（物理电子学专业论文）窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术.pdf

硕 学位论文 窄脉冲半甘体激光糕驱动设计及频率拎制技术 ab s t r a c t wit h t h e r api dd e v e l o p ment o f s e m i c o n d u c to r l aser s ， rese a r c ho f s e mi c o n d u c t o r lase r s d ri v era l soma d e g r e a t p rog r e s s and a c h i e v e d g r e a t re s u l t s . b u t the r e s earc h and i n v e s tme n t o f s e m i c o n d u c t o r l ase r s d 朽 v e r i n o u r c o u n try i s beh i 幻 dth ati nth e o t h e r d e v e l o p e d c o u n t ri e s . thi s axti c l ei s m ai n i ymean t tos t u d yn arro wp u 1 s ese m i con d u c t o r l as e rsd ri v e r andc o n tr o l o f l ase r te m p e rature . b a se d o n t h e char a ct e ri s t i c s o f sem i con d u c t o r l a e r s ， a ma t h e m atic almo d e l o f l a se r- 面v en i s m a d e ， a fter a c o m p a r a t 1 v e ana l y s i s o f s e v e ra l l ase r- d ri v en c i r c u i t d e s i g nm eth o ds， l d e s i gne dandcom p 1 e t ed a s e m i con d u c to r l ase r d ri v e r c i r c ul t . the c i r cu i t thro u gh the c p l dth ep u l se s i gna 1 amp l i fi c at i o n t o the p a st i ctu be d ri v e n m0 s f e t， a n e rl d d i s c h a rg e c i r c u i tto st imu l at eh i gh- p e rformances em i c o n d u c t o r l ase rs . s p e c i fi c a l l y the wo rkd o neasfol l o w s : 1 ) an a l y z e do p t i c a l p o wer c 卜 盯 a c t e ri s t ic s o f t he n a rt 0 wpul s el as e r c u rren t 。 i n 一 d e pt h 咖d i ed d i ffic u l t i e s o f d e s i gni n g p u l s e l ase r d ri v e r c i rc ni t ， a n dcom p aris o n o f t hee x i 骊n g c o m mo n d ri v e c i rc 山 t d e s i gn s e v e ral adv anta g e s and d i s a d v antag e s . 2 ) fromt h e p u l se ， p u 1 s e s h api n g p o w eramp l i fi e r and l d d i s ch a r g e c i rc u i t o f th i s 山 r e e p a rtc i r c u i t d e s i 叭 下 睑 。 u gh th e c p l dp ro gr a 山 叮 l i n gt o a c h i e v e p u l s e ， b u t a l s o r e al i z e d t h eri ght i n p utfreq uen c y adju s t a b 1 e ， b 出 记 d o ns e m i con d u c to r l as e r p u l se w 又 dth o f th e narr o wan d th e c u rr e n t us e o f th e 丘 场 tu r e s ast h e l om o s f e t d i sc h 哩e c i rc u i t s wite h ， a ft e r p l as t i c s u r g ery toenarge th e pu l