（电子科学与技术专业论文）数字式稳频激光泵浦电源设计.pdf

a b s t r a c t l a t e l y ，t oc o m p a r e 诵t l lt h ec o n v e n t i o n sp o w e rs u p p l y ，d i g l 协l a s e rp o w e rs l l p p l y i sm o r ef a v o r e d w i t hm o r ei n t e l l i g e n c ea n d 虹b i l 奴d i g 砌p o w e rs u p p l yb e c o m e s a ne s s e n t i a lp o w e rs u p p l yi nd i o d el a s e rp o w e rs o u r c e a tf i r s t ，t h em e s i sa i 曲z e dm ed e m a n do f 位d i 舀t a la p p l i c a t i o n o fd i o d e p 啪p e ds o l i d 僦e sl a u s e rp o w e rs u p p l y a n a j y z e d 龇m 血c 沁u i t o ft h ep o w e rs u p p i y ， d e s c r i b e dm eo p e r a t i n g 皿n c i p l e 锄dh 莉w a r e 删t e c n 鹏o fn e l l i g e n c ec o n t r o l s v s t e m t l l ep o w e rd r i v e ri nt l l i st e x tc 觚i n 出et h eo u t p 毗p o w e ra n dt e m p 嘲t u r e s e i f - c o n 仃0 1 e d 1 1 1 ec n u i t si sm a d eu po fc u 仃e n td r i v eu m ta n dt e m p e r a t u r e s e l f 二c o n t r o ls y s t e m t h e 让i e s i sd e s i g n e dad i g i t a l l a s e r p o w e rs u p p l y w l l i c hh a st h em 啦 o p t o e l e c t r o i l i ce m c i e n c y ， c u r r e n t s o u r c ed r i v e r ， p r o t e c t i o ns y s t e m ， l a s e rp o w e r f e e d b a c k ，t e m p e 粕t l l r es t a b i l i t yc o m r o l ，谢ms c m a sc o r ed e v i c eo fd i g i t a ll a s e r p o w e rs u l ) p l y t e l n p e r 呶鹏s 诎i l 埘s y s t e mi s c o n 廿o l l e db ym ec u r 碥n td i r e c t i o no f t ec o o l e r ，谢t l ln e g a t i v et e m p e 咖c o e m c i e n tm e 姗i s t o ra i l dp i da l g o r i m m ，t o c o i l n - o lt l l eo p e r a 血gt e m p 咖eo f1 a s e lb e s i d e st h e s e ，p m t e c t i o nm e a s u r e s a r e m d em l u d i n gt l l r i l o nc i r c u i t ，t ec o o l e rp r o t e c t i o nc i r c u i t ，c 眦e n t 。l l 皿t l n gc 鹏u l t ， e s dc i r c u i t e t c s ob e n e rc o n t r o le 仟e c tm a d sl a s e ro 咖u tp o w e rs t a b i l 时丽m 0 5 ，s i i l g l ef i r e q u e n c ym o d e 诵t l l 0 1 1 姆w o r d s ：趣删州呐劬锄毋蛾洲州p 唧e r 缸撇 幻m 】p e 糯：t i l ns t 咖嘶 第一章绪论弟一早三：百。可匕 1 1 研究的意义和背景 随着科学技术的不断进步光电信息技术正在对国民的生活领域、国家的经济领域以 及国防建设领域起着深远而重大的影响。其中尤为引人注目的就是光电子半导体的发 展。半导体激光器依靠其转换效率高、体积小巧、重量轻、可注入激励、室温下可连 续震荡、波长范围宽、增益带宽较宽、可靠性极高、能够直接调制、相干性高、能够 产生超短光脉冲、能够与其他半导体原器件集成等特点，成为了光电信息技术的关键 元器件。