窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术_甜梦文库
窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术
倾 ｝ 学位论 文宁脉冲半甘体激 光器驱动 哎汁旋频牛控制技术摘 要 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　随 着半 导体激光 器的迅速 发展，半导体激 光器的驱动研究也有 了很大的进 　　　　 步， 取得了很 大的成果， 但是国内在这方面的研 究投入和国外发达国家之间还是 有着一 定的差距 的． 本文主要 　　　　是对窄脉冲半导体激光器驱动以及激 光器温度控制的研究 ． 通过对 半导体激光器特性 的分析， 建立了激光器驱动的数学模型 ， 在比较 分析了几种激 光器驱动 电路 的设计方法后， 设计并完成 了一套半导体激光器 的驱动 电路 。 电 该 路通过对 Ｃ Ｌ Ｐ Ｄ产生 的脉冲信号的整形放大来驱动 ＭＯ Ｆ Ｔ管 ，经过 Ｌ 放电 ＳＥ Ｄ 回路激发高性能半导体激光器。 具体所做 　　　　 的工作如下： （ 分析窄脉冲激光器的电流光功率特性 ， 　　　　 ） １ 深入研究了脉冲 激 光器驱动 电路 设计 的难点 ，并 比较 了目前常用的几种驱动 电路设计的优缺点。 （ 分别从脉冲 的发生、脉冲的整形功率放大 以及Ｌ放电回路这只个部 分对 　　　　 ） ２ Ｄ 电路进 行设计 ， 通过对ＣＬ 的编程来实现脉冲的发生，同时也实现 了对输 入频率 尸 Ｄ 的可调， 基于半导 体激光器的窄脉宽和大电流 的特点采用ＭＳＥ管作为Ｌ放电回 ＯＦＴ Ｄ 路的开关 ， 经过整形放大的脉冲信号来驱动ＭＳ Ｔ 从而实现对激光器的激 发。 ＯＦ 管， Ｅ （ 对 电路 　　　　 系统进行调试。设计相关的电源转换电路，分析实验中实际测得 ） ３ 的波形，计算 出半导体激光器实际的工作 电流和脉冲宽度 。分析 电路中的电容 、 电感等等对 电路的影响，并通过Ｐ 版 图的设计减 小这些影响 。 Ｂ Ｃ （ 分析温 　　　　 度对半导体激光器输 出波长和输 出功率的影响，设计出双向温度 ４ ） 控制电路，实现对 激光器工作温度的精确控制。 最终成 功设计 了满足要求的驱动 电路，脉冲 宽度最 小可达 １ｎ，电流可以 　　　　 ０ｓ 达到 ４Ａ，双 向温度控制 电路也实现对激光器工作温度的精确控制。 ０关键词：窄脉冲、半导体激光器、 驱动电路、 温度控制硕｝ 学位论文窄脉冲 半甘体激光糕驱动 设计及频率拎制技术Ａｂ ｔａ ｔ ｓｒ ｃ Ｗｉ ｔｅＰ ｄｄｖｌ ｍｅ ｏ ｓｍｃ ｄｃ 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半导体激光器是以 半导体 材料为工作物质， 其中以 半导体晶体 二元化合物、 （ 三元化合物元素 作 ） 为工作 物质的半导体激光器， 如砷化稼Ｇ Ａ， 几ｓ 稼铝砷Ｇ Ａ ， 几 Ｉ 锢稼砷磷Ｉ ａ ｓ、 ｓ Ａ ｎ ＡＰ Ｇ硫化锌 ＺＳ和磅锡铅 ＰｓＴ 等 ４ 多种化合物，都可以实现受激辐射．输出波 ｎ ｂ ｅ ０ ｎ长可以 紫 ３ 尸 ， 直扩展到 红 ４产 ， 激光可以 连续的 Ｃ ） 从 外０ ３ ｍ 一 远 外３ ｍ 输出 是 （ｗ 、 准连续 Ｑ Ｗ） （Ｃ 的和脉冲（ ｌ） ｐ ｓ 的。 ｕ ｅ半导体激光器按泵浦方式不同， 　　　　 可以分为注入式激光器、 光泵激光器和电子 束泵浦激光器。 其中注入式激光器是利用同质结构或异质结将大量的过剩载流子（ 电子一 空穴对） 注入激活区以 成集居数反 这类激光器由 形 转。 于容易实现受激辐 射， 且结构紧凑， 使用方便， 以及加工工艺简单成熟， 并且注入式半导体激光器 的电 源简单， 可以改变注入电 流直接调制输出， 因此它是目 前使用最为 广泛的一 种半导体激光器。 用电注入直接泵浦的方式激励的一种小型化激光器， 它具有半导体和固态物质的共同优点。其最重要的特性是，在发射闭值以上的一段区域， 输入电流与输出功率呈线形关系。通过调节激励电流的大小来调整输出的光功 率。山于半导体激光器是一个二极管， 因此， 激励器的工作负载是二极管的伏一安特性负载。 由于工作状态的 特殊， 要求半导体激光器的激励器的放电 特性与负 载相匹配， 即一个大电流脉冲。 设计合适的驱动电路获得理想的脉冲波形，是合 理使用激光器件， 充分发挥其性能 潜力， 提高工作效率， 改善激光系 统性能的一 个重要方面． 自从 １６ 年出现半导体激光器以来， ９ ２ 人们一直在研究激励器技术，围 速驱动、 流脉冲、 绕高 大电 小型化方向 展多种电 发 路模式。目 前的大电流脉冲的激励器电路类型主要是高速可控硅和雪崩管作为开关电路。硕卜 学位论文窄脉冲半廿体激光器驱动 设计及频率控 制技术１１２ ．． 半导体激光器 的优 点半导体激光器的 　　　　 优点阁 ： （ 半导体激光器是直 　　　　 ” 接的电子一光子 转换器， 因而它的转换效率 很高。 理论上， 半导体 激光器的内 量子效率由 在某些非辐射复合损失， 于存 其内量子效率要低 很多，但 是仍然可以达到 ７％以上 ． ０ （ 半导体激 光器所覆盖的波段范围最广．可以通过选用不 同的半导体激 　　　　 ） ２ 光器有源材 料或 改变多元化合物 半导体各组元 的组分 ， 而得到范围很广的激射波 长 以满足不同的需要。（） 　　　　 ３ 半导体激光器的使用寿命最长。目前 用于光 纤通信的半导体激光器其工作寿命可达到数十万乃至百万小时。 （ ）具有直接调制的能力。 　　　　　　 ４ （ 半导休激光器 的体积小 、质量轻 、价格便 宜。 　　　　　　 ） ５１１３ ． 半导体激 ． 光器的应用和发展随着激光技术的 日趋成 熟和应 用领域的不断拓展， 半导体激光器 的应 用范 　　　　围己 经覆盖了光电 子学的 诸多领域， 成为当 今光电 子科学的核心技术。由于半导体激光器具有结构简单、体积 小、 寿命较长、易于调制及价 格低廉等优点 ，半 导体激光器 己经在光纤通信、光传感 、光盘 、 光打 印、 激 条形码扫描 、集成光学领域发挥着极其重要的作用， 并在测量、 动控制、 疗、 自 医 材料加工以及泵浦光源方面有着越来越重要 的应用，并广泛应用于军事领域，如激 光测距、激光制导 跟 踪、 光雷达 、激光 引信、激光通信 电源 、 光模拟武器、激光瞄准告警 、 激 激 激 光 通信和激光陀螺等 。