现代半导体激光器驱动与控制技术讲座

现代半导体激光器驱动与控制技术讲座第一页，共三十三页，编辑于2023年，星期三以半导体激光器件为核心的新型激光器是现在及未来激光器发展的主方向；“更快、更高、更强”也是半导体激光器本身向着KW以上功率等级发展的真实写照；半导体激光器已经在医疗、工业、军事、科研等四大核心领域获得广发应用，是未来的行业技术发展方向；KW级半导体激光器应用市场需求旺盛，2014年将突破88亿美元，复合年增长率为9％；国内偏重光学系统研究，驱动与控制技术限制了应用的深入开展；国外技术配套更加均衡；背景概要第二页，共三十三页，编辑于2023年，星期三认识一下半导体激光器；半导体激光器所需要的驱动需求。半导体激光器的精密温度控制需求；将应用与驱动、控制技术有机结合，将赋予半导体激光器强大的生命力；激光器驱动与控制的最新研究动向；内容概要第三页，共三十三页，编辑于2023年，星期三认识半导体激光器—基本结构PN结高功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器具有体积小、重量轻、光电转换效率高、性能稳定、可靠性高、寿命长等优点，已经成为光电行业中最有发展前途的产品，被广泛应用于工业、军事、医疗和直接材料处理等领域。组成大功率半导体激光器的基本单元是单发射腔或单阵列（单阵列由多个单发射腔线性排列而成）。图1、图2分别是单发射腔半导体激光器和单阵列半导体激光器的发光示意图。图1单发射腔半导体激光器图2单阵列半导体激光器第四页，共三十三页，编辑于2023年，星期三认识半导体激光器—长大后我就成了你对于半导体激光器而言，输出功率、转换效率和可靠性是描述器件性能的三个主要参数。增加输出功率主要有两种方式：1、改进芯片生长技术，增加单发射腔半导体激光器的输出功率。2、提阵列高半导体激光器发光单元的个数，从而提高输出功率。为进一步提高光输出功率，可以采用多种封装技术，其中包括多单管模组、水平叠阵、垂直叠阵、面阵。随着芯片制备技术的成熟、成本的降低以及性能的提高，半导体激光器出现了新的发展趋势，主要有高输出功率、高亮度、无铟化封装、窄光谱和低“smile”效应。第五页，共三十三页，编辑于2023年，星期三认识半导体激光器—长大后我就成了你第六页，共三十三页，编辑于2023年，星期三认识半导体激光器—增加输出功率的限制单发射腔：最大光输出功率受限于灾难性光学腔面损伤（COMD）或ThermalRollover现象，COMD的主要原因是由于光吸收和非辐射复合导致的腔面过热而使腔毁坏。ThermalRollover现象是由于产生的热量高于制冷装置能够冷却的热量，通常此时在腔内将累积大量热量，使腔内的温度显著上升。应尽量降低器件的热阻。随着COMD和ThermalRollover现象的改善，输出功率5～8W、波长808nm和输出功率8～12W、波长9xxnm，发光区宽度分别为200μm和100μm的单发射腔半导体激光器，已获得广泛应用。第七页，共三十三页，编辑于2023年，星期三认识半导体激光器—增加输出功率的限制第八页，共三十三页，编辑于2023年，星期三半导体激光器所需要的驱动需求典型的PUI曲线—典型的低压大电流特性第九页，共三十三页，编辑于2023年，星期三LD巴条驱动的特殊性—

电流品质的要求：同样参数名称VS.不同的含义与要求LD巴条是对驱动电流与工作温度都非常敏感的器件；纹波电流的风吹草动会引起激光功率的波澜壮阔；激发激光之后，电流变化率就是内部热量的变化率，纹波电流将直接导致PN结微结构的热伸缩应力；LD巴条驱动，不再是传统的电压品质，而是直接的严格回路电流限制；LD巴条驱动的纹波电流，不再是传统的RMS值，而是实时测量的峰峰值；第十页，共三十三页，编辑于2023年，星期三驱动的特殊性—电流调节快慢要与巴条封装相匹配LD巴条的工作模式分成三大类：CW（连续模式），QCW（准连续模式），Pulse（脉冲模式）；目前使用最广泛的大功率半导体激光器以CW和QCW模式为主；电流变化率就是内部热功率变化率；电流调节导致的内部热量累积一定要与具体封装的热传导率相匹配、与热弛豫时间常数相匹配；电流调节不仅仅是快慢的问题，而是要考虑调解率的稳定，或者说电流变化的线性度，还有电流上升与下降的斜率一致性，功率越大，线性度与对称性要求越高；第十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期三安全限制电流的控制品质决定了LD的在线可靠性（电流过冲、过调制、电缆虚接、ESD防护等）；电压、电流、功率、温度的联合安全限制；完备的安全防护技术，是区别与普通电源的特色之一；驱动的特殊性—驱动的同时完成保护第十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期三半导体激光器的精密温度控制需求TEC温控驱动模式会影响到温控精度，与制冷功率等参数；TEC阵列方式驱动，按实际热量分布，匹配制冷功率，“按需分配取代平均主义”模拟-数字混合PID控制算法，模拟要精度，数字要速度；-Point技术采用特殊的散热结构，结合精密TEC温控驱动与控制算法，对LD模块的出光进行精细的中心波长校准，协调LD驱动电流进行电流-温度联合驱控，最终使得多个模块的输出功率与中心波长进入设计偏差允许范围之内。第十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期三微通道

