基于数字集成电路的半导体激光器电源的设计

由于具有体积小、重量轻等特点，半导体激光器( L D)在信息、通讯、医疗等领域得到日益广泛的应用，且与电子器件结合实现单片光电子集成。但是L D容易受到过电压、电流或静电荷的冲击而损坏[1,2]，其电源的研究愈来愈受到人们的重视。若电源输出电压或电流波形质量不高，又缺乏有效保护，将导致激光器性能下降或造成损坏，因此要设计性能优良的电源来保证LD安全稳定地工作。
 
半导体激光器LD工作影响因素
半导体激光器的核心是P N结一旦被击穿或谐振腔面部分遭到破坏，则无法产生非平衡载流子和辐射复合，视其破坏程度而表现为激光器输出降低或失效。
造成L D损坏的原因主要为腔面污染和浪涌击穿。腔面污染可通过净化工作环境来解决，而更多的损坏缘于浪涌击穿。浪涌会产生半导体激光器P N结损伤或击穿，其产生原因是多方面的，包括：①电源开关瞬间电流；②电网中其它用电装备起停机；③雷电；④强的静电场等。实际工作环境下的高压、静电、浪涌冲击等因素将造成L D的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。
 
系统设计
系统框图见图1。主要由以下几部分构成。 供电电源：实现系统供电电压(交流220V)与系统工作电压之间的转换。并采用滤波技术，使得半导体激光器工作的电压纹波很小，保证半导体激光器的正常工作。
智能控制：主要由C P U来完成。L D电源工作在恒流模式下，设定电流后，CPU根据传感器采样的电流信号值，经过一定的算法后将输出电压经过运放电路送到激光器驱动芯片的反馈引脚，进行自动调节以达到设定的电流输出，实现激光器的智能化。
保护电路：半导体激光器驱动系统必须配备保护电路。保护电路将减小L D实际运用中受到的外界影响，增强了系统的可靠性。这部分主要包括过温保护、过流保护、浪涌保护等电路。 硬件电路
设计电源在连续模式下输出电流0～1.5A连续可调，具有很高的电流稳定度和很小的纹波系数，满足中小功率LD所要求的分辨率、稳定性和噪声性能。
 
软件设计
软件采用C51编写程序，包括主程序和中断响应程序部分。
主程序主要是实现软启动、慢关机和控制发火。在系统启动时，初始化系统后进入人机对话界面，扫描是否有按键按下，若有则调用按键处理程序，操作者可通过键盘设定输出电流输出电压基准值，同时显示，以便确认。开始工作，通过缓慢增加电压的方式来实现系统的软启动，保护L D。正常工作时，硬件电路中采样电流信号，从数模转换电路出来的信号经过采样电阻，得到相应的电压信号，传给单片机，送出显示。若出现电流波动情况则进行PID控制，其中采用了中值与均值复合滤波方法处理。系统对D/A输出信号调整，进而调整输出电流。主程序中的循环部分不断探测LD的工作电流、工作温度和发射功率，并显示出来以便查看。如果出现故障，中断信号送入单片机端口(分别相应过压、过流、突然断电情况)，系统分别调用中断程序实现对系统的快速保护。主要控制功能均利用中断实现，保证系统响应的实时性。最后当操作者按下按键关闭设备时，系统调用慢关闭程序，安全地停止工作。
 
测试结果
根据设计制作了数字式电源，连接现有的实验室用的半导体激光器，进行性能测试。
结语
所设计的数字式半导体激光器电源，采用集成电路C8051F020为核心，编程实现数字滤波及防浪涌等智能功能。