ses 1 g n a l t o d ri v e th e m0 s f e t， thereby r e al i z i n g th e l as e r e x c i tati o n 3 ) t hec i r c u it d e b u g g i n g s y st em. d e s i gn r e i at edt o th e pow e r c o n v e rt e r c i re u i t ， thea ct ua1 ana 1 y s i so f e x peri m e n ta i m e as u re dw a v e fo rm ， c a l c u l at eth eact u all ase r d i o d ec urre n t andp u l s e w i d th . an a l y s i s o f th e c i reu i t c apaci tan c eandi n d u c t a n c e o f the c i r c u i t ， and s o o 几and t hr o u g h th e t e 币t o ryo f p c bd e s i gn re d u c e t h e s e e ffec ts . 4 ) ana i y s i s o f te m peratu r e o n s e m i c o n d u c to r l as e r o u t p u t wa v e l e n gt h and o u tpu t p o w e r， t wo一 w a y d e s i 即t e m p e r a tu r e co n t r o l c irc u it ， l as e r s w o rktoac h i e v e t h e p reci s e t e m p e ratu r e c o n tr o l . u 1 t i m at e s u c c e s s o f th e d e s i gntom ee t th e r equ i r e m e n t s o f th e d ri v e c i r c u i t ， th e m i n im u mp u l sewidth o f upto1 0 ns ， c u rren t c anre ac h 4 0 a ， two w a y t e m p e ra t u re c o n tr o l c i r c u i t i s a l s o wo r k i n g toachie v e the l aserp r e c i s i o n te m p er a t ure c o n tr o l k e y w o rd s :n arro w p u l s e ， i as e r d io d e ， d ri v e c ir c u it ， te m p e r atu rec o n trol 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在 本学位论文中，除了加以 标注和致谢的部分外，不包含其他人己经发 表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学 历 而使用过的材料。与我一同工作的同 事对本学位论文做出的贡献均 己在论文中作 了明确的说明。 研 究 生 签 名 : 圣寸 伟 办 叮 年0) 月心日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅 或上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门 或机构送 交并授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对 于保密论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名 : 卯叶 年沙月心日 硕 : 学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术 1 绪论 随着半导体激光器的发展，半导体激光器已经渗透到许多重要的应用领域， 成为绝大多数光电子系统不可缺少的组成部分， 在得到广泛应用的同时也对激光 器的驰动以及频率的稳定提出了更高的要求“ 。 1 . 1 半导体激光器 1 . 1 . 1 半导体激光器的介绍 半导体激光器( sem i co nductorl as e r ) 又 称激光二极管( l a s erdiode) 是利用半 导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合来产生受激辐射。 半导体激光器是 以 半导体 材料为工作物质， 其中以 半导体晶体 ( 二元化合物、 三元化合物元素 ) 作 为工作 物质的半导体激光器， 如砷化稼g 几 a s ， 稼铝砷g 几 a i as， 锢稼砷磷in g aasp、 硫化锌zns和磅锡铅p b snte 等40 多种化合物，都可以实现受激辐射.