与复合水路设计颗粒度、离子浓度；水压与流量;不同部件的优化温度不同；多回路，多温区；第十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期三应用与驱动、控制技术有机结合第十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期三第十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期三第十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期三第十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期三第十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期三第二十页，共三十三页，编辑于2023年，星期三第二十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期三第二十二页，共三十三页，编辑于2023年，星期三3KW激光照片第二十三页，共三十三页，编辑于2023年，星期三激光器驱动与控制的最新研究动向1、超紧凑、高效率300A及以上高纯净恒流源的研制与工艺实现，满足更大功率与电流的发展，为高端工业和航天等特殊需求做好技术储备。2、全数字幅度、相位、光功率复合脉冲调制算法与实现，满足工业加工中多光源合束、高功率合成等应用中需要同时调节激光功率与中心波长的需求；3、基于传导散热的新一代巴条精密温控技术与系统实现，满足超紧凑，高功率密度激光器设计；4、复杂材料的优化加工曲线的获取与联合闭环控制技术，满足工业自动化、精密加工等需求；5、新一代光纤激光器的复杂阵列驱动与电流源相控调制技术，满足对电流阵列复杂控制的需求。第二十四页，共三十三页，编辑于2023年，星期三核心技术的突破与创新在“驱动赋予生命&控制输入灵魂”的工作中，核心技术的突破与创新，集中体现在三大方面：1、高品质大电流驱动；2、高精密温度控制；3、复合调制与加工曲线控制；第二十五页，共三十三页，编辑于2023年，星期三能量微通道的一举多得全功率范围内的高效率变换；可以一劳永逸的任意拼接成更大功率的系统；全数字化控制，系统冗余设计，提高可靠性；合理分配相位，实现更加理想的纹波电流；第二十六页，共三十三页，编辑于2023年，星期三局部供电结构解决300A电流输送远端PFC高压控制箱与激光头电流源模组的连接示意更大功率的激光头与电流源模组连接示意第二十七页，共三十三页，编辑于2023年，星期三大功率巴条的发展，让温控超越“热不死”行业内对于单体功率的疯狂追求，单巴条300A已经商品化，单巴500A已经开发成功！谁先解决了未来超级电流驱动与精密温控问题，谁就掌控了未来半导体激光器应用与转化的先机。LD巴条固有的波长/温度系数将是新兴激光器设计中的一个新增的调制对象，即波长微调制；驱动电流与温度进行二维调节调节可以构造中心波长环境适应性更强的激光器系统；直接激光功率调制也是未来发展的方向之一；通过合作，在温控与调制技术方面为我国的大功率半导体激光器营造一个可控的持续性发展的技术支撑；第二十八页，共三十三页，编辑于2023年，星期三驱动与温控具备独立调制能力，

----是复杂控制的基础LD偏置电流LD调幅脉冲LD数字TTL调制信号LD模拟幅度调制信号独立的TTL调制只能构造等副脉冲；独立的模拟调制，只能产生连续幅度变化；电调制的二元联合：TTL-模拟联合调制可以构造变幅脉冲；电调制-温度调制联合：构造二维调制；电调制-温度调制-功率调制联合：构造三维调制；复杂的调制模式，才能应对日益复杂的激光器应用环境；第二十九页，共三十三页，编辑于2023年，星期三开关控制，只能满足低端、小功率应用；不是做不了，而是工业应用环境不成熟激光器/头的复杂控制一直是我们的弱项第三十页，共三十三页，编辑于2023年，星期三一个工业大功率激光头内部含有大量的温度、湿度、压力、功率、电压、电流、开关状态等传感器；国外的简化标准设计也要比想像的复杂第三十一页，共三十三页，编辑于2023年，星期三加工方式（焊接、切割、熔覆等）不同，加工对象不同（材料、形状）、工作环境等因素的不同，对控制器及其内部算法都提出了很高的要求；治疗的人种不同，部位不同，治疗的方式不同等因素，对于医疗的治疗曲线，要求具备很高、高灵活的临床在编程能力，同时还要具备友好的人机界面；大功率半导体激光的控制，核心要解决电流、温度的精确调节，