目前 ， 世 界上 的发达 国家都非常重视大功 率半导体激光 器 的研 制及其在工业和科技上 的应用 。近 年来 ， 高功率半导体激 光器阵列器件 也得到了飞速 发展 ，已推 出的产品有连续输出功率为 ５ Ｏ 的激光器 阵列 ， 一３Ｗ 脉冲激光器和阵列也己经商品 ３ 化１ １ 。 国外半导体激光器技术发 　　　　 展较早，１ 年，美国Ｇ ， Ｍ等单位最早实 ９ ２ ６ ＥＩ Ｂ 现了半导体的光受激辐射复合。 同年， 日本松下公司研制成功第一只半导体檄光器 ，为半导体激光器的商品化及 其后 来产业化的 形成开辟了 道路。 七十年代 初， 国际 上实现了Ｇ ＩｓＧ ｓ 异质结激光器的室 Ａ ａＡ 、 ａ 双 Ａ 温连续运转， 这是一个历史性的突 破． 这一成果与低损耗光纤的诞 生一起开 创了 光纤通信的时 代。 至七十年代末， 基本上解决了激光器的工作寿命的问题， 解决了 半导体 激光器的横向 和侧向的模 式问 研制成功了 题， 长波长激光器． 开始了 半导体激光器 在光纤通信、 光盘存 储 等新 技术中 大量实际应用的新局面。 从八十年 代初以 又取得了 来， 一系列的重大硕｝ 一 学位论文窄脉冲 半导体激 光器驱动 设计及频 率控制技术突破。其中最重 要的是 Ｄ Ｂ动态单纵模激光器 的研制成功和 实用 化，量子阱和 Ｆ应变层量 子阱激光器的出 大功 现， 率激光器及其列阵的进展， 可见光 激光器的成功， 面发射激光器的实现等。 这些成果使半导体激光器进入 了越来越 多的重要的 应用领域。 半导体激光 　　　　 泵浦 的固体激光器也是 当前研 究的热 门， 以获得 大功率 甚至超 它 大功率固体激光 器为 目的，发展迅速。２ 世纪 ８ 年代 初投 入的开发，美 国国防 ０ ０ 部， Ａ Ａ等部 门给予 了重 点的资助。２ 世纪 ８ 年代 中期 己经陆续 的产 品化 ， Ｎ Ｓ ０ ０ 采用输 出是 Ｉ 的半导体激光泵浦的固体激光器产品 已经商品化 ； Ｗ 采用大功 率泵 浦 的固体激光器 己经 在跟踪、 导、通信等战术军事装 备上试用或 实验 。 期美 制 近 国劳伦斯 ? 里费莫尔国家实验室的半导体激光二极管泵浦的板条固体激光器， 其 平均输 出功率 已经超 过 １０ Ｗ，泵浦光源采用的是 １０ ０Ｏ ６ 个层叠式 阵列檄光器 。在国内， 　　　　 包括各种激光 器的激光技 术的研究与开发取得了 明显的进步。 其 尤 对半 导体激 光器及固体激光 器的 兴趣更浓厚， 国内 许多 著名的实 验室 连续不断 地 生产 功率更大的半导体激光器并且发 展新技术 使其效率更高。 正是基于 这样一 个大环境下 ， 有关半 导体激 光器 的驰动电路的研究也是 日益红火 。 是国内的驱动 但 电路的发展与国外还有很大的差距 ， 尤其在激光器集成 专用 芯片驱动方面几 乎是一片空白， 这就需要我们加强对 激光器驱动电 路的 研究 ． ’ ｌ１２ ． 窄脉冲半导体激光器 驱动 的研究现状 １２１ ．． 激光器驱动介绍激光器的驱动电 　　　　 源是激光器 装置 的重要 组成部分。 它随 着激光器的发展而不断完善， 光器 的泵浦方式有多种：有光激励 、 电激励 、化学激励、核 能激 激 放 励等。采用光激励和放 电激励时，激光器必须配有 一台与之相适应的供 电电源 。最初出 固体激光器电 现的 源采用 直流电 源，经过限流电阻Ｒ 给储能电容器 充电， Ｃ 即 Ｃ 方式。 Ｒ充电 这样构成的电源只能 在低重复 频率下及要求电 源充电效 率不高的场合使用。 随着 新型激光装置的不断 出现， 对激 光器提出了高效率、 高重 复频 率、低成本和高 可靠性等诸多 要求。 满足在低 为了 频大 能量工 作下的 激光装置例如红 宝石激光 钱玻璃激光器而 器、 研制出Ｌ Ｃ 恒流充电电路。 其特点是以 恒定电 流给 储 能电 充电， 容器 即提高了充电 效率又提高了电 源的稳定性。 满足高 为了 重复频率 的 激光装置， 研制出直流Ｌ谐 ｃ 振充电 源。 式电 它有效地解决了 激光器电 源在高频 下工作的充电 效率问 并克 题， 服了 脉冲痴 灯的连通现象。 存在的主要问 题是体积 和 重量不能明 显减少， 但这种 类型的电源目前 泛使用。 进一步减小体积 仍广 为了和 量 提 充 ，们 把 关 源 术 入 光 电 中８ 初 现 重 并 高 电 人 又 开 电 技 引 激 器 源 ? 钊弋 出 了 ０硕卜 学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术用快速晶闸管作电子开关的逆变器充电电路， 它的出现解决了电源存在的体积和 重量问题。但是，晶闸管工作频率限制在１ｋ 以下，并且控制电路复杂里随着 ０Ｈ ｚ 电子学技术的不断进步及制造工艺的不断完善， 出现了自 行关断的功率场效应晶体管（ Ｏ ） ｖＳ 和绝缘栅双极晶体管（ Ｂ ） Ｍ Ｉ Ｔ 。尤其是ＩＢ兼有ｖＯ和大功率晶体管 Ｇ Ｇ Ｔ Ｍ Ｓ 的优点， 具有高速度、高可靠性、 低功耗等特点， 被逐步应用于大功率开关型激光器电源之中。 ０ ８年代后期９年代初出现的ＩＢ大功率逆变电源， ０ Ｇ Ｔ 使激光器电源向高效率、高可靠性方面前进一大步，基本上满足了不同使用者的要求。同时， 计算机技术也进入激光器电 源中， 用微机控制的多 功能电 源也相续问 刹 世「 。 激光器电源中的放电电路直接影响到激光器的转换效率，因此人们不断地 　　　　 研究改进放电电路， 使其更好的与放电器件的电学参数匹配。 放电电路己从最初 的电 容放电发展到单节Ｌ放电和多节Ｌ放电方式， ｃ ｃ 并从理论上解决了放电电路最佳参数的设计问题。在放电电路中引入预燃电路，不仅能提高电光的转换效率，而且能有效地抑制电源中的放电干扰问题。 激光电源的特点： 　　　　 （ 无论是固体、气体还是半导体激光器， 　　　　 ） １ 都有脉冲式和连续式两种类型。 ２ （ 对于负载是 　　　　 ） 气体放电 器件的 激光器电 源来讲， 一个多电 它是 源供电系统。 除了要有一个主供电电源外， 还要有一个产生上万伏脉冲高压的触发电路以及一预然电源。３ （ 对于脉冲式激光器电源， 　　　　 ） 要求整个供电系统按一定的时序进行控制。 激 光的点然、 预燃、 储能电容器的充电和放电过程必须要有严格的时间关系。 