输出波 长可以 从 紫 外0 3 3 尸 m ， 一 直扩展到 远 红 外34产 m ， 输出 激光可以 是 连续的 ( c w ) 、 准连续 ( q c w) 的和脉冲( p u l se ) 的。 半导体激光器按泵浦方式不同， 可以分为注入式激光器、 光泵激光器和电子 束泵浦激光器。 其中注入式激光器是利用同质结构或异质结将大量的过剩载流子 ( 电子一 空穴对) 注入激活区以 形 成集居数反 转。 这类激光器由 于容易实现受激辐 射， 且结构紧凑， 使用方便， 以及加工工艺简单成熟， 并且注入式半导体激光器 的电 源简单， 可以改变注入电 流直接调制输出， 因此它是目 前使用最为 广泛的一 种半导体激光器。 用电注入直接泵浦的方式激励的一种小型化激光器， 它具有半 导体和固态物质的共同优点。其最重要的特性是，在发射闭值以上的一段区域， 输入电流与输出功率呈线形关系。通过调节激励电流的大小来调整输出的光功 率。山于半导体激光器是一个二极管， 因此， 激励器的工作负载是二极管的伏一 安特性负载。 由于工作状态的 特殊， 要求半导体激光器的激励器的放电 特性与负 载相匹配， 即一个大电流脉冲。 设计合适的驱动电路获得理想的脉冲波形，是合 理使用激光器件， 充分发挥其性能 潜力， 提高工作效率， 改善激光系 统性能的一 个重要方面. 自从 1 9 62年出现半导体激光器以来， 人们一直在研究激励器技术， 围 绕高 速驱动、 大电 流脉冲、 小型化方向 发 展多种电 路模式。目 前的大电流脉冲 的激励器电路类型主要是高速可控硅和雪崩管作为开关电路。 硕 卜 学位论文 窄脉冲半廿体激光器驱动设计及频率控制技术 1 . 1 . 2 半导体激光器的优点 半导体激光器的 优点阁 : ( ” 半导体激光器是直 接的电子一光子 转换器， 因而它的转换效率 很高。 理论上， 半导体 激光器的内 量子效率由 于存 在某些非辐射复合损失， 其内量子效 率要低很多，但是仍然可以达到 70%以上. ( 2) 半导体激光器所覆盖的波段范围最广.可以通过选用不同的半导体激 光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分， 而得到范围很广的激射波 长以满足不同的需要。 ( 3 ) 半导体激光器的使用寿命最长。目前 用于光 纤通信的半导体激光器其 工作寿命可达到数十万乃至百万小时。 ( 4 )具有直接调制的能力。 ( 5) 半导休激光器的体积小、质量轻、价格便宜。 1 . 1 . 3 半导体激 光器的应用和发展 随着激光技术的日趋成熟和应用领域的不断拓展， 半导体激光器的应用范 围己 经覆盖了光电 子学的 诸多领域，成为当 今光电 子科学的核心技术。由于半 导体激光器具有结构简单、体积小、 寿命较长、易于调制及价格低廉等优点，半 导体激光器己经在光纤通信、光传感、光盘、 激光打印、 条形码扫描、集成光学 领域发挥着极其重要的作用， 并在测量、 自 动控制、 医 疗、 材料加工以及泵浦光 源方面有着越来越重要的应用，并广泛应用于军事领域，如激光测距、激光制导 跟踪、 激光雷达、激光引信、激光通信电源、 激光模拟武器、激光瞄准告警 、 激 光通信和激光陀螺等。目前，世界上的发达国家都非常重视大功率半导体激光 器的研制及其在工业和科技上的应用。近年来， 高功率半导体激光器阵列器件 也得到了飞速发展，已推出的产品有连续输出功率为 5 一3 o w 的激光器阵列， 脉 冲激光器和阵列也己经商品 化131 。 国外半导体激光器技术发 展较早，19 62年，美国g e ， ibm等单位最早实 现 了半导体的光受激辐射复合。 同年， 日本松下公司研制成功第一只半导体檄光器， 为半导体激光器的商品化及 其后 来产业化的 形成开辟了 道路。 七十年代 初， 国际 上实现了g aaias 、 g aas 双 异质结激光器的室 温连续运转， 这是一个历史性的突 破. 这一成果与低损耗光纤的诞 生一起开 创了 光纤通信的时 代。 至七十年代末， 基本上解决了激光器的工作寿命的问题， 解决了 半导体 激光器的横向 和侧向的模 式问 题， 研制成功了 长波长激光器. 开始了 半导体激光器 在光纤通信、 光盘存 储 等新 技术中 大量实际应用的新局面。 从八十年 代初以 来， 又取得了 一系列的重大 硕 一 学位论文 窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术 突破。其中最重要的是 d f b动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和 应变层量 子阱激光器的出 现， 大功 率激光器及其列阵的进展， 可见光 激光器的成 功， 面发射激光器的实现等。 这些成果使半导体激光器进入了越来越多的重要的 应用领域。 半导体激光泵浦的固体激光器也是当前研究的热门， 它以获得大功率甚至超 大功率固体激光器为目的，发展迅速。20 世纪80 年代初投入的开发，美国国防 部， n a s a等部门给予了重点的资助。20 世纪 80 年代中期己经陆续的产品化， 采用输出是 i w 的半导体激光泵浦的固体激光器产品已经商品化; 采用大功率泵 浦的固体激光器己经在跟踪、 制导、通信等战术军事装备上试用或实验。 