)量高、體積小、結構緊湊等優(yōu)點(diǎn),已經(jīng)獲得了廣泛的應用。二極管泵浦固體激光器設計中涉及許多關(guān)鍵技術(shù),電源技術(shù)是其中之一,它涉及的主要問(wèn)題是如何根據固體激光器的要求設計半導體激光二極管的驅動(dòng)電源。半導體激光器驅動(dòng)電源的基本要求是:恒流源、電流穩定度高(至少應小于10-3)、紋波系數小、具有特殊的抗電沖擊措施和保護電路。在實(shí)際項目中,二極管泵浦固體激光器用于機載導彈測距,采用808nm半導體大功率激光器作為泵浦源,要求驅動(dòng)電源體積小,驅動(dòng)電流2A,驅動(dòng)方式為脈沖驅動(dòng),脈沖頻率和寬度獨立可調、蓄電池供電(5V左右)。目前許多的商用的或用于試驗研究的驅動(dòng)電源很難完全滿(mǎn)足使用要求,因此為其設計簡(jiǎn)單、方便、穩定、可靠的驅動(dòng)電源具有重要的意義。

在穩壓或穩流電源中,目前常用的是開(kāi)關(guān)電源和線(xiàn)性電源,由于開(kāi)關(guān)電源的瞬態(tài)響應較差、紋波系數較大,對瞬態(tài)特性和溫度度要求較高的半導體激光驅動(dòng)電源采用線(xiàn)性電源較為合理。為了實(shí)現高的電流穩定度,驅動(dòng)電路大多采用負反饋的控制方法,原理圖見(jiàn)圖2。工作時(shí),通過(guò)電阻電流采樣反饋為驅動(dòng)電流提供有源控制。方法是在功率晶體管的源極串聯(lián)一個(gè)采樣電阻RS,用于取樣反饋，該取樣電壓經(jīng)過(guò)I/U轉后,作為反饋電壓與設定電壓進(jìn)行比較,進(jìn)而通過(guò)調整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進(jìn)行調整。整個(gè)閉環(huán)反饋系統處于動(dòng)態(tài)平衡中,以達到穩定電流的目的。輸出電流If與設定的參考電壓Vref的關(guān)系可由負反饋原理得到