因此半导体激光器的应用范围很广泛，在工业、矿业、建筑业、基础科学研 究、航空航天、信息通信、军事等领域都不难见到其身影h m3 | 。虽然半导体激光器在各 行各业都有应用，但是在半导体激光器的应用过程中却存在一些问题，微小的电流和 细微的温度变化将导致半导体激光器输出功率的波动，容易产生噪声，输出光发散。 因此如何克服这些缺点已经成许多科研工作的主攻方向。半导体激光器的稳恒控制的 意义就将其重要，可以说是重中之重。目前，提高半导体激光器性的最有效途径主要 有两个：一是从激光器器件的本身来提高其性能指标即运用新的半导体技术；二是通 过将激光器驱动电源的性能提高来提高半导体激光器的性能口矧。 半导体激光器装置的重要组成部分是半导体激光电源，从半导体激光器的发明和发 展过程来看，半导体激光器的驱动电源和集成电路技术基本上是随着半导体技术的发 展的同时也在发展着。从最初期的用r c 充电方式控制来控制半导体激光器的电源到l c 恒流充电控制电源再到直流l c 谐振充电式电源，再到激光器电源这一领域的引入了开 关电源这一新技术，电子电源的开关电路由快速晶体管构成，再到具有自行关断功能 的功率场效应晶体管( 0 s ) 和与其相似功能的绝缘栅双极晶体管( i g b t ) 电路，这 一路走来都是为了能够更好的提高半导体激光器电源在高频工作时的充电效率。在电 工电子技术的发展的带动下，目前半导体激光电源的发展趋势是逐渐的由模拟电源向 数字化的电源迈进。这是激光器电源技术的一个的发展方向，它使得硬件电路大大地 简化，同时又可以采用一些比较先进的控制方案以此来提高控制的精准度，同时也提 高了整个系统工作的可靠性及安全性能。高性能的激光器电源的研制成功必将拓宽半 导体激光器的应用领域，进一步促进激光设备的产业化发展乜1 。 1 2 激光器电源的发展及特点 激光器电源正随着激光器的发展而不断发展。激光器的泵浦方式有很多种，有电 泵浦、光抽运、化学式泵浦、太阳能及核能泵浦等。当采用光泵浦或电泵浦时候，激 光器必须配备一台与其相匹配的供电与控制设备即激光电源n 1 。 最早出现的激光电源是为r c 充能方式，储能电容器c 的充电是依靠直流电流经过 限流电阻r 来对其进行充电。但是这种结构就导致了激光器电源只能在给对于电源的 充电效率要求不高的情况下并且对于电源的要求是低重复频率时才可以使用。但是伴 随着激光器技术的进步，对激光器的电源提出了一系列的要求，并且是必须与新型激 光器装置完美的匹配，如更高的效率、更高重复频率、低成本和高可靠性等。特别是 为了满足例如红宝石激光器、钕玻璃激光器等这些需要在低频大能量工作环境下工作 的激光器装置，而促使l c 恒流充电电路的研制成功。这个电路的工作特点是通过恒定 电流对储能电充器来进行充电，此举不仅提高了充电效率，还进一步提高了激光器电 源自身的稳定性。为了适应高重复频率的激光器装置的特性，还研发了直流l c 谐振充 电式电源。直流l c 谐振充电式电源的诞生有效缓解了激光电源在高频工作时的充放电 效率低这一难题。但它也有一定的缺点和局限性，即体积与重量都较大并且难以减轻， 如今这种激光电源依然被广泛应用。为了解决上述问题，即激光电源的体积与重量， 同时提高电源的精度，人们在激光器电源中引入了开关电源技术。8 0 年代初期，出现 了使用高速晶闸管作为开关的逆变器充电电路。它的出现解决了激光电源的体积与重 量问题，但是它的控制电路是比较复杂的。基于i g b t 的大功率逆变电源出现在8 0 年 代后期，它的出现使激光器电源向高效率高可靠性方面前进了一大步，基本上满足了 不同激光器使用者的要求。计算机技术也在此时逐渐进入到了激光器电源中，用计算 机控制的多功能高效率的激光器电源相继问世。用计算机控制的激光器不仅能提高光 电转换效率，而且还能比较有的效抑制电源中的一些干扰问题陋3 。 激光电源根据激光器的特性而不同，每一种激光器都有一种与其相匹配的激光器 电源。由于激光器的工作方式各异，脉冲激光器处于脉冲状态下工作，连续激光器则 在连续状态下工作，因而激光电源也相应的分为脉冲式和连续式两种供电与控制方式。 例如，脉冲y a g 或钕离子激光器电源中的泵浦光源闪光氙灯是工作在低频率脉冲弧光 放电状态的，工作电流可达到数千安培；而h e n e 激光器则工作在直流连续状态，虽 然供电电压在几千伏特，但其工作电流只有几个毫安的级别；连续工作的固体激光器 及某些染料激光器工作在低电压大电流模式下工作，工作电流一般在几安培到几十安 培；而准分子激光器则工作在电压为上万伏，脉冲宽度为微秒量级的窄脉宽，频率为 几千至兆赫兹的高频状态。综上所述，激光电源的特点可以概括为以下几点： ( 1 ) 无论是基于固体激光器、气体激光器或半导体激光器的激光电源，都存在脉 冲工作和连续工作两种模式。其中脉冲式激光器驱动电源还分为：低重频式、高重频 型、准连续型、高压脉冲放电型和大电流窄脉宽脉冲型。连续激光器驱动电源又可以 分为：低电压大电流型、高电压小电流型和半导体连续激光器电源。而且，对于这些 电源的电压和电流都有比较宽的工作范围。 ( 2 ) 对于负载是一个气体放电器件的激光电源而言，激光电源是一个多路供电系 统。