高频可调小型高功率半导体激光电源

引言随着半导体激光器技术的发展,脉冲半导体激光在激光通信、激光雷达成像、生物医疗、激光测距、光信息存储、全固态激光抽运源等领域得到了广泛应用[1-6]。在激光雷达等应用中,为了达到较高距离分辨率和实现远距离探测,对激光脉冲宽度(纳秒量级)和峰值功率提出了较高的要求[7-8]。而激光脉冲波形取决于激光电源驱动。
 
应用此电源实验测试了905nm半导体激光器,激光输出峰值功率高于70W以上,该电源具有脉冲宽度调节简单、仅可脉冲工作、可有效保护脉冲激光器安全的特点,同时具有结构紧凑、体积小、造价低、工作稳定可靠的优点。
 
1激光器电源结构设计
本文中设计的激光器电源结构示意图如图1所示,包括TTL触发信号产生电路、窄脉冲产生电路、MOSFET驱动电路、LD驱动电路、匹配电路以及各路直流电源。 1.1窄脉冲产生电路
采用高速与非门74AC11000构成的积分型单稳态触发器产生窄脉冲,电路原理图如图2所示。通过软件MULTISIM仿真在带宽200MHz,采样率为2GHz的TDS2024示波器上得到纳秒级窄脉冲,调节可变电阻R的阻值可以调节脉冲宽度。该电路具有较陡的上升沿和下降沿,仿真宽度最窄可以达到5ns以下。 1.2MOSFET驱动电路设计
为了简化驱动电路,采用高速MOSFET驱动器DEIC420来驱动场效应管。驱动器可提供20A的峰值电流,最窄驱动脉宽8ns,具有较陡的上升时间和下降时间。驱动信号的宽度取决于窄脉冲产生电路的宽度。驱动电路的原理如图3所示,由于MOSEFET驱动器工作频率很高,增益很大,为了电路正常工作,避免产生振荡,必须给供电电源退耦。如图3所示,电源供电采用两端完全对称的方式,两侧分别由不同容值的退耦电容器以降低电源高低频的阻抗。为了将分布电感的影响降至最小,在PCB布线时应注意避免走长线、环路等。
 
1.3激光器的驱动
激光器驱动电路主要由开关器件场效应管(IPP50CN10N)、充电电阻、充放电电容、半导体激光器、保护电路等组成,电路模型如图4所示。电路暂不考虑分布电感及分布电容的影响,高压通过充电电阻R1向电容C充电。 2电源测试实验结果
2.1窄脉冲产生电路测试结果
实验中输入的4个与非门连接电路如图2所示，在工作电压为5V的情况下，通过宽带为100MHz，采样率为1GHz的示波器观察波形。 2.2MOSFET驱动器测试波形
 
实验中，MOSFET驱动器工作在12V的电源电压下即可正常驱动场效应管，通过调试匹配，电路课正常工作，在场效应管的栅源之间的驱动信号如图。
 
2.3电源驱动激光器的测试结果
 
实验中采用波长为905nm的半导体激光器，调节HV的大小使激光器的工作在极限参数以内，通过示波器观察激光器两端的电压，如图。 结论
研究并设计了纳秒级大功率半导体激光器驱动电源，脉冲宽度在5-500ns范围内可调，脉冲上升时间2.8ns，下降时间3.8ns。脉冲宽度5.2ns。电源驱动电流可达80A，可以驱动100W以上激光器，同时电源具有体积小、重量轻、造价低的优点，可以广泛应用在激光雷达、激光测距、生物医疗等领域。