此外电源也受到外界同步信号的控制。 ４ （ 激光器电源是一个受控供电系统， 　　　　 ） 在工作工程中， 会辐射出很强的电磁干扰。 在高压脉冲点灯过程、 预燃放电过程及主电路放电 过程中都产生很强的电 磁辐射。 如果不抑止这些千扰，电 源往往不能正常的工作。 而且， 他们会对周围的电子仪器产生干扰。１２２ ．． 驱动的研究现状 半导体激光器是依靠激励器而工作的，其特点是通过调节激励电流的大小 　　　　 来调整输出的光功率。 于半导体激光器实际上就是一个二极管， 由 因此激励器的 工作负载是二极管的伏一安特性负载。 由于工作状态的特殊， 就要求半导体激光 器的激励器具有的主要特点是： 放电系统的外特性与负载相匹配，既一个大电流 脉冲。 故设计适宜的激励器电 路获得理想的脉冲波形， 是合理使用激光器件， 充分发挥其性能潜力， 提高工作效率，改善激光系统性能的一个重要方面‘ 刃 ．一情 下 要光选 后激 器 指 即确 。本 题 究 　　　　 早 激 器 定 ， 励 的 标 可 定 但 课 研 的 般 况 ，硕卜 学位论文窄脉冲半导 体激光器驱动设计及频率 拎制技术是工程应用问题， 只有适应了工程的需要刁 表现出其价值。 能 笔者参阅了大量资料， 现把前人在激励器方面所做的工作总结一下： 从出现了 自 半导体激光器以 来，人们一直在研究激励器技术， 围绕着高速驱动、 大电流脉冲、 小型化方向发展出多种电路模式。 其中有三种最典型的电路， 控硅输出激励电路、 雪崩管输出激励 电源电路和晶体管输出的激励源电路． 激光二极管的激励器的基本组成部分包括 时基电路、窄脉冲形成电路和脉冲电 流输出 放大级【 ” 。 １ 窄脉冲激光激光器驱动的研究意义 ． ３半导体激光驱动电源简单且不需要高压、便于内调制等独特的优点，其应 　　　　 用潜力很大。 但是，过去由于半导体激光器的模式不好、 寿命短、 波长长且不可 见， 因而大大地限制了它的应用范围。 随着半导体光电子器件研究于开发，目前己 成功地研制出了可以实现单模输出， 寿命长达十万小时以 工作于可见光波 上、段性能优越的半导体激光器， 并在美、日 等国开始大规模商业化生产。 具有如此 优越性能的半导体激光器在很大程度上弥补了过去的缺陷，应用领域迅速扩展，在许多方面正在逐步取代Ｈ一ｅ ｅＮ激光器， 半导体激光器己广泛地应用与光纤通讯、 集成光学、 激光印刷、 激光束扫描、光盘存储技术等领域。可以预料， 在今后相 当长的一段时间内， 半导体激光器的需求数量将大幅度持续增长。 因此， 研制性 能可靠、 经济耐用的半导体激光器驱动电源具有广泛的实用价值。 笔者课题的研 究方向正 是激光目 标模拟器的激光的驱动控制部分洲 。 对窄脉冲大电流激光器驱动研究有着理论意义。笔者查阅过很多有关窄脉 　　　　 冲大电 流激光 器驱动方面的文献和刊物， 发现国内 这方面的 研究与西方发达国家 之间还是有着很大的差距。 美国有些半导体激光器专业公司， 他们生产的激励器 现在都己经模块化， 且产品的可靠性和稳定性都很好。 西方发达国家每年在激光器激励器方面投入很多人力和物力，而相比之下国内在这方面的投入是少了很 多，所以在这方面进行研究是很有必要的。 对窄脉冲大电流激光器驱动研究也有着实用意义。随着社会的进步和国民 　　　　经济的增长， 越来越多的行业需要激光器来为它们工作。 在军事方面， 激光制导、 激光武器这些都离不开激光器； 在民用方面， 现在的激光测距仪、 很多 激光钻孔 机它们也是离不开激光器的。 研究并设计一个好的激光器驱动电路有着很重 所以要的实用意义。顿卜 学位论文窄脉冲半廿体激光器驱动 设汁及频率押制技术１４ ． 本论文做的主要工作 本次论文主要研究了窄脉冲激光器驱动技术，笔者参阅了大量的中外有关 　　　　 窄脉冲激光器驱动技术方面的文献资料， 在分析了经典的半导体激光器驱动电路 和研究了本课题的实际要求， 提出了自己的观点和设计思路， 并设计了满足课题要求的驱动电路。本次课题要求设计的激光器驱动电源的指标如下： 　　　　 （ 所用的激光器的波长为（ 士５腼 　　　　 ） １ ９ ） ５ ０２ （ 输出驱动电流） Ａ 　　　　 ） ０ ２ ，输出的电流要求比较大。３ （ 输出电流的脉宽小于１ｎ。 　　　　 ） ０ ｓ 在本论文中笔者主要做的工作如下： 　　　　（ 分析窄脉冲激光器的电流光功率特性， 　　　　 ） １ 深入研究了脉冲激光器驱动电路设计的难点，并比较了目 前常用的几种驱动电路设计的优缺点。 （ 分别从脉冲的发生、 　　　　 ） ２ 脉冲的整形功率放大以及Ｌ放电回路这三个部分对 Ｄ 电路进行设计， 通过对ＣＬ的编程来实现脉冲的发生， Ｐ Ｄ 同时也实现了对输入频率的可调， 基于半导体激光器的窄脉宽和大电流的特点采用Ｍ Ｆ 管作为Ｌ放电回 Ｓ Ｔ Ｏ Ｅ Ｄ路的开关， 经过整形放大的脉冲信号来驱动Ｍ ＦＴ 从而实现对激光器的激发。 ｓ ｏ Ｅ管，３ （ 对电路系统进行调试，解决电路中的电容、电感等等对电路的影响。 　　　　 ）４ （ 设计双向 　　　　 温度控制电路，实现对激光器工作温度的精确控制。 ）硕｝ 学位论文窄脉冲华 甘体激光器驱动 设计及频率拎制社 术２ 窄脉冲激光器的驱动电路设计２１ ． 驱动 电流一光功率特性 半导体激光器 （Ｄ的一个重要的特性就是：在 驱动电流大于闷值电流以上 　　　　 Ｌ ） 的一段区域， 驱动 电流与输 出光功率近似呈线性关系 ， 这样 就可通 过调制驱动 电流来对Ｌ 的输出光 Ｄ 进行直 接调制。某一 温度下，当驱 动电流Ｉ、 Ｊ ． 于阐值电 Ｉ 流， ｈ时， 激光器输出光功率尸近 似为零， 光器输出端仅能看 见微 弱的光；而当驱动 激电 大 阂 电 ， 激 器 出 功 ｐ 着 动 流 的 加 似 线 流 于 值 流Ｉ ｈ 时， 光 输 光 率 随 驱 电 １ 增 近 呈性上升关系。如果驱动电流是脉冲电 流，则 输出 激光也 的 一定是脉冲光侧 。ｔ １ ０ Ｚ， 二 ４ ℃ 州】可 ：０艺 ０４ ０６ ０林 ０图 ． Ｌ驱动电 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ２Ｉ Ｄ 流一 率特性曲 光功 线目前半导体激光器 己能在很宽的峰值波 长范围内提供百余瓦的大功率 光输 　　　　 出，峰值 电流也 高达 １０ ０ 安培 。在如此大电流 （ 功率 ）下运用，激光二极管仍保 持极高速 响应 （ 响应上升时间短于Ｉｓ。