除一个必要的主路驱动电源外，还要有一个产生高压脉冲的触发信号源和一个预 燃驱动信号作为辅助电源。 ( 3 ) 对于脉冲激光电源来说，要求整个驱动电源系统按照一定的顺序并在一定的 时间内进行控制。如泵浦源的触发、预燃、储能电容的充电与放电的过程都必须有着 既定的顺序与时间关系。此外，电源也可以被外界触发信号所控制。 ( 4 ) 种受控驱动系统其实就是激光器电源的本质，大量的并且较强的电磁辐射 会在工作的过程中发出来。并且在高压脉冲点灯过程、与燃放点过程和主电路放点过 程中都会产生很强的电磁辐射。电磁辐射会对整个系统所产生的干扰足以使电源无法 正常工作，所以一定要对这些电磁辐射加以抑制1 。不仅如此，附近的电子仪器设备也 会被这些电磁辐射产生干扰所影响，基于以上这些情况，电磁辐射是一定要被抑制的。 1 3 半导体泵浦固体激光器电源的国内外现状 对于半导体激光器驱动电源的研究我们国家属于起步比较晚，而且在一些原理上 大多数半导体激光器电源的研究也主要是大多借鉴与国外成熟的理论。但是通过在国 内科研人员孜孜不倦的努力下，成果我国也取得了很多。根据国内厂商提供的资料和 期刊论文( 主要看国内发表部分) 来看，主要的研究目标还是实现对激光器输出光功 率的控制，主要是通过控制激光器的注入电流和控制激光器工作的温度来实现，并且 将两方面研究成果整合在一起，寻找集合点来实现两个控制完美，在通过整合激光器 的电流控制和温度控制两个方面的问题来对激光器进行综合性控制，且成功研制出具 有多功能的半导体激光器驱动电源h ，。 在国内企业中，北京多兰是一家生产高性能激光器电源的公司，该公司生产的连 续半导体激光器电源具有很高的性价比，电压噪声小于0 1 ，电流噪声小于3 0 m a ，稳 定度可以达到0 1 、。武汉华工是一家专业生产工业激光加工设备的公司，该公司激光 器电源主要工作方式主要为脉冲工作方式，稳定度为0 5 。深圳大族公司是国内一家 主要生产激光切割设备的公司，其激光器电源波长稳定性可以达到0 0 2 姗，稳定度 也在0 1 。长春光吉科技是一家新兴的光电子企业，在半导体激光电源制作技术上处 于国内领先水平。公司生产的激光电源z p s 一1 0 7 3 ，稳定性可以达到小于0 1 。 对半导体激光器电源的研究与应用，部分发达国家已经取得了很好的成果。德国、 美国、日本等国家的半导体激光器驱动技术已经比较成熟，无论从核心技术还是性价 比等方面都明显高于我国同档次的激光器电源的整体水平。 w a v e l e n g t he l e c t r o n i c s 公司是制造高性能激光器电源和温度控制器的公司，这 家公司在小型、高性价比、模块化产品方面有着很高的成就。该公司生产的激光器电 源温度控制的线性稳定性可达到0 0 0 1 ，恒流模式稳定性可达5 0 p p m ，恒功率模式的 稳定性可达0 0 5 。j d s u 公司是一家专业生产脉冲紫外激光器的厂商，其激光器电源 输出精度可达到o 0 2 。其输出光功率的稳定性可以达到2 。德国的a l p h a l a s 公司在 半导体激光器生产领域也有着卓越的成就。该公司的半导体激光器驱动电源以及温度 控制类的产品享誉全球。其驱动电流范围从r r 卜1 0 0 a ，温度控制精度可达到o 0 0 1 。 1 4 论文主要研究内容 设计的这款激光器电源主要是作为半导体泵浦固体激光器电源所使用，主要是通 过对半导体激光器的驱动、制冷使其发出波长为8 0 8 n m 的激光作为泵浦源，承担激光 晶体的供能，激发出的8 0 8 n m 的激光透过耦合系统使n d ：y a g 激光晶体中的粒子束反 转，超过阈值，产生1 0 6 4 n m 的固体激光。1 0 6 4 n m 的激光通过倍频晶体k t p 得到5 3 2 n m 的激光，即所需的波长的激光。 本论文在详细阐述了激光器电源的发展背景以及意义的基础上，意识到高质量的 激光器电源对半导体泵浦固体激光器的重要性，因此本文设计了一款结合开关电源的 基本原理，利用单片机控制技术的数字式l d 泵浦激光驱动电源。为半导体激光器设计 出了一种数字化控制、纹波电流小以及稳定性高的数字电源。系统采用光电池作为光 功率传感器对激光器输出的光功率进行采样；温度传感器采用具有负温度系数( n t c ) 热敏电阻对激光器的温度进行采样；采用半导体制冷器作为温控元件，实现系统的恒温 控制、高输出光功率、光谱稳定。 主要研究内容有以下几点： ( 1 )介绍了半导体泵浦固体激光器电源的发展过程、半导体激光器的工作原 理、结果和输出特性。分析了半导体激光器对电源驱动的特点和基本要求。 ( 2 )根据半导体激光器在不同工作方式下对其附属驱动电源的要求差异以及 参考半导体激光器的损坏机理，通过结合激光器电源设计的基本要求和总体设计思想， 确定了整个电源系统的机构，并阐述了电源整体的设计和工作思想。 ( 3 )半导体数字电源的软件设计。在对p i d 算法原理分析的基础上，从半导 体激光器出发，从系统的稳定性出发，讨论软件设计方案精确激光器电源的数据采集， 温度和电流的控制。 ( 4 )对本设计中所用到的硬件电路原理进行介绍、分析。进行数字电源电路 设计，为实现有效的数字化控制进行温度控制原理的设计、激光功率的稳定性控制， 开关电源的设计等。 ( 5 )系统测试及结果分析。主要利用功率计检测输出光功率，光谱仪测量光 谱与理论值进行分析比较，使设计达到最优化。并将半导体激光器数字电源主要参数 与实际值和模拟电源的实际值进行比较分析，对本设计的电源进行改进、完善，使具 有比传统模拟电源更优秀的性能，以此来工业生产中的需求。 4 第二章半导体泵浦固体激光器简介 2 1 半导体激光器的简介 激光二极管是半导体激光器的一个别称，通俗的讲就是指用半导体这种材料作为 激光器的工作物质，半导体激光器能带结构由价带、禁带和导带组成，而导带和价带 又由不连续的能级构成。其工作原理是利用半导体材料的导带与价带之间或者是半导 体的能带与杂质能级之间非平衡载流子的粒子束反转使其产生受激辐射，基于粒子受 激辐射并在光谐振腔内多次反射放大机理而形成的半导体激光光源 半导体激光器所涉及的半导体材料有很多种，但目前工业生产最常用的主要有两种 材料体系。一种材料体系是以g i “s 和g q 一。彳，。么j ( 下标的x 表示g 州s 中被a l 原子取 代的c a 原子的百分数) 为基础的。这种半导体激光器的激射波长a 取决于下标x 及掺 杂情况，一般是0 8 5 朋左右。这种器件可以用于短距离的光钎光通信和固体激光器 的泵浦源。另一种材料体系是以i n p 和g q 一。觑。么量一，只，为基础的。这种激光器的激射波 长旯取决于下标x 和下标y ，一般为0 9 2 “1 6 5 朋。半导体激光器按照其输出的激光 连续性的不同，可以分为：连续( c w ) 型，准连续( q c w ) 型和脉冲( p u l s e ) 型的半导 体激光器。按照泵浦方式不同，半导体激光器有有另一种划分方式分为：p n 结注入式 激光器、电子束泵浦激光器以及光泵浦激光器。在通常情况下半导体激光器的泵浦方 式上都更青睐于电注入，其原理是在p n 结两端加正向电压，以使p n 结在及平面区域 产生受激发射，也就是使其成为一个正向偏置二极管口3 。 图2 1 半导体激光器的结构 2 2 半导体激光器的工作原理 从激光器基本原理可得出结论，半导体激光器和其他别的类型的激光器所拥有相 同的特质。激光器的共同点都是基于受激光发射。理论上认为半导体激光器是在直接 带隙半导体的p n 结中，采用注入载流子的方法来实现伯纳德一杜拉福格 ( b e r n a r d d u r a f f o u r g ) 条件使增益介质中的粒子数产生反转，并由高度简并的电子 与空穴复合所产生的受激辐射，在p n 结两端镀膜所形成的光学谐振腔内振荡并放大， 最后产生出激光从p n 结端输出。如果想要得到激光输出，必须要能满足两个条件，其 一是必须使增益介质内的粒子数反转，即上能级粒子数高于基能级的粒子数；其二是 使腔内增益大于损耗，即阈值条件所有半导体激光器都必须满足的条件。其中必要条 件是第一个条件，这个条件能够证明一个问题：即处于上能级的粒子数多于基能态的 粒子数( 例如半导体导带中的电子数) 。这一个条件想要实现的话，就必须工作物质要 有能量来源为其提供增益。也就是说若希望工作物质具有增益则需要采取泵浦的方式 来进行。第二个条件则是充分条件，要求工作物质满足这样一个条件就是物质中的中 的粒子数反转达到由于粒子数反转所产生的增益能够大于光学谐振腔内部的损耗，如 热辐射与自发辐射形成的荧光，以为对于激光器来说激光的输出对于工作物质来说也 意味着一种损耗。这样光学谐振腔内的增益即为正。但是半导体激光器和其他的那些 激光器还有很多不同，半导体激光器中增益介质的粒子以不同能带不同能级的形式分 布，有源介质的不同能级上分布其他激光器中的粒子，如：原子、离子、分子，所以 在表示方式上粒子数反转的条件也有一定的差别国，。 2 3 半导体激光器的主要性能 2 3 1 半导体激光器的阈值特性 除了一些特殊的激光器没有明显的阈值以外，阈值可以说是所有激光器的重要参 数，是所有激光器的属性。半导体激光器毫不例外的也是一个有阈值的器件，而且它 的工作状态还随着注入电流的不同而不同。半导体激光器注入电流达到一定值得时候， 激光器内的增益与损耗达到一个平衡态，超过这个平衡态，增益即大于损耗，则有激 光输出，这个电流值被称作阈值电流，也就是说阈值以后激光器才开始出现净增益。 当工作物质实现了粒子数反转之后，光在谐振腔之内进行传播的时候便有了增益，但 是是否能有效地形成激光的振荡，还与腔内的损耗有着关系。只有在增益恰等于损耗 时候才能满足振荡的阈值的要求。由于半导体激光器是直接注入电流的电光转换元器 件，所以它的阈值常用电流密度或者电流来表示啪1 。 6 i t h 激光嚣驱动电流 受巍辐射 煳爨) 壹菘删 夔隽麓檬) 图2 2 典型的激光器p _ 一i 曲线 影响半导体激光器阈值特性的主要因素有很多，如： ( 1 ) 器件结构的影响 伴随着阈值电流密度或者阈值电流的增减是不随着器件的结构的改变而改变的。 一般情况下器件结构的所有改进都是有一个中心点就是怎样才能够加强对载流子和光 子的限制。 ( 2 ) 材料的影响 通常情况下材料组分的变更都是为了达到这样一个目的：改变激射波长，并且只 可以在一定的范围限制内行之有效。同理可知想要使阈值更低就需要其他的材料生长 工艺来与之相匹配。 ( 3 ) 温度的影响 半导体是种特殊的材质，它对温度是十分敏感的，所以温度对于半导体激光器的 阈值影响非常明显。当温度升高的时候，半导体激光器的重要指标之一阈值电流会随 着温度而升高。通过实验证实，用一个公式概括阈值电流抽与温度丁的关系有 丁一丁 厶( r ) = 厶( t ) e x p 铲) ( 2 1 ) 0 其中，t 代表室温，蠊( r ) 和厶( ) 分别代表了在某一个温度丁和室温t 下所测到的 阈值电流密度，1 0 是实验拟合出来的参数。心 2 3 2 半导体激光器的转换效率 对于半导体激光器来说它最大的一个优点就是，能够提高电子转换为光子的转换 效率。半导体激光器的电能向光能转化的效率可以用多种方式来进行描述，其中最为 常用的半导体激光器描述效率的方式有两种。 ( 1 )功率效率 7 舔替嗽l i 功率效率有时候称作为总体效率，亦或称作w a l l p l u g 效率，通常的定义为 刀：塑堂墨叁堑塑堂塾奎： 刍 ：垒 1p 激光器消耗的光功率 + ，2 ( 暖户) + ，2 ( 2 2 ) 式中，乓为激光器所发射的光功率；伪工作电流；矿为激光器的正向压降；_ 为 串联电阻( 它代表了半导体材料本身的体电阻和电极之间接触的电阻等) 。通常来 说半导体激光器的这一功率并不能够通过实际测量得到，用户通常都是依靠半导 体激光器的生产制造厂家所提供的p i 和v i 特性曲线来对激光器的质量来自行 进行分析得到结论n4 i 。 ( 2 ) 外微分量子效率或斜率效率 外微分量子效率定义为输出光子数随注入的电子数增加的比率，考虑到 办d & p 圪，贝0 有 铲芬每等专 陇3 ， 由于在激光器达到阈值后的p i 曲线斜率就已经趋于稳定了，因为在l 对应的输出 功率圪很小，大多数情况下都是忽略不计的；电子数与光子数这两个问题我们不 予考虑，取而代之的是用一些方便测量的数量值( 如激光器输出功率吃或工作电 流，) 来表示斜率效率仉( = 哆么) 仉2 赢 q 4 在实际计算中，玑由下式可以得出 。 一只 仇2 有 ( 2 5 ) 式中，只和足分别为达到阈值后输出光功率的l o 和9 0 ，j 和，分别对应只和只 的电流。为了避免发热对外微分量子效率的影响，实际测量应在低占空比的脉冲工 作下进行测量。外微分量子效率用百分比表示，而斜率效率用矽么或者聊形，州鹕3 。 2 3 3 半导体激光器的热特性 虽然半导体激光器是一种高效率并且低能耗的电光转换器件，可是其自身还有许 多不能忽略而存在一些其他因素，存在特殊的损耗机制，例如：自由载流子吸收情况 和非辐射复合损耗等因素，这些原因的存在致使外微分量子效率非常低，通常情况下 只有2 0 3 0 ，这就说明了有相当大一部分约7 0 8 0 的泵浦能量以热量的形式被消耗， 这部分能量的消耗就引起了激光器自身的温升。温度的升高又将会导致激光器器件的 一系列问题例如：阈值增高、输出波长变大、造成输出模式的变化与抖动、增加增益 介质内部的缺陷、这些问题都会导致半导体器件的寿命降低，这所带来的问题给实际 的生产应用中带来很大的困难。如果产生的这部分热量不能够解决妥当，最终会导致 一系列非良性的循环，甚至是是半导体激光器的失效。大量的实验证明了，当温度升 高2 5 的时候，半导体激光器元器件的寿命就会相应的减少一半。所以，要使半导体 激光器在正常的工作温度下工作是非常必要的，否则会使其寿命缩短，甚至在瞬间损 坏n 引。 半导体激光器的热状态与其工作方式有关，一般情况下有以下的三种工作方式： ( 1 ) 在直流驱动的情况下进行连续工作； ( 2 ) 直流偏置在阈值附近的小信号进行调制； ( 3 ) 在脉冲调制的状态下工作时候。一般情况下将具有较高占空比的脉冲工作 方式命名为准连续( q c w ) 。 2 3 4 半导体激光器的可靠性 根据参照量的不同半导体激光器的使用寿命有也有两种方式进行定义。第一种定 义方式是：激光器在额定电流下连续工作，当输出功率下降到初始值的一般所经历的时 间口7 | 。第二种定义方式是：激光器在额定功率下连续工作，当阈值电流比初始值升高 一倍所经历的时间。以这两种定义方式可以得出结论，采取恒流控制属于第一种定义 方式，使用恒功率控制则后一种方式。 从上述两种方式下激光器的寿命的延续过程其实就是一种性能退化的过程，最终 导致失效。这两种造成退化的原因有很多种，例如人为操作的不正确；浪涌冲击；在 使用光纤耦合时候，光纤头对解理面的碰伤等等，这些都是一些不可避免的原因。造 成退化的最根本原因是激光器的自身和内部的因素造成的。内部退化的主要因素有： ( 1 ) 材料内部有杂质和缺陷，特别是异质结材料中由于晶格失配形成的位错 能够在适当的温度下“增殖”，这种位错也会在晶体中逐渐形成位错线、位错网络。 注入载流子的非辐射复合速率的增加而导致光学谐振腔阈值的增高。 ( 2 )电阻接触的退化。对半导体激光器退化和失效的分析可以得出，由于电极 键合时导致的应力、接触不良和导电金属的氧化等都使接触电阻增加，即内阻t 增加。 这样不仅仅增加了热损耗，激光器的效率也为之降低了，还会引起半导体激光器局部 的过热，造成了引线熔融而脱落等。 9 2 4 半导体激光器的失效机理分析 半导体激光器有着较好的优势，其工作寿命在常规操作的情况下是非常长的。