近期美 国劳伦斯 里费莫尔国家实验室的半导体激光二极管泵浦的板条固体激光器， 其 平均输出功率已经超过 1 0 0 o w，泵浦光源采用的是 1 6 0 个层叠式阵列檄光器。 在国内， 包括各种激光 器的激光技 术的研究与开发取得了 明显的进步。 尤 其 对半 导体激 光器及固体激光 器的 兴趣更浓厚， 许多 国内 著名的实 验室 连续不断 地 生产 功率更大的半导体激光器并且发 展新技术 使其效率更高。 正是基于 这样一 个 大环境下， 有关半导体激光器的驰动电路的研究也是日益红火。 但是国内的驱动 电路的发展与国外还有很大的差距， 尤其在激光器集成专用芯片驱动方面几乎是 一片空白， 这就需要我们加强对 激光器驱动电 路的 研究 ll . 1 . 2 窄脉冲半导体激光器驱动的研究现状 1 . 2 . 1 激光器驱动介绍 激光器的驱动电 源是激光器 装置 的重要 组成部分。 它随 着激光器的发展而 不断完善， 激光器的泵浦方式有多种:有光激励、 放电激励、化学激励、核能激 励等。采用光激励和放电激励时，激光器必须配有一台与之相适应的供电电源。 最初出 现的 固体激光器电 源采用 直流电 源，经过限流电阻r 给储能电容器 c 充电， 即 r c 充电 方式。 这样构成的电源只能 在低重复 频率下及要求电 源充电效 率不高的 场合使用。 随着新型激光装置的不断出现， 对激光器提出了高效率、 高重复频率、 低成本和高 可靠性等诸多 要求。 为了 满足在低 频大 能量工 作下的 激光装置例如红 宝石激光 器、 钱玻璃激光器而 研制出l c 恒流充电电路。 其特点是以 恒定电 流给 储 能电 容器 充电， 即提高了充电 效率又提高了电 源的稳定性。 为了 满足高 重复频率 的 激光装置， 研制出直流lc谐 振充电 式电 源。 它有效地解决了 激光器电 源在高频 下工作的充电 效率问 题， 并克 服了 脉冲痴 灯的连通现象。 存在的主要问 题是体积 和 重量不能明 显减少， 但这种 类型的电源目前 仍广 泛使用。 为了 进一步减小体积 和 重 量 并 提 高 充 电 ， 人 们 又 把 开 关 电 源 技 术 引 入 激 光 器 电 源 中 80 钊弋 初 出 现 了 硕 卜 学位论文 窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术 用快速晶闸管作电子开关的逆变器充电电路， 它的出现解决了电源存在的体积和 重量问题。但是，晶闸管工作频率限制在10k hz以下，并且控制电路复杂里随着 电子学技术的不断进步及制造工艺的不断完善， 出现了自 行关断的功率场效应晶 体管( v m os) 和绝缘栅双极晶体管(i g bt) 。尤其是i g bt兼有v m os和大功率晶体管 的优点， 具有高速度、高可靠性、 低功耗等特点， 被逐步应用于大功率开关型激 光器电源之中。 8 0 年代后期9 0 年代初出现的i g bt大功率逆变电源， 使激光器电源 向高效率、高可靠性方面前进一大步，基本上满足了不同使用者的要求。同时， 计算机技术也进入激光器电 源中， 用微机控制的多 功能电 源也相续问 世刹 。 激光器电源中的放电电路直接影响到激光器的转换效率，因此人们不断地 研究改进放电电路， 使其更好的与放电器件的电学参数匹配。 放电电路己从最初 的电 容放电发展到单节lc放电和多节lc放电方式， 并从理论上解决了放电电路最 佳参数的设计问题。在放电电路中引入预燃电路，不仅能提高电光的转换效率， 而且能有效地抑制电源中的放电干扰问题。 激光电源的特点: ( 1)无论是固体、气体还是半导体激光器， 都有脉冲式和连续式两种类型。 (2 ) 对于负载是 气体放电 器件的 激光器电 源来讲， 它是 一个多电 源供电系 统。 除了要有一个主供电电源外， 还要有一个产生上万伏脉冲高压的触发电路以 及一预然电源。 (3 ) 对于脉冲式激光器电源， 要求整个供电系统按一定的时序进行控制。 激 光的点然、 预燃、 储能电容器的充电和放电过程必须要有严格的时间关系。 此外 电源也受到外界同步信号的控制。 (4 ) 激光器电源是一个受控供电系统， 在工作工程中， 会辐射出很强的电磁 干扰。 在高压脉冲点灯过程、 预燃放电过程及主电路放电 过程中都产生很强的电 磁辐射。 如果不抑止这些千扰，电 源往往不能正常的工作。 而且， 他们会对周围 的电子仪器产生干扰。 1 . 2 . 2 驱动的研究现状 半导体激光器是依靠激励器而工作的，其特点是通过调节激励电流的大小 来调整输出的光功率。 由 于半导体激光器实际上就是一个二极管， 因此激励器的 工作负载是二极管的伏一安特性负载。 由于工作状态的特殊， 就要求半导体激光 器的激励器具有的主要特点是: 放电系统的外特性与负载相匹配，既一个大电流 脉冲。 故设计适宜的激励器电 路获得理想的脉冲波形， 是合理使用激光器件， 充 分发挥其性能潜力， 提高工作效率，改善激光系统性能的一个重要方面刃 . 一 般 情 况 下 ， 早 要 激 光 器 选 定 后 ， 激 励 器 的 指 标 即 可 确 定 。 但 本 课 题 研 究 的 硕 卜 学位论文窄脉冲半导 体激光器驱动设计及频率 拎制技术 是工程应用问题， 只有适应了工程的需要刁 能表现出其价值。 