上述器件还具有一个非常有用的特性 ， ｎ）即随输出 脉冲宽 度减小， 允许最大输出功率 增大。 例如， 表中前四种型号器件的 峰值功率数据（ 表示为１ 对应于１Ｏ 脉冲宽 当 ０ ） ０ ６ｎ ｓ 度； 脉宽减小至１ 时， ０ ｓ ｎ 峰值功率增大为４０ ０ ，而脉宽增 大至 ｌｓ 峰值功率则减 小至４ 。由此 可见 ， 冲宽度 ｍ 时， ０ 脉减小， 利于获 有 得更大峰值功率。 当然， 良 激光二 优 的 极管也只有与 良 优 的驱动脉冲源配 合，刁可 能最大 限度地发挥器件 潜能。并达 到最佳运 用。 ‘２２ ． 在本课题对 激光二 极管驱 动脉冲源的 性能指标激 二 管 冲 动 的 计 标１ 光 极 脉 驱 器 设 指 ‘ ］ ０＊ 波长： （０ 上５ ｍ ９５ ）ｎ倾卜 学位论文窄脉冲 半学体激光器驱动设计及频率控制技 术＊峰值 脉冲 电流： ＞ Ａ ０ ２ ＊半高脉冲宽度： １ ｎ （ ０ ｓ 固定》 ＊脉冲上升时间： ｓｎ ｓ ＊脉冲波形：极性 正；钟形或近似 ６ 脉冲波形 ；基线振铃最大反峰 电压小于Ｚ Ｖ＊工作方式： 自振或外触发＊最高工作频率：＜１ Ｋｚ自 ；要 　　　　 ０ Ｈ （ 振） 求可用Ｔ 电 Ｌ Ｔ 平， 甚至缓 慢上升信号触发工作 ＊电源 供电：外接ｓ和１ Ｖ ｖ ２２ 脉冲激光电 ． ３ 源设计的 技术难点脉冲激光 　　　　 电源设计 的技术难点在于：脉冲半导体激光器 的激励 闭值 电流很大， ＥＺ０要求的激励闰值电流为 。 民 ＷＳ ９ Ａ Ｓ 普通的电 源不 可能 直接提供这么大的输出电流， 必须利用 能量压 缩技术 ， 即把瞬时功率较小的能量经过一定时 间 （ 相对 较长 ） 存储 在储能元件中 ， 在适 当时刻瞬时 （ 相对较短的时间内）放出。在脉冲 激光电源 中一般使 用电容作为储能元件 。 另一个难点在于激 光测距这一应用场 合 对激光脉冲 的脉宽和上升沿要求非常高 ， 通常在几纳秒到几十纳秒 ， 而， 实 然 在 际产生窄脉冲 大电流的电路中， 脉宽和上升沿主要受开关器件速度和 电路 寄生参数（ 在大电 流情况下寄生电 感的影 响尤其严重） 制。 考大 的限 在参 量文献和资料 的 基础上， 基于理论分析和大量的反复实 脉宽小 ｎ， 验， 于ｓ 上升沿小于６ ， ｓ ｓ ｎ 峰 值电 流大于 以的脉冲式激光电 ， ２ 源【。 ’ ］２４目 前常用 的几种驱动 电路对半导体激光器驱动设计的基 　　　　 本要求是： 它在低负载上能够产生 快速 电 流脉冲。其本质上是一种大 电流开关电路。 目前主要有三种典 型的驱动电路 ： （ 可控硅输 出激励器； （ 雪崩管 　　　　 ） １ ） ２输出激 励器； （）晶 ３ 体管输出 器。 激励 以 　　　　 三种触发电 上所介绍的 路各自 自 优点， 有 己的 但是这三种触发电路都不适合本课题的设计要求 ：（ 可控硅输出激励器虽 　　　　　　 ） １ 然可以 产生比 较大的电 流脉 冲， 脉冲宽度是 由于 由 硅的放电 可控 速度和储能电 容决定的， 脉冲宽 要是 度在５ｏ以下还是 ０５ 很有难度的。 而且其 需要高压供电，给电路 的小型化带来的困难。另外 ，可控硅 出发电路 的抗干扰能力是 比较 差的。硕１ 学位论文窄脉冲半导体橄光器驱动设计及频率榨制技术２ 雪崩管输出 （） 　　　　　　 激励器， 可以 获得较好的 波形， 但是 其不能 够提供大的电 流， 需要大的电 如果 流必须要把多 个雪崩管并 联使用， 需要解决各个雪崩管 这就的 同步 出发和电流的等量 分配的 问题， 否则很容 易产生双峰或者反冲 ， 脉冲 的连 续可调是比较困难的。 而且雪崩管 的驱动需要很大的电压驱动 ， 与脉 冲的发生 这 电路 是弱信号电路不相匹配。（ 晶 　　　　　　 激励器只适用于小电流脉 ） ３ 体管输出 冲的 应用范围。 在强电流 脉冲发 生器中 ，晶体管在开关 速度方面达不到要 ｌ 求‘． Ｊ ｚ２５ ． 驱动 电路 的设计 以上是笔者经过 一段 时间查阅文献资料后作出的总结，通过对 上述三 种驱 　　　　 动方式的总结，以及本课题对驱动 电路 的实际要求， 者认 为以上的三种 经典的 笔 驱动 电路不适合本课题 的要求。笔者所设计方案的电路原理框 图如图２ 所示： ２图２２ 电路原理框图 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ． 本电路的工作原理 ： 　　　　 可编程逻辑器件Ｃ Ｌ 产生频率为６ ｚ 占空 比为ａ ２ ＰＤ Ｈ、 ｏ５的时钟信号供给驱动电 路作为 周期 性脉冲触发信号， 脉冲信号经过 脉冲整形和功 率的放大， 输出的 脉冲信号作为 Ｏ Ｅ管的 Ｍ ｓ Ｔ 开关信号， Ｆ 经过Ｌ 放电 Ｄ 回路激发 高性能半导体激光器， 产生上升沿＜ｎ， 脉宽 ６ｓ 半高 小于１ ， ０ 功率在ＺＷ左右的 ｓ ｎ Ｏ 光脉冲输出１。 １ ］ ３２５ １ ．． 脉冲的发生 电路窄脉冲的发生电路主要负责产生 　　　　 频率为６Ｈ、 Ｋ 脉宽１ ｎ的时钟信号提供给 ｚ ０ｓ ０ 驱动电 路作为周期 性脉冲触发 信号ｌ 〔。 Ｊ ’ 分立元 　　　　 很方便的 件可以 获得一定频率的时 钟信号，但要用其获得精确占空 比的 时钟信号是比较困 难的． 本设计中采用高精 度计数单元中所使用的 ＰＤ Ｃ 来控 Ｌ 制发 射信号，利用分 频和延迟技术获得这个 信号． ＰＤ ＣＬ外部时钟设计为巧 州２ ０ ， 对 这个时钟进行２ ０分频，获 ５ ０ 得频率为６Ｈ，占 Ｋ ｚ 空比 湍的时钟 ５ 信号ｒ。 ｊ ｓ ｌ硕 ！ ＿ 学位论文窄脉冲半甘 体撇光倦驱动设计及频率控 制技术分频电路用一个模为２０ 的二进制计数器来实现， 　　　　 ５０ 其输出最高位即为分频 后的时钟。本论文采用ｖＤ语言对这个模２０ 计数器进行描述，编译完成后生 Ｈ Ｌ ５０ 成模块化器件存入库中 以备顶层图形描述时调用。 利用对ＶＤ语言 ＨＬ 的修改可以 实现对输入频率的可调 在本论文中笔者选用的是６Ｈ频率。 Ｋ ｚ将这 Ｋｚ 信号做一 ６ ｓ 延迟「。 　　　　 的 个６ Ｈ 路７的 ｎ 阁 采用移位寄 存器对数 据进行多 次锁存的方法来实现对信号的延迟，其时钟仍然由外部巧０ 的系统提供．由１ 阳２ ０个０ 触发器串联构成的移位寄存器对输入信号进行１个周期的延时。这样，原信 ０ 号被延迟了１１５几 反 ６ｎ 。 