可 是，半导体激光器在受到一些因素的影响的时候也是很容易损坏的。半导体激光器的 工作条件或者存放条件是不符合其必要的工作条件时候，则会导致半导体激光器性能 急剧下降甚至于严重损坏。 州结的电击穿或者作为谐振腔面的解理面遭受损坏会造成半导体激光器的突然 故障，通过判断击穿或者损坏的程度表现为输出功率下降或者完全失效。删结二极管 作为半导体激光器中的一个重要器件，也有着二极管类似的电学特性，且这一点与普 通二极管同出一辙。即假如p 结二极管的p 结被击穿了，那么非平衡载流子和辐射 复合就将无法产生。且谐振腔面局部或者全部损坏也是超过光能量超过了其破坏阈值， 这样激光器的输出功率就会降低或者变成了发光二级管，从而导致了l d 的彻底失效。 下是几种比较常见的半导体激光器损坏模式汹3 ，一共为四种： ( 1 ) 暗线缺陷 由于激光器工作的时候形成的缺陷网络( 位错网络) 称作暗线缺陷，具体表现在 半导体激光器输出横模的光能不均方面，如果这些缺陷出现就会加快载流子非辐射复 合的速率，从而形成光吸收的增强，导致阈值电流的增大，阈值电流的增加会导致光 电转换效率和输出功率下降。在材料和加工工艺过程中会引入暗线缺陷，非辐射电子一 空穴复合时候所以起得微观结构的变化也会直接产生暗线缺陷。而且横模暗线的形成 原因还与温度有很大的联系，横模暗线缺陷所引起的p n 结的退化速度与退化程度都与 温度有密切的关系口4 | 。 ( 2 ) 腔面损伤退化 腔面退化是激光二极管区别于其他电子元器件的主要失效模式。腔面退化的机理 是由于高功率半导体激光器的解理面的退化，因为局部过热从而导致的热致退化。破 坏性解理面损坏退化和解理面的化学侵蚀损坏退化是腔面损伤退化的两个表现形式 2 9 由于大功率密度的激光作用，导致近场均化性发生变化，使其变差、侵蚀、氧化 作用、介质膜的穿孔、局部热量过高和杂质污染，这些因素都会导致腔面受到损伤， 表面态相复合或者光的吸收程度增加，导致增加注入电流、增高阂值，局部过热严重， 这些将会导致理解面局部的熔融、分解，然而吸收系数又会随着温度的增加而变大， 导致了恶性的循环，最终致使腔面发生灾难性的严重损坏，进而使激光器器件完全 失效20 | 。 光化学作用导致腔面发生了氧化反应腔面的化学腐蚀损伤退化这称作化学侵蚀损 坏退化，这种退化在腔面的局部上形成了缺陷，形成缺陷的腔面的反射系数就发生了 变化，增加了非辐射复合速率，从而导致了腔面局部发热，导致激光器性能退化甚至 1 0 失效2 j 。 ( 3 ) 浪涌电流对半导体激光器的影响 据调查统计，浪涌电流击穿导致了半数以上的半导体激光器的突然损坏。这里所 说的“浪涌”是一种偶然突发的瞬时脉冲电压或者脉冲电流，发生浪涌时候的脉冲瞬 时值可达到几万伏或者几百安培，以致半导体激光器在一瞬间承受过大的电压电流导 致p n 结被击穿造成半导体激光器，在瞬时电压增大下的正向电流超过p n 结的损伤阈 值而使半导体的解理面造成损伤。即使是在非常短时间内( 仅仅只在几纳秒) ，有瞬间 超过允许通过的最大电流l 。，流经半导体激光器件，也将导致半导体激光器的破坏或 者受损。半导体激光器受到浪涌后的损伤的程度或者半导体激光器能够承受浪涌冲击 的能力口踟取决于半导体激光器自身的材料参数和器件结构。 有很多方面的原因都会造成，浪涌产生对半导体激光器所造成的影响取决于浪涌 电流、电压的强度和持续时间，强度时间不同损伤也不相同。鉴于浪涌产生造成的后 果，为避免浪涌，下面是一些常见的产生浪涌的现象、原因分析和防止浪涌产生的有 效措施u 引。 在使用半导体激光器的时候驱动直接接通和断开，其驱动电路并没有采取慢 启动保护，p n 结容易被这种过冲的驱动电流进行电击穿，导致破坏解理面或者 导致解理面遭到光损伤，因此半导体激光器的电源应采取慢启动保活措施。 半导体激光器连接时管脚与插座接触不良，会造成通断异常而产生接触过 电压浪涌。所以，为保证半导体激光器能够安全的工作，要保证半导体激光 器的管脚与管座接触良好并且可靠髓4 】。 在半导体激光器的慢启动保护电路部分，并联在激光器两端的电容过大或 电容的充电电压过高，在关闭电源瞬间，其电容瞬间放电会造成激光器过电流 过大p n 结被击穿，这种情况就会造成其解理面损坏。 半导体激光器的驱动电路一般还会有语气并联在一起的外电路，这样就容 易导致浪涌串入半导体激光器驱动电路中，造成激光器被浪涌击穿。因此应该 保证半导体激光器驱动电路不要频繁的启动与关闭。 半导体激光器驱动的电流和输出功率是可以调节，如电位器在调节过程中 接触不良，也容易产生浪涌。因此要做好电位器的检查与选择防止调节过程中 的损害。 半导体激光器的驱动电路与他自身的管脚在使用电烙铁来焊接的时，假若使 用的电烙铁质量不好造成漏电情况，产生的浪涌也会导致激光器损坏。所以焊 接的时候所使用电烙铁外壳要有相应的保护措施，并且最好当电烙铁工作到正 常温度后立即断电立即焊接。 在使用半导体激光器的时为了防止反向浪涌的产生，可以将一个普通锗晶 体二极管反向并联在半导体激光器上，这样这个二极管就可以将反向浪涌释放 出来引。 ( 4 ) 静电对半导体激光器的影响 谈到半导体激光器的损坏问题时，不仅是浪涌电流、电压可能会损伤到激光器， 大于某一强度的静电场，其所产生的静电流也会损伤p n 结将p n 结击穿。