笔者参阅了大量资 料， 现把前人在激励器方面所做的工作总结一下: 自 从出现了 半导体激光器以 来， 人们一直在研究激励器技术， 围绕着高速驱动、 大电流脉冲、 小型化方向发展出 多种电路模式。 其中有三种最典型的电路， 控硅输出激励电路、 雪崩管输出激励 电源电路和晶体管输出的激励源电路. 激光二极管的激励器的基本组成部分包括 时基电路、窄脉冲形成电路和脉冲电 流输出 放大级【” 。 1 . 3 窄脉冲激光激光器驱动的研究意义 半导体激光驱动电源简单且不需要高压、便于内调制等独特的优点，其应 用潜力很大。 但是，过去由于半导体激光器的模式不好、 寿命短、 波长长且不可 见， 因而大大地限制了它的应用范围。 随着半导体光电子器件研究于开发，目前 己 成功地研制出了可以实现单模输出， 寿命长达十万小时以 上、 工作于可见光波 段性能优越的半导体激光器， 并在美、日 等国开始大规模商业化生产。 具有如此 优越性能的半导体激光器在很大程度上弥补了过去的缺陷，应用领域迅速扩展， 在许多方面正在逐步取代h e 一 n e 激光器， 半导体激光器己广泛地应用与光纤通讯、 集成光学、 激光印刷、 激光束扫描、光盘存储技术等领域。可以预料， 在今后相 当长的一段时间内， 半导体激光器的需求数量将大幅度持续增长。 因此， 研制性 能可靠、 经济耐用的半导体激光器驱动电源具有广泛的实用价值。 笔者课题的研 究方向正 是激光目 标模拟器的激光的驱动控制部分洲 。 对窄脉冲大电流激光器驱动研究有着理论意义。笔者查阅过很多有关窄脉 冲大电 流激光 器驱动方面的文献和刊物， 发现国内 这方面的 研究与西方发达国家 之间还是有着很大的差距。 美国有些半导体激光器专业公司， 他们生产的激励器 现在都己经模块化， 且产品的可靠性和稳定性都很好。 西方发达国家每年在激光 器激励器方面投入很多人力和物力，而相比之下国内在这方面的投入是少了很 多，所以在这方面进行研究是很有必要的。 对窄脉冲大电流激光器驱动研究也有着实用意义。随着社会的进步和国民 经济的增长， 越来越多的行业需要激光器来为它们工作。 在军事方面， 激光制导、 激光武器这些都离不开激光器; 在民用方面， 很多 现在的激光测距仪、 激光钻孔 机它们也是离不开激光器的。 所以 研究并设计一个好的激光器驱动电路有着很重 要的实用意义。 顿 卜 学位论文窄脉冲半廿体激光器驱动设汁及频率押制技术 1 . 4 本论文做的主要工作 本次论文主要研究了窄脉冲激光器驱动技术，笔者参阅了大量的中外有关 窄脉冲激光器驱动技术方面的文献资料， 在分析了经典的半导体激光器驱动电路 和研究了本课题的实际要求， 提出了自己的观点和设计思路， 并设计了满足课题 要求的驱动电路。 本次课题要求设计的激光器驱动电源的指标如下: ( 1)所用的激光器的波长为( 9 05士5)腼 (2 ) 输出驱动电流) 20a ，输出的电流要求比较大。 (3 ) 输出电流的脉宽小于1 0 ns。 在本论文中笔者主要做的工作如下: ( 1)分析窄脉冲激光器的电流光功率特性， 深入研究了脉冲激光器驱动电路 设计的难点，并比较了目 前常用的几种驱动电路设计的优缺点。 ( 2)分别从脉冲的发生、 脉冲的整形功率放大以及ld放电回路这三个部分对 电路进行设计， 通过对c p ld的编程来实现脉冲的发生， 同时也实现了对输入频率 的可调， 基于半导体激光器的窄脉宽和大电流的特点采用m osf et管作为ld放电回 路的开关， 经过整形放大的脉冲信号来驱动m osf e t 管， 从而实现对激光器的激发。 (3 ) 对电路系统进行调试，解决电路中的电容、电感等等对电路的影响。 (4 ) 设计双向 温度控制电路，实现对激光器工作温度的精确控制。 硕 学位论文 窄脉冲华甘体激光器驱动设计及频率拎制社术 2 窄脉冲激光器的驱动电路设计 2 . 1 驱动电流一光功率特性 半导体激光器 ( l d)的一个重要的特性就是:在驱动电流大于闷值电流以上 的一段区域， 驱动电流与输出光功率近似呈线性关系， 这样就可通过调制驱动电 流来对ld 的输出光 进行直 接调制。某一 温度下，当驱 动电流i.j、 于阐值电 流i，h 时， 激光器输出光功率尸近似为零， 激光器输出端仅能看见微弱的光;而当驱动 电 流 大 于 阂 值 电 流i，h 时， 激 光 器 输 出 光 功 率 p 随 着 驱 动 电 流 1 的 增 加 近 似 呈 线 性上升关系。如果驱动电流是脉冲电 流，则 输出 的 激光也 一定是脉冲光侧 。 zt， 1 二 40 州】可 : 0艺 04 06 0林 0 图 2 . i l d 驱动电 流一 光功 率特性曲 线 目前半导体激光器己能在很宽的峰值波长范围内提供百余瓦的大功率光输 出，峰值电流也高达100 安培。在如此大电流 ( 功率)下运用，激光二极管仍保 持极高速响应( 响应上升时间短于ins)。上述器件还具有一个非常有用的特性， 即随输出 脉冲宽 度减小， 允许最大输出功率 增大。 例如， 表中前四种型号器件的 峰值功率数据( 表示为1 0 0)对应于16o ns脉冲宽 度; 当 脉宽减小至10 ns时， 峰值功 率增大为4 0 0 ，而脉宽增大至lms 时， 峰值功率则减小至40。由此可见， 脉冲宽度 减小， 有 利于获 得更大峰值功率。 