高精度和高稳定性半导体激光器恒流驱动电源原理

半导体激光器（激光二极管）具有单色性好、波长覆盖宽、激励方式安全、功耗小等优点，广泛用于远距离通信、光学精密测量、激光泵浦、医学诊断等领域。半导体激光器依靠载流子注入方式工作，注入电流的微小变化会导致输出模式的跳变、激射波长的显著红移以及输出光功率的改变等［１－４］。半导体激光器多采用恒流驱动模式工作，电流长期稳定度通常作为衡量恒流电源的性能指标［５－６］，希望其越小越好。
在原子物理、非线性光学等领域，单频、窄线宽、波长可调谐的外腔半导体激光器产品［７－９］使用较为广泛，外腔半导体激光器是在激光二极管的尾纤部分做腔镜形成外腔。目前，优立光太、瓦科光电的外腔半导体激光器以稳定可靠、调谐范围大、性价比高等特点优于国内其他同类产品。Ｔｈｏｒｌａｂｓ公司的ＬＤＣ２０２Ｃ型激光二极管电流控制器输出０～±２００ｍＡ可调，其精度为０．０５ｍＡ，２４ｈ稳定度小于３μＡ，但这种高端半导体激光器电源相当昂贵。半导体激光器是结型器件，电源电路中的瞬态电流尖峰、超出允许的驱动电流等会影响激光二极管的使用寿命［１０－１１］。因此，对半导体激光器恒流驱动电源的研究持续不断［１２－１３］。
 
本文在常温条件下，考虑了对半导体激光器的各种安全防护，利用常用电子元件制作了一种具有高精度、输出范围可调的高稳定性半导体激光器恒流驱动电源，该电源输出电流的长期稳定度高，可用于外腔半导体激光器驱动，具有较高的实用价值。
 
恒流驱动电源系统
本文研制的半导体激光器恒流驱动电源主要由场效应管和运算放大器组成的恒流控制电路、过流保护电路、电源慢启动电路、基准电压电路以及启停控制电路等构成，系统组成框图如图１所示。 图１中，场效应管及运放组成的恒流控制电路为该电源系统的核心部分，提供稳定可调谐的恒定电流输出。基准电压电路为恒流控制电路提供非常精准的调谐电压，保证输出电流精度更高。过流保护电路使半导体激光器的工作电流不超过用户设定的电流值。为防止开机瞬间的浪涌信号对半导体激光器的损坏，系统中设置了电源慢启动电路。启停控制电路可根据用户需要在不影响系统其他部分工作的情况下，只对激光管进行必要的快速断电保护。