人体自身也 相当于一个储藏电荷的“电容”，当人体接触半导体激光器两端电极时，人体自身所带 的静电也会导致半导体激光器p n 结被静电击穿。因此，接触半导体激光器的工作人员 在操作激光器的时候也应该做相应的防护措施如：使用防静电工作服。且特别是在接 触半导体激光器管脚的时候手腕上应佩戴专门的手镯式接地环时，不仅如此该接地环 也应通过高阻( 1 尥) 和地相接。生产环境对激光器影响也很大，静电的产生与积累 也常伴随干燥的环境应运而生，所以所在工作环境要保持一定的湿度h 0 | 。 表2 1 半导体激光器的常见典型故障分析 序号特性变化故障分析 1能在l d 上加上正向电压但正向p n 结被浪涌或者静电损伤 电流j ，= 0 ，外部探测器也探测不 因而激光器失效；内引线脱焊 到光 2 能加上正向电流，0 很小，用 由于静电或者浪涌造成解理 面严重损伤，失去谐振腔作用， v i e w e r 观察，远场光斑变大，用 l d 变成了l e d p d 所能探测到的光功率很小 3 经多次开关驱动电路运行后，由于轻度浪涌或者静电冲 减少，输出功率也减少 击，是解理面轻度受损 1 2 第三章激光器电源的硬件设计 本章节是半导体激光器电源的硬件电路设计单元，包括：温度控制部分的硬件设 计、光功率的控制设计、单片机接口电路设计、半导体制冷器电路设计。实现了半导 体温度信号的测量、控制。光功率的采集、控制。预计系统温控效果精确到o 1 以 下，光功率稳定度优于0 5 。并通过对单片机的控制来实现。瞳钉 图3 1 系统原理框图 本设计采用性能优越并且功耗很低的8 位a v r 微处理器a t m a g e l 6 作为c p u 的主控 芯片。它是属于低功耗8 位的c m o s 微控制处理系统并且是增强型的a v rr 工s c 构造的。 由于时钟周期指令的执行时间为单时钟且由于其先进的指令集，使a t m a g e l 6 的数据吞 吐能力达到了1 翩p 舰阮，因此能够很好的解决处理速度与降低系统功耗之间的矛 盾。a v r 的内核拥有着非常丰富的指令集，通用工作寄存器3 2 个。算逻单元( a l u ) 被 直接与所有的寄存器相连接，使得每一条系统指令均可以在同一个时钟周期之内来访 问独立的两个寄存器。由于这种结构的存在大大的提高了代码效率，比一般的普通微 控制器的数据吞吐速率最高能高至十倍。a t m a g e l 6 拥有全套的程序运行与系统开发的 工具，其中包括：c 语言编译器、宏汇编、程序调试器、软件仿真器等一系列软件。其 结构框图如下所示晗0 i ： p 豳一卿p 一阳7 h p h | i 图3 2 结构框图 3 1 温度控制 半导体的温度信号是电源温度控制系统的信号源。l d 温度的精确控制取决于温度 的精确采集。温度是非电量，主要靠温度传感器来采集并转变为电子信号。本论文温 度控制系统电源控制器的重要组成部分，由热敏电阻n t c 、热沉以及t e c 制冷片组成。 在本设计中一共有两路温控，一路为泵浦系统中的l d 温控部分，另一路是激光腔 内的倍频晶体温控部分。两路温控的软硬件设计思路基本相同，只有设置的温度有些 差异。温度控制系统主要作用为在电源控制器中设置一个基准温度值，在此温度下激 1 4 光器保持稳定运转。由于l d 发射谱线语气工作温度有着直接的关系，为3 n m ，成正 比例关系变化。而常温下的激光晶体( m 3 + ：拗g ) 的吸收谱线是8 0 8 n m ，所以要对 l d 进行温度控制，使其发射谱线与激光晶体的吸收峰相重合，以达到最大利用率，减 小热效应。倍频晶体的温度控制也有着极其重要的作用。由于激光晶体在受热状态下 会进行中央向外凸的形变，这种状态被称作晶体的“热透镜效应 。热透镜效应等效于 在激光腔内插入一片凸透镜，这会直接导致输出能量的下降，稳定性的变差以及光斑 模式的变差。为了避免这种情况的发生，我们要保证激光晶体在冷态下工作以保证输 出激光的稳定性。并且在激光倍频过程中，i 类相位匹配是倍频晶体的匹配角与温度相 关，而倍频效率与匹配角相关，为了保证最大倍频效率我们需要控制温度以使匹配角 达到最优角度眺3 。 3 1 1 温度采样电路 n t c 温度传感器是一种负温度系数的传感器件，当温度升高的时候载流子的数目增 加，其阻值会随着温度升高降低。在室温下n t c 热敏电阻的阻值变化范围是1 0 0 至 1 0 0 0 0 0 0 欧姆，温度系数是一2 至一6 5 。n t c 广泛应用在温度的测量、补偿和抑制浪涌 电流等场合。 虽然负温度系数的热敏电阻实现了温度传感器的小型化，还具有温度特性波动小、 灵敏度、精度高能满足工业等一些应用的需求。但在实际的应用中，n t c 并非是一种纯 线性元件，它的电阻温度曲线是非线性的。如果想要得到很好的线性关系就要对数据 进行数值处理。如图，这个就是n t c 的测量电路乜引： v l e f v 胡c 翌j 怒 - = i 图3 3 热敏电阻的测量电路 图3 3 是一个线性化处理电路，叫做电压模式，使用固定的测量电阻r 。( 精密电 阻) 就可以实现线性化的方法。串联的测量电阻r 。的阻值由温度和热敏电阻来决定， 并且可以用下式来计算，即 如：鱼警吲笋掣 ( 3 1 ) ”。 