ｘｒ ０ １ ４ 二 ｓ ｍｅ 是自己设计的一个模块，这个模块定义为 ０ 石 ７ ｉ当 输入信号ａ 处于高电平且输入信号ｂ 为低电平时， 其输出信号为高电平。 将延迟 后的信号 和原信号输入ｍ ｅ，就可以得到所需频率为６Ｈ、脉宽６ｎ的时钟信 ｘ ｉｒ Ｋ ｚ ７ｓ号．其发射信号控制电路基本结构如图２３ ．所示。图２３发射信号控制电路基本结构 ．２５２ ． 脉冲整形及功率放大电 路由可编程逻辑器件所产生的窄脉冲信号有一定的衰减，而且波形也不好， 　　　　尤 其上升 沿不是很好， 其脉冲的电 也是 的， 流 很小 还不能 动ＭｓＥ管 ’ 为 够驱 ｏ Ｔ ‘。 Ｆ 月了能够良 好的驱动ＭＳＥ管、 ＯＦＴ 形成Ｌ放电回路， Ｄ 我们需要对ＣＬ输出的窄脉冲信 Ｐ Ｄ号进行脉冲整形和功率的放大。本次电 路笔者采用的是Ｉ Ｄ ５ 该器件是一个 ｘ ４， Ｄ１双Ｃ 高速高电流栅极驱动，专门用来驱动Ｍ Ｆ 管，其器件如图２４ 湘５ ｓＴ ｏＥ ．所示。硕卜 学位论文窄脉冲半甘休激光卷驱动 设计及频牛拎制技术图２４ＩＤ４５ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ． ＸＤ１的器件图器件ＩＤ４ ｘ Ｄ巧的参数特性：．门上限保护 ?最高输出电流：）以 ２?工作电压：Ｓ到３Ｖ Ｖ ０ 。上升沿和下降沿时间：＜ｎ ３ｓ? 输出 ： ｎ 最小 脉宽 ６“。错误工作状态下禁止输出，低输出阻抗５ ００、明 １ ． ｎ Ａ 〔ｌ ０Ｄ ， ．ｌＪ４５ ．０Ｖ图２５上升沿时间２Ｚ ． ．ｎ ｓ硕｝ 了 学位论文口窄脉冲半导体激光器驱 动设计 及频率 控制技术， ： 日 丫 ?，ｒ 七 ，．，：总孰 升｝－…； 奋． 宁 二： 二、．、?丫 召－ ―一一￣￣一 了… ，孟 ，－ 尸ｋ －? －｝ ， ，二 占＼ ‘／ ／＼ ‘ 一 －、／ ? 　　　　 ．州 ４＿ Ｏ， 月 〔 Ｏｆ 弓 ｈｌ ｌ ４三 ＿０５ ０口Ｖ图２６最小的脉冲宽度 ＜ｎ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ． ６ｓ 由上面介绍的Ｉ Ｄ 的参数， 　　　　 ｘＤ４５ １ 该器件是完全符合设计需要的， 该器件可以 将６左右的脉冲信号放大为电压为１Ｖ ｖ ２ 左右，同时对脉冲的上升沿和下降沿由很 好的调制作用，为下面的Ｌ放电回路提供了所需要的脉冲信号。 Ｄ ２５３Ｌ 放电回路 ．． Ｄ Ｌ 放电回路就是 Ｌ 的驱动电路，简化等效电路图如图２７ Ｏ Ｄ ． 所示。其中 Ｒ Ｉ为充电限流电阻， Ｚ Ｒ 为脉冲电流限流电阻， 为储能电容， 为输入高压， Ｉ Ｃ Ｖ Ｈ ｌ Ｄ 为 钳位二极管， 为半导体激光器， Ｋ 控制开关．其本质是个Ｒ 电 ｌ。 Ｚ Ｄ 为 Ｃ Ｌ 路［ ］ ｓ。 一共 ￣ 一 卜 ‘图． 　　　　　　　　　　　　 ２７驱动电 路简化模型置于 １ 时，电源对电容器进行充电，回路方程为： 充电过程：当把开关 ＫＬ＋ 　　 竺火对上式求微分得（ １ ２一 ）： ＊亘 ， 。 ｃ＋。 羁十 ＝ｌ ｄ咨 　　　　 ｌ ｄ（ 一 ２ ２）放 过 ： 电 器 充 到Ｕ ， 开 从１ 到 置２ 则 容 在 合 电 程 当 容 被 电 时＼ 关Ｋ 打 位 ， 电 器 闭 将． 　　　　　　　　　　　　　 ２
硕 卜 学位论文宁脉冲半导体徽光器驱动设计及频率神制技术二日 三一巴 ！ 厂 ｌ 　　 ｉ 　　　　　　图２ １ 仿真 电路和结果 ．０ ２ ５５实验 结果 ．．很多 　　　　 激光发射电 元素 影响 路的表现， 最重要的 是分布电感， 包括放电 回路器件 引起的电感和 布线带来的电感 ，因 为分布 电感的大小无法通过 普通测试得 到，其数值的微弱改 变却会对最 终的 结果带来 很大的 影响。 放电回路电 感过大， 会将脉冲电流展宽并使峰值减小。 尽可 能地减小 电感是实际电路装 调过程中最应 值得 注意的问题。 布线 电感可 以通过加宽布线面积 的方法减小，电容 两端 电感比较 小 （ ｎＨ ， 以通过并联 电容的方法进一步减 小， 约Ｚ） 可 整个 回路电感 最大 的是半 导体 激 光器的封装电感１ｎ ， ０ 通过调整 电路 中其他参数如回路电容、充电电压，进行 Ｈ 了 多次实验， 最后实际测量的结果脉冲上升沿 为４ ， ｓ ｎ 半脉 宽为１ｎ， 光器 两端 ０ｓ 激电 压约为２． ，与仿真结果基 ０Ｓ Ｖ 本吻合〔。 ２ 月檄光器的发射功率与其正向通过 电流有 关， 　　　　 而且半导体激 光器的电路模型 比较复 并不能 杂， 直接等效为 一个阻值一定的电阻， 因此电 无法通 流 过仪 器直接测出或得到 。由 　　　　 激光器生产厂商供给的计算公式： Ｋ＝ “ ｉ ｄ 　　　　ｄ／ 编 ｘ ｔ 电流，ｄ为脉冲持 ｔ 续时间。由 （一４ 　　　　）式计算激光器正向通 过电流 ４２ Ｆ ５ Ｓ 成 生丝一２ ， ｘＩｘ０９ 粼 ２０．Ａ ＝ 二０Ｓ ０ １一 Ｌ 　　　　 　　 ｏ Ｈ 附 １ｘ 一 ０ ｌｇ（一４ ２２）式 从为 光 两 压 丈 激光 封 感 ｉ 通 激 器的 时 中 激 器 端电 ， 尹 “为 器的 装电 ，ｄ 过 光 为 瞬硕卜 学位论文窄脉冲 半导体激光器驱动 设计及频率控制技术山图２１可 以拟合得到实际激光发射功率约 为２． 。 ． ２ ６ ｗ。￡ 飞 艺 ． Ｅ 之 ． ‘ ． 夕 吹 ‘ 卫 二 亨 ．－ １ 叹 月 ： ‘ １． １。 卜 二　 　 　 　 　 　移 ．￣ ，叮 ‘ ， 璧 曰． 诬 ． 乙一 １． ‘，　‘ 仁　 ． 　－峨 卜 礁 眺 然　卜口 　Ｕ 　 　‘‘ ‘ 写　端　 　 　牙 ， ０　仍　 　 　 　‘． Ｊ‘ 口．　 　拼 跳 钱． 飞 ，气 口 ２％ ． 翻肠 翻嘴 翻书 目乍 ，肠 口 目、 ， 少几 、职‘ ０图 ． Ｐ Ｅ ＺＯ ２ ｌ Ｇ Ｗ Ｓｇ 功率与输入正向电 ｌ 输出 流的 关系２６ ． 本章小结 通过对 半导体激光器 的驱动 电流与光功率 的特 性分析， 　　　　 建立激 光器驱动 的数学模型， 结合本 课题实际 所需 要的 驰动电流 特性， 分别从脉冲的产生电路、 脉冲整 形和功率放大电路、 放 电回路这三部分从理 论上设计了半导体激光器的驱动 Ｄ Ｌ电源， 满足了 激光器实际所需要的 脉冲宽度和驱动电流【 阂。
