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高频半导体激光电源设计及稳定性分析

本文介绍通过系统地分析影响LD稳定性的主要因素,设计计算机实时检测反馈、闭环控制、脉冲稳流的高频LD驱动电源。采用抑制浪涌,减小纹波以及加入延时和软启动电路等多项安全设计及措施确保LD工作的安全性。并且采用半导体制冷片,结合计算机实时检测电路对LD工作温度进行精确控制。初步测量得到LD激光稳定输出功率150W,温度稳定电路的控温精度达到0.2℃,激光频宽为6GHz的实验结果。

半导体激光器(LD)具有体积小、转换效率高、开关速度快、工作电源简便、价格低廉等优点,在科研、工业、医疗、军事等领域得到了广泛的应用。LD是电流驱动器件,其使用寿命、工作特性在很大程度上取决于所用驱动电源的性能好坏。驱动电源设计中存在的问题,使激光器的性能下降或造成永久性损伤。所以,设计符合LD技术要求、性能稳定、工作可靠的驱动电源是十分必要的。通常影响LD稳定性的因素包括环境温度、湿度、电源电流等。而恒温温度控制和脉冲功率驱动是影响LD稳定工作的两个最重要的物理参量。针对高频工作的半导体激光器,采用计算机控制的半导体激光器驱动电路,对半导体激光器工作状态,包括驱动电流和工作温度进行实时检测,分析了其驱动控制系统和温度控制系统中影响半导体激光器输出稳定性的相关因素,并进行进一步的改进,经实验测试,初步获得了较稳定的激光输出。

1.驱动与控制系统设计

传统的激光器驱动电源中,采用专用IC模块驱动作为开关元件MOSFET管,储能元件采用电容为主的方式。由于脉冲激光电源中的后续电流的存在,使得它极易出现浪涌现象,从而对激光器造成损害。为了提高激光器的稳定性,考虑半导体激光器的伏安特性以及驱动电流光功率特性曲线,实验设计的LD驱动电源的主要指标为:工作电压72V;最大工作电流25A;开关频率1kHz;脉冲占空比0.4%。

2.影响LD稳定性的相关因素分析

2.1 LD驱动控制系统

高功率高频半导体激光器,一般采用二维面阵结构,将多个单条激光器集成在不同衬(基)底芯片上,组成叠层半导体列阵,体积较小,发射功率较大。由于它的特殊结构以及工作电流大,体积小,散热差等特性,对驱动电源要求非常苛刻。瞬态的电流或电压尖峰等都很容易损坏激光器。因此,过电压、反向偏压和电流保护都是电源设计中很关键的因素。

驱动电路为半导体激光器提供三组直流电压:72V、12V、5V。经示波器测试验证,当5V出现断路时,由于12V的存在,集成电路MC33151P输入端悬空,出现振荡信号,会输出高电平,导致VMOS功率管导通,导通时间一旦超过400ns,就可能造成激光器损坏。另外,单稳电路也由5V供电,其宽度直接影响激光器的导通时间,因此,5V电压要有很高的稳定性,不能出现断路、纹波过大的现象。在5V输入端对地分别加高、低频去耦电容。增大72V低频滤波电容的容值。并且,系统中所用的不直接为激光器提供电流的辅助电源与为半导体激光器的提供电流的主电源的地端不进行连接,使它们相互独立,避免相互干扰。

由于半导体激光器驱动电源在没有慢启动措施的情况下接通和断开电路时,会在电路中形成一个过渡过程。在LD的开启和关断时产生的电压、电流浪涌冲击以及外界干扰产生的浪涌影响都有可能造成半导体激光器的击穿和损坏。因此,电路中设计了延时和软启动电路。延时电路是利用RC电路的充放电实现时间上的延迟。为了消除瞬间尖峰电流的影响,电路中设计了低通滤波电路,它能滤除电源在导通或工作过程中出现的高频电流成分,对电流的稳定起到重要的作用。通过以上措施,可以从根本上保证LD的安全工作。

驱动电路具体工作过程如下:开机时,先建立5V、12V直流电压,确保控制电路将VMOS功率管的栅极电位嵌位在低电平,然后建立72V,即72V上升必须相对于5V、12V滞后。关机后,因为72V容量大,不宜消失(8min后才会降到3V以下),故5V在12V消失后再撤除,即5V撤除要滞后于12V。

2.2 LD温度控制系统

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。

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,致使激光器管芯温度升高。因此必须采取合理的制冷措施和控制以维持LD在恒定温度下工作。这里采用半导体制冷器对LD进行制冷。

工作时,半导体制冷器的一端制冷,设其制冷的热量为犙犺,另一端制热,制热端与散热片连接,并采用风冷方法对散热片进行冷却,风冷带走的热量为犙犮,并且制冷片可通过改变电流方向变换制冷或制热。将热敏电阻串到一个恒流源中,对热敏电阻两端的电压采样,将温度变换为电信号,然后将其与设定的温度进行比较,偏差信号经控制调节电路处理后驱动制冷器工作,使温度稳定在设定温度附近。

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,计算得出LD温度控制系统的冷却速度和效率,开始时,半导体激光器和制冷器热端存在一定温差。系统工作一段时间后,两端的温差也逐渐减小,半导体制冷器的冷却的能量随着时间逐渐减少。图4给出了该冷却系统的制冷效率,由于制冷片两端温差逐渐变小,制冷效率由最大的98%降至74%。因此设计系统制冷效率在70%,制冷器工作在动态平衡状态,可以较好地利用冷却电源占空比的改变,精密控制系统工作点,使激光器能够较稳定地工作。

实验过程中,根据图3、图4选择最佳温度控制工作点,考虑LD温度特性和温控电路调整的难易程度等因素,测得激光器的温度浮动范围在第5期岱钦,等:高频半导体激光器的驱动设计及稳定性分析7470.2℃以内。采用多光束干涉技术,初步测量LD输出的激光频率变化为6GHz,初步实现了激光器的稳定输出的目的。

3.结论
针对高频工作的半导体激光器,采用计算机控制的半导体激光器驱动电路,分析了其驱动控制系统和温度控制系统中影响半导体激光器输出稳定性的相关因素,并逐步改进设计参数,通过实验对激光器进行了抗浪涌冲击试验,该电路在任意开、关电源附近使用都能保持良好的工作状态。初步获得了稳定输出功率150,控温精度达到0.2℃,激光频宽为6GHz的实验结果。
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