当然， 优良 的 激光二 极管也只有与 优良 的驱动 脉冲源配合，刁 可能最大限度地发挥器件潜能。并达到最佳运用。 2 . 2 在本课题对 激光二 极管驱 动脉冲源的 性能指标 激 光 二 极 管 脉 冲 驱 动 器 的 设 计 指 标 10 *波长: ( 9 0 5 上5 )n m 倾 卜 学位论文 窄脉冲半学体激光器驱动设计及频率控制技术 *峰值脉冲电流: 20 a *半高脉冲宽度: 10 ns( 固定 *脉冲上升时间: sns *脉冲波形:极性正;钟形或近似 6 脉冲波形;基线振铃最大反峰电压小 于z v *工作方式:自振或外触发 *最高工作频率:10 khz ( 自 振) ;要 求可用t tl电 平， 甚至缓 慢上升信号 触发工作 *电源供电:外接sv和12 v 2 . 3 脉冲激光电 源设计的 技术难点 脉冲激光电源设计的技术难点在于:脉冲半导体激光器的激励闭值电流很 大， 民 e w z s 09要求的激励闰值电流为 sa。 普通的电 源不 可能 直接提供这么大的输 出电流， 必须利用能量压缩技术， 即把瞬时功率较小的能量经过一定时间 ( 相对 较长) 存储在储能元件中， 在适当时刻瞬时 ( 相对较短的时间内)放出。在脉冲 激光电源中一般使用电容作为储能元件。 另一个难点在于激光测距这一应用场合 对激光脉冲的脉宽和上升沿要求非常高， 通常在几纳秒到几十纳秒， 然而， 在实 际产生窄脉冲大电流的电路中， 脉宽和上升沿主要受开关器件速度和电路寄生参 数 ( 在大电 流情况下寄生电 感的影 响尤其严重) 的限 制。 在参 考大 量文献和资料 的 基础上， 基于理论分析和大量的反复实 验， 脉宽小 于s ns， 上升沿小于6 ns， 峰 值电 流大于 2 以的脉冲式激光电 源【 ， 。 24目 前常用的几种驱动电路 对半导体激光器驱动设计的基 本要求是: 它在低负载上能够产生 快速电 流 脉冲。其本质上是一种大电流开关电路。 目前主要有三种典型的驱动电路: ( 1) 可控硅输出激励器; ( 2) 雪崩管 输出激 励器; (3)晶 体管输出 激励 器。 以 上所介绍的 三种触发电 路各自 有自 己的 优点， 但是这三种触发电路都不 适合本课题的设计要求: ( 1)可控硅输出激励器虽 然可以 产生比 较大的电 流脉 冲， 由于 脉冲宽度是 由 可控 硅的放电 速度和储能电 容决定的， 要是 脉冲宽 度在5 0 o 5 以下还是 很有难度 的。 而且其需要高压供电，给电路的小型化带来的困难。另外，可控硅出发电路 的抗干扰能力是比较差的。 硕 1 学位论文窄 脉 冲 半 导 体 橄 光 器 驱 动 设 计 及 频 率 榨 制 技 术 (2) 雪崩管输出 激励器， 可以 获得较好的 波形， 但是 其不能 够提供大的电 流， 如果 需要大的电 流必须要把多 个雪崩管并 联使用， 这就 需要解决各个雪崩管 的同步出发和电流的等量分配的问题， 否则很容易产生双峰或者反冲， 脉冲的连 续可调是比较困难的。 而且雪崩管的驱动需要很大的电压驱动， 这与脉冲的发生 电路是弱信号电路不相匹配。 ( 3) 晶 体管输出 激励器只适用于小电流脉 冲的 应用范围。 在强电流 脉冲发 生器中 ，晶体管在开关 速度方面达不到要 求 lzj . 2 . 5 驱动电路的设计 以上是笔者经过一段时间查阅文献资料后作出的总结，通过对上述三种驱 动方式的总结，以及本课题对驱动电路的实际要求， 笔者认为以上的三种经典的 驱动电路不适合本课题的要求。笔者所设计方案的电路原理框图如图2 2 所示: 图2 . 2电路原理框图 本电路的工作原理: 可编程逻辑器件c p l d 产生频率为6 h z 、 占空比为a oo25 的时钟信号供给驱动电 路作为 周期 性脉冲触发信号， 脉冲信号经过 脉冲整形和功 率的放大， 输出的 脉冲信号作为 m o sfe t 管的 开关信号， 经过l d 放电 回路激发 高性能半导体激光器， 产生上升沿6ns， 半高 脉宽 小于10 ns， 功率在z o w左右的 光脉冲输出11 3 。 2 . 5 . 1 脉冲的发生电路 窄脉冲的发生电路主要负责产生 频率为6 k hz、 脉宽10 0 ns的时钟信号提供给 驱动电 路作为周期 性脉冲触发 信号 lj 。 分立元 件可以 很方便的 获得一定频率的时 钟信号，但要用其获得精确占空 比的 时钟信号是比较困 难的. 本设计中采用高精 度计数单元中所使用的 c pld 来控 制发 射信号，利用分 频和延迟技术获得这个 信号. c p l d 外部时钟设计为巧 0 州2 ， 对 这个时钟进行2 5 0 00分频，获 得频率为6 k hz，占 空比 5 湍的时钟 信号r lsj 。 硕 ! _ 学位论文窄脉冲半甘 体撇光倦驱动设计及频率控 制技术 分频电路用一个模为2 5 0 00的二进制计数器来实现， 其输出最高位即为分频 后的时钟。本论文采用v h dl语言对这个模2 5 0 00计数器进行描述，编译完成后生 成模块化器件存入库中 实现对输入频率的可调 以备顶层图形描述时调用。 利用对vhdl语言 的修改可以 在本论文中笔者选用的是6 k hz频率。 将这 个6 khz 的 信号做一 路 6 7n s 的 延迟阁 。 