硕 ！ 位论文 ： 学窄脉 冲 半 导 体激 光器 驱 动 设 计及 频 率控 制 技 术４ 半导体激光器的温度控制技术４１ ．温度对半导体激光器的 影响半导体激 　　　　 光器的输 出受环境温度和本身温度变化 的影响非常严 重。由于Ｐ Ｎ 结的内部承 受着相当大的电流密度和热耗散功率密度， 不可避免地存在 各种非辐 射损耗 、自由载流子吸收等损耗机 制， 当一部分注入 电功率将转化为热量 ，引 相起激 光器温度升高， 从而影响其激光的 输出。 此， 因 在使用时， 特别是高 功率输出的器件使 用时，需要低温或恒温装置 ，以保证其输出光 强、 波长等不发生显著 变化１。 ３ ， ］４１１ ．．温度对激光器输出 波长的 影响 半导体激光器在工作过程中，激光 　　　　 器的 热沉表面温度将会急 剧上升，激光 器中心 波长随着温度的 升高 而漂移， 心波长随着 中 温度的 升高而变长， 着温度 随的降低而变短 。一般来 说温度每变化１ ℃波长也会相应的变化０２ 。 ．。 ４ １２ ．． 温度对激光 器输出功率的影响由图 ．可知： 　　　　 ２１ 随着温度的升高， 值电 阐 流几升高， 激光器的 特性曲 线随温 度升高向 前平移， 激光输出 下降， 功率 以至于 可能不能满足仪 器设 备正常工作的要求 ； 随着温度 的下 降，阐值 电流也下降，激光器 的特性 曲线随温度 的下降 向后平移， 激光 输出功率上升，最终 可能因驱动电流 过大而烧毁激光器。阐值 电流 　　　　与温度的关系基本上呈指数关系，可近似用 以下公式表示：ｈ ｔ Ｔ ＝ ＋ ｅｐ Ｔ Ｉ（） Ｉ。 ｋｘ（ ／ ） 　　　　　　　　　　　　 ｈ ｔ ＴＯ（１ ４） 一式中 几（） 温 时 阐 流， 是 度兀 的 值电 ， 是与 ： Ｔ 是 度ｒ 的 值电 编 温 时 闭 流 ｋ 激 器 的 数 兀是 光 室 调 的 度， 般 ２ ２℃ 间 值， 光 有关 常 ， 激 器 内 试时 温 一 在 一 之 取 ０ ５ｒ是激光器工作温度 。这些 　　　　 特性，给采用半导体激光 器作为光源的 仪器设备在应用时带来了 很大 的 麻烦。为了保证激光器的稳定 输出， 笔者设 计了 一套温度控制系统【。 刘硕上 学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频 率控制技术４２温度补偿方案的选择 ．为消 　　　　 除环境温度变化对Ｌ输出 Ｄ 特性的影响， 可以 采取两种不同的方案： （ 利 　　　　　　 ） １ 用主动制冷， 如附加 冷却系 统或采 用帕尔帖（ ｔｅ） 器以 Ｐ ｉｒ 制冷 ｌ ｅ 保持激光器结温恒定，从而排 除温度变化带来的影响； （ 采用电流补偿 ， 用与激光器相近温度特性 的调制 电流来 补偿温度变 　　　　　　 ） ２ 利 化所带来的性 能漂移 。电 　　　　 路设计复杂，响 流补偿的电 应的 速度慢， 所以 笔者 选择的是前一 种温度 补偿方案，利用主 动冷却方式降 低或消除 温度变化 对激光器的影响。４３ ． 制冷方式与器件的选择制 　　　　 冷器的 驱动性能的好坏直接关系到温 度控制的精度。通常对制冷方式的 选择是水 冷和风冷，但是这两 种方法的精度不高， 而且使用的时候很不方便。 在本 　　　　 笔者所使用的是半 课题中 导体制冷 器。４３１ ．． 半导体制冷器的工作原理 半导体制冷器是以帕耳帖效应为基础 ，当电流流过 半导体 制冷 器时，热量 　　　　 从半导体制冷器的一侧 传送到另一测， 表现为一端制冷 ，另一端 制热；如果电流的方向反向， 制冷与制热的两 则 端也会反转． 度控制系统 温 通过对激光器的温度 监测，自 动调节流经半导体制冷器的电流大 小和方向，对激光器加热或者制冷，从而实现对激 光器的温度控制 。 ４３２ ．． 半导体制冷器激光器工作时半 导体制冷片的 制冷效率的表 达式如下：ａ１ ０１ 一 （一 ） ｔ 一．’ Ｋｔ ｔ 。 ５Ｒ ＊ｃ么制冷器电阻；介 、ｔ 分别为 ｃ 热沉面和散热器 端面的温度．（一 ） ４２其中ａ、 Ｋ分别为半导体制冷 器的塞贝 数、 克系 热导系数：２ 为电流；左 为硕１ ： 学位论文窄脉冲半导体徽 光器驱动 设计及频 牛控制技术４．哎４．八｝３．亡 〕 卜曰 ｝〕龟 八 Ｊ ３．２．亡２．八曰〕Ｌ一 匕Ｉ．‘日０．叹０．ｎ Ｕ』２ ０４ ０６ ０８ ０１０ ０ｔ 店图ｄ ．激 光器冷却能量随时间的变化图｜　０． 　 　 　０．８４｜８２　 　 　０．　效 　率 　　８００．　 　 　 　 　０． ０．７８ ７６ 衬０ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ２ ０ ４ ０ ６ ０ ８ ０ １０ ０　 　 　 　 　 　ｔ５ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ／图． 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ４２半导体制 冷器制冷效率 随时间 变化图 　　　　 利用 温度 传感器， 测量半导体 制冷片 两端面温度随时间的 变化， 通过代入 式（ ２， ４） 计算得出 温度控制系 一 Ｄ Ｌ 统的冷却速度和效率， 测试结果如图 ． ４２ ４１、 ． 所示。由图 ．可以 ４１ 看出，开始时， 半导体激光器和制冷器热 端存在一定 温差。系统工作一段时间后 ， 两端 的温差也逐渐减小， 半导体制冷器的冷 却的能量随着时间逐渐 减少。图 ．给出了该冷却 ４２ 系统的 制冷效率， 由于制 冷片两 端温差 逐渐变小，制冷 效率由最 大的９％ ４％ ８ 降至７ 。因此设计系统制冷效率在７％ ０ ，制冷 器工作在动态 平衡状态， 较好地利用冷却电源占空比的改 精密控制系 可以 变， 统工作 点， 使激光器能够较稳定地工作。 实验过程中， 根据图 ．、 ４２ ４１ 图 ．选择最佳温 度控制工作点，考虑Ｌ 温度特性和温控 电路调整的难易程度 等因素 ，测得激 光器 Ｄ的温 动范围 ０１ 以 〔。 度浮 在 ．℃ 内川硕 卜 学位 论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技 术４ ３３ ．． 半导体 制冷器 的优 点 半导体制冷器具有如下的优点： 　　　　 １ 　　　　 ． 结构简单，整个制 冷器由电热堆和导线组成 ，无制冷工质 ，无磨损。