高稳定连续可调半导体激光电源原理及结论

在连续变量相干光系统中,相干光源是必不可少的。相干光可通过激光光源获得。与其他激光光源相比,半导体激光器具有单色性好、体积小、质量小、耗电省、结构简单、价格低等优点[1]。
其中PN结注入式半导体激光器,也称为激光二极管(LD),是目前技术最成熟的、应用最广泛的器件[2],是一种高功率密度并具有极高量子效率的器件,微小的电流变化将导致光功率输出的极大变化和器件参数(如激射波长、噪声性能、模式跳动)的变化,这些变化直接影响器件的安全工作和应用要求。目前国产驱动电源的电流稳定度一般优于10-3且较为昂贵,而在对光的相干性有较高的要求的实验中,总希望LD的驱动电源是能够长时间稳定工作的恒流源,其工作电流应当具有非常高的稳定度(至少小于10-4)和很小的波纹系数[3]。因此采用电流串联负反馈技术,自行研制高稳定、低成本的驱动电流源。 半导体激光器是温度敏感器件,环境温度的变化及激光器件工作时发热导致其温度的变化不但会引起激光功率的变化,而且会影响到其输出波长的变化,同时也是LD性能恶化、寿命减少的主要因素之一[5]。因此实用化的LD必须对温度加以控制。LD作为一种结型器件,易受过压、过流及静电损伤,因此除了高稳定的恒流源和温度控制电路外,还需要特殊的保护电路。
 
高稳定连续可调半导体激光电源系统原理
 
驱动电源的系统原理如图1所示,恒流源电路基于电流串联负反馈实现,采用电位器调节的方法实现输入电压的连续可调,最大的驱动电流可达到1A,且具有高速的过流保护功能。自动温度控制电路采用集成温度传感器AD590M,温度控制采用PI调节,通过TEC线性驱动电路驱动TEC12704型半导体制冷器进行温度控制,实现LD的恒温控制。系统采用单片机管理和控制,通过检测异常电路来控制LD保护电路,保证激光器的稳定工作和使用寿命。电源采用三位半数字电压表(DVM)显示,通过由单片机控制的4051模拟开关能提供限制电流、驱动电流、设定温度和实时温度共4个工作参数的显示,且具备工作状态的指示和过流、过压和过温报警功能。
 
本文所采用的LD驱动电源设计方案切实可行,输出电流可在0～1A范围内连续可调,驱动电流和光功率稳定性好。该电源操作简单,采用过压、过温、过流、反浪涌脉冲和继电器保护等保护电路,保证激光器的稳定工作和使用寿命。该电源已应用于连续变量相干光系统,对光的相干性有较高要求的实验,具有一定的实际意义和参考价值。