高速纳秒脉冲激光器驱动电源的设计

随着光电子信息技术的高速发展，纳秒级半导体脉冲激光器在光纤通信、光纤传感、精密加工与测距、医疗等领域中得到了广泛的应用。
目前国外对半导体激光器的电调谐和驱动电源的研究已经取得了不错的成果，在德国、英国等发达国家，半导体激光器驱动电源研制技术己经比较成熟，技术水平明显高于国内水平。脉冲宽度达到纳秒级，甚至皮秒级，但商品化的驱动产品一般都比较昂贵。因此研制出快速上升、下降时间，窄的脉冲宽度的脉冲激光器驱动电源有着重要的实际意义。
本设计旨在采用直接调制技术调制线性度好、响应时间快的半导体激光器。在电路设计中采用MOS管作为核心高速开关器件，辅以稳定可靠的外围电路，调制出上升、下降时间小于1ns，脉冲宽度小于2ns，峰值功率毫瓦级的脉冲光。
 
脉冲激光器驱动源电路设计
如图1所示，整个驱动源电路主要由1064nm半导体激光器、稳压电源、脉冲产生电路、自动温度控制（ATC）电路等四个部分组成，而脉冲产生电路是本驱动源电路的核心部分，以下分别对这几部分的设计进行阐述。 1064nm半导体激光器
激光器作为驱动电源的核心器件，其性能好坏将直接影响光脉冲信号的质量。设计中选用了Qpho－tonics的1064nm的DFB单纵模激光器，其线性度好、响应速度快、工作频率高、频带宽等优良特性是实现快速上升、下降时间，窄脉冲激光的基础。
该激光器的光谱图如以图2所示，指标参数见表1。 脉冲产生电路
激光脉冲信号应用在各个领域时，其光脉冲信号质量的好坏直接影响使用效果，而光脉冲质量取决于激光器脉冲驱动电源的质量。因此，半导体激光器脉冲产生电路的设计是驱动源电路设计的关键技术。本设计的脉冲产生电路如图3所示，电路结构上主要分为：单级差分放大器，源极跟随器，输出电流开关三部分。 自动温度控制（ATC）电路
半导体激光器的温度会因自身或环境温度的变化而变化，当温度发生变化时，会使输出光功率发生变化，同时还会影响激光器使用寿命，甚至烧坏。所以必须采用自动温度控制电路使LD芯片的工作温度保持在20°C左右，从而有利于激光器的长期稳定的工作。
 
稳压电源
稳压电源采用220V／50Hz的市电输入，三支路＋12V、-12V、＋5V输出，每支路输出电流1A的成熟AC-DC隔离式高效开关电源模块。具有电磁兼容性好，输出纹波电压低，输出电压精度高等优点，并且内置有过流过压保护，慢启动电路，输出短路保护，性能稳定。 电路板的设计
纳秒脉冲的高频特性要求元件的引线短、电路板布线紧凑，一块印刷板上应该双层敷铜铺地，同时注意利用地线线条进行隔离，直角转弯时应沿45°，把模拟电路集中于一块印刷板上或印刷板的某一个区域，模拟信号的输入、输出电缆转接头直接安装在这块板上。所有模拟电路的接地点自己连在一起，只在一点与数字电路地相连。这种方法可以大大减少其它电路对模拟电路的影响，必须采用单点接地，避免高频信号经地线传输或反射，影响电路的正常工作。
 
该驱动源电路的设计主要针对于窄脉冲的电信号的调制，使激光器输出优良的光脉冲信号，主要工作在于根据激光器特性和光脉冲指标要求，调试电路和器件的参数选择上，其指标己经达到了预期的要求。完全可以应用于激光测距、光纤传感、光通信等场合。本半导体激光器脉冲驱动电源具有结构紧凑、功能强、性价比高、可靠性和稳定度高等优点，可以提供安全和快速的LD脉冲驱动。