脉冲半导体激光器电源电路分析

脉冲半导体激光器具有峰值功率高、体积小等优势,已被广泛应用于激光测距、激光雷达和自由空间激光通信等领域。在激光探测和激光通信中,系统带宽、作用距离、精度、抗干扰和低功耗等性能都取决于半导体激光器发射的激光脉冲质量,而半导体激光器发射的光脉冲是由激光电源产生的电脉冲直接调制得到的,激光器产生的光脉冲特性在一定程度上依赖于脉冲驱动电源的设计,抽运电流的幅值、脉冲宽度决定了激光脉冲的峰值功率。因此,脉冲半导体激光器脉冲电源的设计是激光应用中的一项关键技术。
本文给出了脉冲半导体激光器驱动电源的等效电路,在此基础上建立了LRC回路模型,根据线性常系数二阶齐次微分方程的分析解结果,对回路主要特征参数进行了分析,获得了电流2时间曲线,并将计算结果与实验结果做了比较。
 
脉冲半导体激光器电源电路模型的建立和分析
图1、2所示分别为脉冲半导体激光器驱动电路的一般形式和相应的等效电路。其中,L为寄生电感(由于电路中有放电电容、开关元件、激光器,所以放电回路内部有寄生电感),C为储能电容,R为电路的总电阻,包括激光器等效电阻、开关元件电阻和电路串联电阻。为了减小体积,储能元件一般选电容,考虑到放电的速度,用功率MOSFET管作为开关元件。 假设开始时电容充电达到电压为V,那么电路的放电回路可以看做零输入响应的串联RLC电路。电容上的电流衰减很快,可能不到1个周期,电流就衰减到零了。但是只要电流方向改变,即出现负电流就不是我们希望得到的。电流i随时间t变化的波形如图3(b)所示。
 
根据以上的公式推导,设计了满足R>2L/C关系的电路参数,采用如图4所示的脉冲半导体激光器驱动源电路,完成了相关实验,实验结果与理论计算进行了比较。 直接调制的大电流窄脉宽驱动电源是脉冲半导体激光器获得高峰值功率输出的重要保证。建立了脉冲半导体激光器驱动电源的等效电路及其LRC回路模型,对线性常系数二阶齐次微分方程的分析解进行了分析,并与实验结果做了比较。结果显示,当电源主要参数满足R≥2L/C的关系时,可获得较为理想的非振荡放电过程,实测脉冲波形及其特性与计算结果相符合。 根据LRC回路方程建立的模型对脉冲半导体激光器的大电流窄脉宽驱动电源进行了理论分析和计算,实验得到的数据表明:当电源主要参数满足R≥L/C的关系时,可获得较为理想的非振荡放电过程。采用相应的电路参数,可得到峰值电流43A、脉宽30ns的放电波形,激光输出脉冲宽度为27ns。