寿命 长 ，工作可靠性高 ，工作环境要求低： ２制冷温度和冷却速度可 以通过工作 电流来控 制，控 制灵活、启 动 快 ： 　　　　 ． ３ 　　　　 ． 操作有可逆性，把工作电流反向后 即成为加热器 ；． ４ 　　　　 控制精度高：． ５ 　　　　 控制温度范围大； ． ６制冷速度快。 　　　　 ４４ ． 温度控制原理画 一制器 冷图４３温度控制原理图 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ． 温度控制原理如图４３ 　　　　 ．所示，其具体工作过程如下： 温度探测器将半导体激光器的温度信号转换成 电压信号 ，这个 电压信 号是 　　　　比较小的， 放大参数调节 通过 器设定电压 信号的放大 倍数， 将放大电路放大的电 压信号 送入ＰＤ比 工（ 例微积分） 路， 电 与系统设置的 基准电 压信号进行比 较产生控 制信号， 用来控制半导体致冷 器的电 流输入 及方向 使其制冷或加热， ， 当温度探 测器输出的电 压信号经放大后大 于基准电 产生的控制信号使得半导体制冷器 压，制冷， 反之半导体制冷器加热， 从而控制半导体激光器的温度。半导体激光器的 温度变化会反映到温度 探测器上 ， 即构成 了一个温度负反馈系统 ， 动态地控制激光二极 管的 温度，从而 起到 稳定 温度的作用， 度稳定在设定值上〔。 使温 ３ 司硕卜 学位论文窄脉冲半异体激光器驱动设计及频率控制技术４５ ． 温度控制电路的设计４５１ ．． 温度传感器的选择 温度传感的电路形式和感温性能与所选择的温度传感器有很大关系，传感 　　　　 器的选择要考虑到感温范围、线性度、灵敏度和体积等几个方面。目 　　　　 前常用的温度传感器的类型：（ 负温度系数 Ｎｃ 　　　　　　 （Ｔ 的热敏电阻， ） １ ） 这是应用最普遍的 温度传感器， 感 温范围在一０ ｌ５℃之间，体积较小，直径可达１ ８￣＋ ０ 俪，并且有每度几百欧姆的灵敏度， 测量精度可达士００℃， ． １ 稳定度小于士００℃。 ． １ 但是其线性度很差， 呈指数规律变化， 在实际应用中， 当前的温度值只能通过测量其电阻值而查表获得，或通过微处理器显示，给实验带来不便。（ 金属热敏电阻，这种传感器具有很好的线性度，测温范围可达一６一 　　　　　　 ） ２ ２ ０ ８０ ＋５℃，体积较大， 但其灵敏度很低， 温度每变化１ ℃其阻值只变化Ｉ Ｑ左右， 稳 定度不足士００℃，测温精度在士１ ． ５ ℃左右，因此这种温度传感器仅适合于大范 田且对温度精度要求不太高的场合。 如果选择以上两种传感器， 则感温电路一般设计为桥式电路。（ 集成电路温度传感器，这类的传感器有着很好的线性度和测量精度。 　　　　　　 ） ３ 通常分为电压型 （ Ｍ５ 和电流型 （ Ｏ９、 Ｄ９ 两种。 如Ｌ３ ） 如Ａ５ Ａ５２ ０ ） 一般要根据传感器与控制电路之间的距离来决定选择电压型或电流型。 若距离较短， 受感应电压 干扰较小， 则选择电压型使电 路简单； 若距离较长则选择电流型传感器， 这种传 感器具有较高的抗干扰能力，但电路稍微复杂一点。 根据对上述三种类型温度传感器的总结分析， 　　　　 结合本课题电路的设计要求，笔者选择的是集成温度传感器Ｌ３。 Ｍ ５Ｌ３是由 ｔｏａ ｓｍｃ ｄｃｏ所生产的 　　　　ａｉｎｌ ｅｉ ｎｕｔｒ Ｍ５ Ｎ ｏ 温度传感器， 其输出电压与摄氏 标 线性 ， 公 温 呈 关系 转换 式为蠕 ＊，Ｔ二 ０ 犷 “ ＊ Ｏ ， ℃ 输出 ， ） １ ／ ＴＣ ０ 时 为 （ 。 ＣＶ 每升高１ 输出电压增加１ ｖ Ｌ３有多 Ｏ， ℃， ０ 。Ｍ ｍ ５ 种不同封装型式， ４４ 在常 如图 ．。温下， ５不需要额外的校准处理即可达到士０２℃的准确率。 以３ ． ５ 其电源供应模式有单电 源与正负双电源两种， 其接脚如图 ．所示，正负双电 ４５ 源的供电 模式可提 供负温度的量测：两种接法的静默电 温度关系如图４６ 流一 ．所示，单电源模式在２℃下静默电流约Ｓ ｐ ，非常省电。 ５ ＯＡ硕１ ： 学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率拎制技术Ｐａｌ Ｐ ｃａｅ ｓ 旧１ 旧 ｉ Ｍ ４ Ｐ 侧 ｌ ｌ ａｋ口 ｓｃ 即１ 朋 ０ ｎ ０ 曰 “卜 神 Ｍ ｔ Ｃ ｎ ａｋｇ ｅ ｄ ． ｌ ． Ｐ ｃａ 二 ａ．卜 。相 叼贯助 ”０ 口 钧 皿 班二 ‘即 １右 屹脚 １．丫己 吕吕图 ４４ Ｌ ５ ． Ｍ３ 的封装形式和脚位．丫 ５【 Ｔ 幻ｌ 姗 ０２ｙＯＩ Ｔ ＵＰ ｊ ｔ０ ＋ ００咐１亡 耐 １ １ 。ａ ）单电源模式图 ４５接脚图 ．１５０气 】 １石 民 ； ０ 卜苗 份 脚吕 ０ｂ ）正负双电源模式胡彻 俩 阴 ． ． …口 口 口巨口 巨『 口 口｛口 叮口厂 口！ 口 口 ｝ ［ 口 一口 口 ｝ 口 口一 乃 万 ２ ５ ５ ７ １ 肠口 口 叼口 口留 】 １， ０１ 玛口 冈 巨 日 厄 门 厂 冈 ２ 口 匕 口１口 口　￣气 　一 　卜芍 　 臼　 弓 目　 幼 卜之 山娜 脚 哟 佃 柳 即 创 叨口 巨 口 巨口 巨 巨 ： 口 口 ｝ 口二 仁 「 ［ －［ Ｚ ］ 二 「 厂 二 二口「 盯 月 ｝ ］ ／ 巨 匕「 卿 匡汤 ， 门 ， ． ｌ ：一｝ 厂 ： 了 ｝ ｛ ｝ 「 ｝ ｝二一 ５ ７ 一 药 器 ５ ７ ，与 ２ Ｔ 州 认 沙 Ｅ Ｏｌ 　　　　　　　　 山 斗 １Ｒ ｉ Ｃ １ 龙ｔ 陀翻 眨 嘴． Ｔ叭 盯Ｕ １ 　　　　　　　　图４６正负双电源供电模式 ．硕卜 学位论文窄脉冲 半导体激光器驱动设计及频率控制技术，大 ‘ 。 二－ 队 － 一升 奋益 ；誉 目 室温图４７温度与时间的变化图 　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ． 通过１ 对温度信号的采集，ｌ３将温度信号转换为电压信号，从而实现 昭５ ｍ ５ 了温度／ 电压的转换，温度的电压信号形式有利于在下面的电路中进行处理。 ４５２具体电路原理及设计 ．． 本文采用高稳定度的恒温控制技术，通过高信噪比的运算放大器，半导体 　　　　制冷器， 设计了一种半导体激光器温控系统， 其能为半导体激光器提供温度控制精度在 ．‘ 制冷驱动电 土０１ ， ℃ 流可达Ｉ。 Ａ由于设计的温控装置用于激光器的稳频， 　　　　　　 设计精度要求达到 。 