2 月聊一( 尺弛+ r 嘶) “ 式中，r 亿是热敏电阻在使用温度下限时的阻值，r 掰是热敏电阻在使用温度上限时的 阻值，r 删是热敏电阻在使用温度范围的中间温度时候的电阻值。设计中使用的n t c 规格是1 0 3 a t 系列，温度范围是2 0 一3 0 。查表可知，r 胪r 掰、r 分别为2 0 、2 5 、3 0 时的阻值髓，分别是 r 皿= 1 2 0 9 - 硷( 2 0 ) 尺掰2 8 3 1 3 i 娩( 3 0 ) 尺2 1 0 地( 2 5 ) 代入式( 3 1 ) 中可得，月。为7 5 舰。 下面介绍几个n t c 热敏电阻的基本参数： ( 1 ) 额定零功率电阻值( r 2 5 ) 额定零功率电阻值就是使用生产时所指的n t c 热敏电阻的阻值。国标规定了额定 零功率电阻值，即热敏电阻在2 5 这个基准温度时测得的电阻值r 2 5 ，这时候的阻值 就是n t c 热敏电阻的标称电阻值3 引。 ( 2 ) 热敏指数b 值( k ) b 值是在两个特定环境温度下的值计算而来的， b ：墨l n 鲁 ( 3 2 ) 正一正r r ： 、7 其中，r 丁，：温度为互( k ) 时的零功率电阻值。 吩：温度为乏( k ) 时的零功率电阻值。 互，互：是两个被指定的温度( k ) 。 对于一般普通的n t c 热敏电阻来说，b 值范围一般在2 0 0 0 k 川0 0 0 k 之间。 ( 3 ) 耗散系数( 艿) 耗散系数的概念是：在规定的环境温度下，n t c 热敏电阻耗散系数是电阻中损耗 的功率p 变化值与电阻体自身的温度t 变化值之比乜3 。 1 6 ( 4 ) 热时间常数( f ) 、心 d = r ( 3 3 ) 热时间常数的概念是，当不存在功率损耗条件下，当温度突然发生变化时，热敏 电阻自身的温度在经过了温度变化前后之差的6 3 2 时所需的时间。热时间常数与 n t c 热敏电阻的热容量值成正比关系，而与n t c 热敏电阻的耗散系数成反比关系。 3 1 2t e c 制冷电路 c f = 一 万 ( 3 4 ) 在高温低温环境中，都会采取一定的制冷制热措施。想要将这两种功能全部实 现，就要涉及到恒温的制冷或者加热的问题。综合考虑，选取了t e c 半导体制冷片作 为温度控制的元器件之一。半导体致冷原理是，把一块n 型半导体材料和另一块p 型 半导体材料联结成为电偶对，将直流电流接通在这个电路之中，就会能产生能量的转 移，电流由n 型半导体元件流向p 型半导体元件的接头来吸收热量，成为冷端由p 型 半导体元件流向n 型半导体元件的接头释放热量，成为热端。吸热和放热能量的多少 是通过电流的大小以及半导体材料n 、p 的元件对数来决定。半导体制冷片只是一个热 传递工具，是将热端高于芯片的能量散发出去，只要冷热端的温度不同就会出现温差， 并且有晶格传递热量到热端通过散热设备将热量散发出来。热电制冷的热电效应是由 五种不同的效应组成：塞贝克效应、珀尔帖效应、汤姆逊效应、焦耳效应和傅里叶效 应9 j 。 t e c 半导体制冷片的制冷制热实现主要取决于供电电流的方向，通过改变电流方 向从而制冷或者制热。这里用m a x l 9 6 8 来进行t e c 的驱动，它是一款高集成度、高效 率的开关型t e c 制冷器驱动芯片，工作于单电源并且能提供3 a 的双极性输出电流。 t e c 的电流由外部控制电路的输出电压直接加在t e c 电流控制的输入端c t l l 上。通常 的情况下t e c + 与o s 2 相连接，t e c 一连接在o s 2 上，o s l 和o s 2 并不是功率输出端，而 是检测流过t e c 的电流，流过t e c 的电流可以由下式计算出来盥引： k 兰 1 7 ( 3 5 ) 其中，r 跚临是t e c 电流的感应电阻，见。是外部控制电路的输出电压，是参考 电压( 1 5 v ) 。一般情况下，正向电流是加热，那么则有死， 1 5 v 是加热，电流的流 动方向是从o s 2 流向o s l ，o s l 、o s 2 、c s 三个引脚之间的电压关系是：2 l ， 反之亦然同理则可以制冷n 引。 这个制冷片控制电路有很多优点，如一系列的保护和监测功能： ( 1 )限制电流作用，通过t e c 在r e f 和g n d 之间的分压电阻，能够独立限制了 流过t e c 的最大正向和反向的电流。 ( 2 )通过c s 和o s l 之间的感应电阻的电流取样，可以监测流过t e c 的电流。 ( 3 ) 模拟控制信号直接并且准确的设置t e c 制冷片的电流，消除了t e c 中的浪 涌电流，保护制冷电路。 图3 4 温度控系统的控制电路 t e c 制冷片和温度传感器n t c 在安装的时候都紧贴着l d 或者倍频晶体，这样能够 保证温度传感器采集到的是正确的l d 和倍频晶体的温度进而提高的采集和控制的精准 性和制冷的精确效果。t e c 制冷片是由m a x l 9 6 8 所控制的，该芯片用于设定和稳定t e c 制冷片的温度。每一个m a x l 9 6 8 控制输入端的电压对应一个目标温度的设定点。n t c 热敏电阻传感器用来测量、采集并反馈给单片机做处理，通过a d 、d a 转换和p