采用移位寄 存器对数 据进行多 次 锁存的方法来实现对信号的延迟，其时钟仍然由外部巧0 阳2 的系统提供.由10 个0 触发器串联构成的移位寄存器对输入信号进行1 0 个周期的延时。这样，原信 号被延迟了101 1 50几 4 石 反 二 67ns。 mixer 是自己设计的一个模块，这个模块定义为 当 输入信号a 处于高电平且输入信号b 为低电平时， 其输出信号为高电平。 将延迟 后的信号 和原信号输入m ixer，就可以得到所需频率为6 k hz、脉宽6 7 n s 的时钟信 号.其发射信号控制电路基本结构如图2 . 3 所示。 图2 . 3发射信号控制电路基本结构 2 . 52 脉冲整形及功率放大电 路 由可编程逻辑器件所产生的窄脉冲信号有一定的衰减，而且波形也不好， 尤 其上升 沿不是很好， 其脉冲的电 流 也是 很小 的， 还不能 够驱 动m o sfet管 月 。 为 了能够良 好的驱动m o s f e t 管、 形成ld放电回路， 我们需要对c p ld输出的窄脉冲信 号进行脉冲整形和功率的放大。本次电 路笔者采用的是ix d d 415 ， 该器件是一个 双c 湘5 高速高电流栅极驱动，专门用来驱动m osf et管，其器件如图2 . 4 所示。 硕 卜 学位论文窄脉冲半甘休激光卷驱动设计及频牛拎制技术 图2 . 4i x d d 4 1 5 的器件图 器件ixd d 4 巧的参数特性: .门上限保护 最高输出电流:) 2 以 工作电压:sv到30v 。上升沿和下降沿时间: 3 n s 最小 输出 脉宽 : 6 n “ 。错误工作状态下禁止输出 ，低输出阻抗 5 00、明 1 0 . d n ， a . l lj4 . 5 0v 图2 . 5上升沿时间2 . z ns 硕 了 学位论文窄脉冲半导体激光器驱 动设计 及频率 控制技术 总 口 孰升-:二;奋.宁二丫召占孟，-尸k-，二 ，:日丫，r七，.，:， - 一一一 了 、. 、 / 一 / - 、 . / 5 0口v州4_ o o f ， 弓 月 hll4 _ 三 0 图2 . 6最小的脉冲宽度 6 n s 由上面介绍的ixd d 415 的参数， 该器件是完全符合设计需要的， 该器件可以 将6v左右的脉冲信号放大为电压为12v 左右，同时对脉冲的上升沿和下降沿由很 好的调制作用，为下面的ld放电回路提供了所需要的脉冲信号。 2 . 5 . 3l d 放电回路 l o 放电回路就是ld的驱动电路，简化等效电路图如图2 . 7 所示。其中ri 为充电限流电阻， r z 为脉冲电流限流电阻， ci 为储能电容， hv为输入高压， dl 为 钳位二极管， dz为半导体激光器， k 为 控制开关.其本质是个r lc电 路ls。 。 卜 一共一 充电过程: l 竺 + 图 2 . 7驱动电 路简化模型 当把开关k 置于1 时，电源对电容器进行充电，回路方程为: 火 ( 2一 1 ) 对上式求微分得 : 。 羁十 * c 亘 + ， = 。 dl 咨dl ( 2 一 2) 放 电 过 程 : 当 电 容 器 被 充 电 到u 时 ， 将 开 关k 从1 打 到 位 置2 ， 则 电 容 器 在 闭 合 . 2 硕 卜 学位论文 宁脉冲半导体徽光器驱动设计及频率神制技术 二 三 日 一 巴 ! 厂 l i 图2 . 1 0仿真电路和结果 2 . 5 . 5实验结果 很多 元素 影响 激光发射电 路的表现， 最重要的 是分布电感， 包括放电 回路器 件引起的电感和布线带来的电感，因为分布电感的大小无法通过普通测试得到， 其数值的微弱改 变却会对最 终的 结果带来 很大的 影响。 放电回路电 感过大， 会将 脉冲电流展宽并使峰值减小。 尽可能地减小电感是实际电路装调过程中最应值得 注意的问题。 布线电感可以通过加宽布线面积的方法减小，电容两端电感比较小 ( 约znh)， 可以通过并联电容的方法进一步减小， 整个回路电感最大的是半导体 激光器的封装电感1 0 nh， 通过调整电路中其他参数如回路电容、充电电压，进行 了多次实验， 最后实际测量的结果脉冲上升沿为4 ns， 半脉宽为10ns， 激光器两端 电 压约为20. sv，与仿真结果基 本吻合2 月 。 檄光器的发射功率与其正向通过电流有关， 而且半导体激光器的电路模型比 较复 杂， 并不能 直接等效为 一个阻值一定的电阻， 因此电 流 无法通 过仪 器直接测 出或得到。 由 激光器生产厂商供给的计算公式: k= 编 “ x di/ dt( 2 一 2 4 ) 式 中 从为 激 光 器 两 端电 压 ， 丈 尹 “为 激光 器的 封 装电 感 ，di 为 通 过 激 光 器的 瞬 时 电流，dt为脉冲持 续时间。 由 ( 4 一 2 4 )式计算激光器正向通过电流 成 = 生丝一 二 l 附 2 0 ，s f x i 0 x 1 0 一 9 5 1 0 x l o 一 g h 粼2 0 . s a 硕 卜 学位论文 窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术 山图2 . 11可以拟合得到实际激光发射功率约为22. 6w。 峨卜礁眺然端仍拼跳钱 -仁.卜口u 移.，叮，璧曰.诬.乙一1.，写牙，0.j口.二 。飞艺.e之.夕吹卫二亨.-1叹月:1.1。