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新型窄脉冲半导体激光器驱动电源的设计和实验

随着半导体激光器的发展,重复频率高、前沿快、脉宽窄、峰值功率高的半导体激光器在工业、军事、科研等领域获得了广泛应用,特别是在激光测距、激光雷达、激光通信等领域[1~3]。高功率半导体激光器要获得一个大能量、窄脉宽的光脉冲,就需要一个能提供良好光脉冲的种子光源,其不仅要求输出的光脉冲有高的重复频率、快的上升沿、窄的脉冲宽度、一定幅值的脉冲电流,而且输出的光脉冲的波形一定要平滑,激光输出的功率和中心波长一定要稳定。
国内现有的采用金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)作为驱动的脉冲激光驱动电源,其输出脉宽都大于15ns[4~8]。采用雪崩晶体管的窄脉冲激光驱动电源[9~12],其输出脉宽可达纳秒级,但其输出脉冲信号的前沿、脉宽、频率、峰值电流都受限于雪崩晶体管本身的参数特性,不能随意调节。本文研制的窄脉冲半导体激光器的驱动电源,针对不同的激光器,可通过改变电路中电源电压、电阻、电容参数获得不同的重复频率、前沿、脉冲宽度和脉冲峰值电流,且输出的激光脉冲波形平滑。
 
窄脉冲半导体激光器驱动电源
研制的新型窄脉冲半导体激光器驱动电源,包括驱动电路和温控电路两部分。其中驱动电路为激光器提供一个前沿快、脉宽窄、脉冲峰值电流大的脉冲信号,且平滑输出的激光脉冲波形。温控电路为激光器提供高精度的温度控制,保证激光器输出功率和中心波长的稳定。
 
应用测试
选用Bookham公司的半导体激光器接入本驱动电源中,其工作参数如表1所示。
 A-LD电光特性参数
参考此激光器的极限工作参数,实际电路选用的工作参数为:重复频率为50kHz,上升沿小于4ns,脉宽小于10ns,最大峰值电流小于2A,且输出的激光脉冲波形平滑。在半导体激光器驱动电路主回路中(图2),当选用参数V1=+36V,R2=5kΩ,C1=100pF,R3=1Ω,R4=1Ω,V2=-2V,R5=50Ω时,其电流脉冲波形和激光脉冲波形如图9所示。图中时间扫速为4ns,Ch3的电压灵敏度为100mV,Ch4的电压灵敏度为500mV。从图中可以看出,该电流脉冲的宽度约为6.1ns,峰值电流为1.7A;激光脉冲的脉宽为8.7ns,上升沿为3.8ns,且其波形是一个基本对称且非常平滑的脉冲波形。
 A-LD电流脉冲波形和激光
激光器的工作频率为50kHz,测得激光器输出的平均功率为378.2μW,其峰值功率为865.4mW,激光脉冲序列稳定度小于4%。温控精度达到了±0.1°C,保证了激光器输出功率的稳定,激光的中心波长为(1064±0.1)nm。
选用EG&G公司的半导体激光器接入本驱动电源中,其工作参数如表2所示。
A-LD电光特性参数2 
此激光器的脉冲峰值电流为60A,在半导体激光器驱动电路主回路中(图2),当选用参数V1=+495.2V,R2=3kΩ,C1=800pF,R3=1Ω,R4=0.1Ω,V2=-2.5V,R5=1Ω时,重复频率为10kHz,其电流脉冲波形和激光脉冲波形如图10所示。图中时间扫速为10ns,Ch2的电压灵敏度为1V,Ch4的电压灵敏度为200mV。从图中可以看出,该电流脉冲的宽度约为10.3ns,峰值电流为48.2A;激光脉冲的脉宽为10.4ns,上升沿为4.8ns,且其波形是一个基本对称且平滑的脉冲波形。温控精度为±0.1°C,激光中心波长稳定,为(905±0.1)nm。
 A-LD电流脉冲波形和激光脉冲波形2
结论
研制的新型窄脉冲半导体激光器驱动电源包括驱动电路和温控电路两部分。驱动电路可获得重复频率高(0~50kHz)、前沿快(2.2~4.9ns)、脉宽窄(4.6~12.1ns)、脉冲峰值电流大(0~72.2A)的脉冲信号,且激光脉冲波形对称而平滑。同时,高精度的温控电路保证了激光器输出的光功率和激光中心波长的稳定。根据各个激光器不同的参数要求,调节电路中电压V1,电容C,电阻R3的参数,可改变激光器输出激光脉冲的前沿、脉宽、脉冲峰值电流;调节电源V2,可改善输出光脉冲的波形。该激光器驱动电源不仅可作为一般高速、窄脉冲半导体激光器的驱动电源,也是大能量、窄脉宽的半导体激光器种子光源的理想驱动电源。
 
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