新型窄脉冲半导体激光电源电路设计

窄脉冲半导体激光器驱动电源中驱动电路的框图如图1所示,首先由振荡器产生一个频率可调的方波(0～50kHz),通过整形电路得到一定脉宽的晶体管晶体管逻辑电路(TTL)脉冲信号。此TTL脉冲信号经高速MOSFET驱动芯片转换为互补金属氧化物半导体(CMOS)电平脉冲信号,为高速MOSFET提供快速上升沿、足够驱动电流的栅极驱动信号。储能电容为激光二极管(LD)提供稳定的电源电压,偏置电流可平滑输出的激光脉冲波形,防止LD被反向电压损坏。LD驱动电路主回路如图2所示。 高速CMOS电平触发脉冲经电阻R1后输入到MOSFETQ的栅极。当MOSFETQ的栅极端为低电平时,MOSFETQ截止;V1通过电阻R2,电容C,电阻R3,二极管D1和地回路为电容C充电,最大充电电平为+V1。当MOSFETQ的栅极端有正脉冲输入时,MOSFETQ导通,电容C上储存的电荷通过MOSFETQ、地、电阻R4、LD和电阻R3回路迅速释放,在LD两端产生一个快速的电压跳变,在电荷释放的瞬间,LD受激输出脉冲激光。 电容C为放电回路提供稳定的工作电压,使其不受外部电源波动的影响,提高了输出脉冲的稳定度。电阻R4为电流采样电阻,采样放电回路中的脉冲电流,以监测激光器是否在安全的电流范围内工作。二极管D1为快响应二极管以快速释放激光器处的反向电压,保护激光器不被反向电压损坏。电源V2通过电阻R5为LD提供所需的偏置电流Ib,以平滑激光器输出的光脉冲波形。 为保证激光脉冲的前沿、脉宽、电流达到要求,必须选用开关速度快、内阻小的MOSFET。现选用的MOSFET(DE275)内阻小:RDS(on)=0.5Ω,开关速度快:Ton=2ns,Toff=5ns;电流ID最大为16A,电压VDSS最高为500V。改变驱动电路主回路中V1,C和R3的值,可改变脉冲的峰值电流(Ip)、前沿(Tf)、脉宽(Ipw);且改变任一参数,脉冲的峰值电流、前沿、脉宽都会有所改变。调节V2,可改变偏置电流Ib的值,以平滑激光脉冲波形。 由于输出的激光脉冲是一个快速、窄脉冲信号,电流脉冲从零上升的时间到激光开始发光的时间之间有延时。在产生激光脉冲时,开始会出现瞬态过激,然后又出现弛豫振荡,结果输出的激光脉冲波形不太理想,如图6中的激光脉冲波形。为了给后续的激光放大提供波形好的激光脉冲,需要对此激光脉冲进行优化。在激光驱动电路主回路中叠加一个直流偏置电流Ib,偏置电流值Ib根据激光器的阈值电流Ith的值选取。加上直流偏置后,产生的激光脉冲就没有了明显的瞬态过激和弛豫振荡,变得很平滑,如图7所示。 温控电路
半导体激光器随着温度的变化,其输出的功率和中心波长都会随之飘移。为保证激光器输出功率和中心波长的稳定,要对激光器进行温度控制[13,14]。比例积分微分(PID)控制是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制。PID温控电路结构简单、稳定性好、工作可靠,可快速、平稳、准确地获得满意的温控效果,其电路框图如图8所示,电源通过精密电压参考芯片,产生一个可靠的基准电压,保证其不受外部电源扰动的影响,提高了抗干扰能力和温控的精度。通过4个精密电阻的分压,为LD设定工作时所需的标准温度(如25°C)。 比较器比较,设定温度值和激光器工作时温度传感器测得的实际温度值,输出信号到PID控制电路。PID的运放都选用低噪声、低飘移的精密运算放大器,降低了回路的噪声,提高了温控的精度。PID输出信号控制2个三极管的导通或截止,通过半导体制冷器(TEC)实现对激光器的制冷或加热,最终实现对激光器的温度控制,控温精度达±0.1°C。