卜 . 飞， 口 气2 . %翻 肠翻 嘴翻 书目 乍， 口 肠目 、， 少几、 0 职 图 2 . l l p g e w z s o g 输出 功率与输入正向电 流的 关系 2 . 6 本章小结 通过对半导体激光器的驱动电流与光功率的特性分析， 建立激光器驱动的数 学模型， 结合本 课题实际 所需 要的 驰动电流 特性， 分别从脉冲的产生电路、 脉冲 整形和功率放大电路、 ld放电回路这三部分从理论上设计了半导体激光器的驱动 电源， 满足了 激光器实际所需要的 脉冲宽度和驱动电流【阂。 硕 ! : 学 位 论 文 窄脉 冲 半 导 体激 光器 驱 动 设 计及 频 率控 制 技 术 4 半导体激光器的温度控制技术 4 . 1 温度对半导体激光器的 影响 半导体激光器的输出受环境温度和本身温度变化的影响非常严重。由于pn 结的内部承受着相当大的电流密度和热耗散功率密度， 不可避免地存在各种非辐 射损耗、自由载流子吸收等损耗机制， 相当一部分注入电功率将转化为热量，引 起激 光器温度升高， 从而影响其激光的 输出。 因 此， 在使用时， 特别是高 功率输 出的器件使用时，需要低温或恒温装置，以保证其输出光强、 波长等不发生显著 变化13 ， 。 4 . 1 . 1 温度对激光器输出 波长的 影响 半导体激光器在工作过程中，激光 器的 热沉表面温度将会急 剧上升，激光 器中心 波长随着温度的 升高 而漂移， 中 心波长随着 温度的 升高而变长， 随 着温度 的降低而变短。一般来说温度每变化1 波长也会相应的变化0 . 2 。 4 . 1 . 2 温度对激光器输出功率的影响 由图 2 . 1 可知: 随着温度的升高， 阐 值电 流几升高， 激光器的 特性曲 线随温 度升高向 前平移， 激光输出 功率 下降， 以至于 可能不能满足仪 器设 备正常工作的 要求; 随着温度的下降，阐值电流也下降，激光器的特性曲线随温度的下降向后 平移， 激光 输出功率上升，最终 可能因驱动电流 过大而烧毁激光器。 阐值电流与温度的关系基本上呈指数关系，可近似用以下公式表示: ith( t ) = ith。 + k e x p ( t / to)( 4 一 1 ) 式中 : 几( t ) 是 温 度r 时 的 阐 值电 流， 编 是 温 度兀 时 的 闭 值电 流 ， k 是与 激 光 器 有关 的 常 数 ， 兀是 激 光 器 室 内 调 试时 的 温 度， 一 般 在 20 一 25 之 间 取 值， r是激光器工作温度。 这些 特性，给采用半导体激光 器作为光源的 仪器设备在应用时带来了 很大 的 麻烦。为了保证激光器的稳定 输出， 笔者设 计了 一套温度控制系统【刘 。 硕 上 学位论文 窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术 4 . 2温度补偿方案的选择 为消 除环境温度变化对ld输出 特性的影响， 可以 采取两种不同的方案: ( 1) 利 用主动制冷， 如附加 冷却系 统或采 用帕尔帖( p eltier) 制冷 器以 保 持激光器结温恒定，从而排除温度变化带来的影响; ( 2) 采用电流补偿 ， 利用与激光器相近温度特性的调制电流来补偿温度变 化所带来的性能漂移。 电 流补偿的电 路设计复杂，响 应的 速度慢， 所以 笔者 选择的是前一 种温度 补偿方案，利用主 动冷却方式降 低或消除 温度变化 对激光器的影响。 4 . 3 制冷方式与器件的选择 制 冷器的 驱动性能的好坏直接关系到温 度控制的精度。通常对制冷方式的 选择是水 冷和风冷，但是这两 种方法的精度不高， 而且使用的时候很不方便。 在本 课题中 笔者所使用的是半 导体制冷 器。 4 . 3 . 1 半导体制冷器的工作原理 半导体制冷器是以帕耳帖效应为基础，当电流流过半导体制冷器时，热量 从半导体制冷器的一侧传送到另一测， 表现为一端制冷，另一端制热;如果电流 的方向反向， 则 制冷与制热的两 端也会反转. 温 度控制系统 通过对激光器的温度 监测，自 动调节流经半导体制冷器的电流大 小和方向，对激光器加热或者制冷， 从而实现对激光器的温度控制。 4 . 3 . 2 半导体制冷器 激光器工作时半 导体制冷片的 制冷效率的表 达式如下: a t 。 1 一 0 .5 1 r 一 k ( t* 一 tc ) 么 ( 4 一 2 ) 其中a、 k分别为半导体制冷 器的塞贝 克系 数、 热导系数:2 为电流;左 为 制冷器电阻;介 、tc分别为 热沉面和散热器 端面的温度. 硕 1 : 学位论文 窄脉冲半导体徽光器驱动设计及频牛控制技术 哎八亡卜曰亡八曰一匕日叹nu 4.4.3.3.2.2.li.0.0. 龟八j 2 04 06 08 01 0 0 t 店 激光器冷却能量随时间的变化图 d.| 图8482807876衬 0.0.0.0.0.0. 效率 02 04 06 08 01 0 0 t / 5 图 4 . 2半导体制 冷器制冷效率 随时间 变化图 利用 温度 传感器， 测量半导体 制冷片 两端面温度随时间的 变化， 通过代入 式( 4 一 2)， 计算得出 ld温度控制系 统的冷却速度和效率， 测试结果如图 4 . 1、 4 . 2 所示。由图 4 . 1 可以 看出，开始时， 半导体