因此相应的 温度分辩率至少要达到这样的要求， 实验中采用的是Ｌ３温度感测器， Ｍ５ 其输出电 压变化率为１ Ｖ℃ 并且与摄氏温度具有较好的线性， ｍ ０／， 且有很高的灵敏度和稳定性。 在其有效温度范围内， 其输出电压与摄氏 温度成正比。 这部分电路主要有 三部分组成： 差分放大；比 例放大积分调节器； 功率放大器。 下面分别对这三部 分进行介绍‘。 划） １ 差分放大 　　　　 其电 　　　　 路连接如图 所示， ， ， 组成了 ４８ Ｉ Ｉ Ｚ Ｕ Ｒ Ｒ 一个放大倍数可调的有源放大器，Ｕ， ３ ４及其附属电路组成了一个差分放大电路。工作原理如下： Ｚ Ｕ ，Ｕ从咖３输出的电压经过有源放大器， 　　　　 ５ 通过调节有源放大器的倍数以 使激光器的结温对应的输出电压经放大后的电压达到参考电压（ 这里的参考电压选取的是电 源电 压的一半 （ ．ｖ 。由 为２ｓ ） 于激光器工作在２“ ０Ｃ 左右， 温度感测器的输出电 压约为 ．Ｖ 所以有源放大器的放大倍数约为１．． ０Ｚ， ２ ５ 当温度变化时引起了输出电压的变化， 这样就与参考电压产生了一定的差值， 经过差分放大。 这里的差分放 大倍数为１。 ０ 在差分放大电路的设计过程中要重点考虑电路的对称性， 以减少电＼ 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　３ 　　　　　　　　　　　　 ３顿卜 学位论文窄脉冲 半甘体激光器驱动设计及频率控制技术压偏移。卿 ?图４８差分放大 电路 ． ２ 　　　　 ）比例放大积分调节器 Ｉ 是 ＰＤ 比例 　　　　 ，积分 ，微分的缩写． 比例调节作用 ： 　　　　 是按 比例反应系统的偏差，系统一旦 出现 了偏差 ，比例调节 立即产生调 节作用用 以减 少偏差 。比例作用大，可 以加快调节 ， 减少误差 ， 是 但 过大的比例，使 系统 的稳 定性下 降，甚至造成系统的不稳定。 积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度 。因为有误 差， 分调 　　　　 积 节就进行，直至无差，积分调节停止， 分调节输出一常值．积分作用的强弱取 积 决与积分时间常数 Ｔ ， 越小，积分作用就越强。反之 Ｔ 大则积分作用弱 ，加 ｉ Ｔ ｉ ｉ入 分 节 使 统 定 下 ， 态 应 慢 积 作 常 另 种 节 律 积 调 可 系 稳 性 降 动 响 变 ? 分 用 与 两 调 规结合，组成 Ｐ 调节器或 Ｐ 调节器 。 Ｉ Ｄ Ｉ微分 　　　　 调节作用： 微分作用反映系 统偏差 信号的 变化率， 具有预见性， 能预见 偏差变 化的 趋势， 因此能产生超前的 控制作用， 在偏差还没有形成之前，己 被微 分调节作用 消除． 因此， 改善系统的 可以 动态性能。 在微分时间选择合适情况下， 可以 减少超 减少调节时 微分 调， 间。 作用对噪声 千扰有放大作用， 因此过强的 加 微分 调节， 对系统抗 干扰不 此外， 利。 微分反 应的 是变化率， 输入没有变化 而当 时， 微分作用 输出为 微分作用不能单 零。 独使用， 要与另 需 外两 种调节 规律相结合 ，组成 Ｐ Ｄ或 ＰＤ控 制器。 Ｉ硕卜 学位论文窄脉冲半导体激 光器驱动设计及频率控制技术ｙｏ Ｚ ｕｔ图 ４９ 比例放大积分调 节器 ． 具体电路如图４９ 　　　　 ．所示 ， ，Ｕ及其 附属 电路组成的一个 比例放大积分 调节 Ｓ Ｕ ６器． 实际上就是一个比例 放大 和积分电 路。 ， ２ Ｒ３ Ｒ 组成了比 Ｓ １ １ Ｕ Ｒ ， ，１ ４ 例放大电路， 放大倍数 为Ｒ ／ ２ 针对本电路折 衷考虑放大倍数选择 为３ ， 其 ４１ １Ｒ ， 倍 这样 既增强控制作用， 系统的稳定 减小 误差， 提高系统的 响应速度， 至于给系 又不 统的稳 定 性带来困 扰。 ６ １，Ｒ ， 组成了 Ｕ，Ｒ５ １ Ｃ ６ 一个积分电路。比 例放大积分调节器实际上就 是一个个对 高频进行抑制 的电路 系统， 它极大 地改善了信 号的信噪 比， 是实现高精度控制的重要保证之一。由 于积分电 路的响应时间取决于Ｃ １５ 和Ｒ 的取 值。 这里选取的 二ｕ，Ｒ５ ３Ｑ． ＣＺＦ １ ＝ Ｋ 时间常 数为 ． 秒左右。 ００ ８在 比例 放大调节 的基础 上加积 分控制可 以消除系统 的稳态误差 。微 分的控 　　　　 制作用 与偏差 的变化 速度有关， 微分控制能够预测偏差， 产生超前的校正作用。 微 分作用 的不足之 处是放大 了噪声信 号。由于温度的变化不可能很快， 总是 要经 它 过一段 时间才 能改变， 以控制 电路中不需要微分控制 ． 所 ３ 　　　　 ）功 率放大器由于半导体制冷器的电 　　　　 流较大， 不能直 接由 运算放大器驱 如图 ４１ 所 动， ． ０ 示。 ７ＴＰ２，Ｉ１７Ｒ７Ｒ ｕ，Ｉ１２ Ｐ２，１，１ Ｔ ８构成双电 源互补对称功率 放大电 路。功放电 路 主要考虑电路的交越失 失真越小 对温度控制的 真， ， 精度和稳定度越好。 为了减小 交越失真， 设计了偏置电路， 需要注意的是， 对于不同的三极管， 其基极与发射极 之间的门坎电压不同。 静态时， Ｉ ， 上产出的 在Ｄ Ｄ Ｚ 压降 Ｔ １２ Ｉ１７ 为 Ｊ２ ，Ｐ２ 提供 Ｐ Ｔ了一个适当的偏压， 使之处于微导通状态 。此时，Ｉ１ 二Ｉ１７ ＩＥ ＝０ ｖ ＝ Ｃ２ Ｃ２ ，Ｔ Ｃ ， ｆ０ 有信号的时候， 。 即使 ｄ 点输入电 Ｖ 很小 也 压ｄ ， 可以 进行线性放大。由于制冷 器需要大的电流，所以Ｒ 取值为 Ｉ ９ １ Ｑ。硕卜 学位论文窄脉冲平廿体激光器驱动 设计及频率控制技术图 ４１ 功率放大器的设计 　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　 ． ０由于时间的关系，电路 的实际工作状态没有得到验证 。笔者 运用 了仿真软 　　　　 件对设计的电路 进行仿真 ，上述电路可以实现２士０１ ０ ．℃的精度要求 ，从而满足 了激光器的波长稳 定在９ 士０Ｚ， ５ ０ ．ｎ 的设计要求。硕士学位论文窄脉冲半导体激光器驱动 设计及频率控制技术总结在本论文中，笔者选用 Ｃ Ｌ 作为信号发生器，运用 Ｖ Ｄ 　　　　 ＰＤ Ｈ Ｌ对计数器进行描 输出 述， 所需要频率的 脉冲信号， 实现了 对脉冲频率的 可调， 再经过 ＩＤ ４ ｘ Ｄ巧对脉冲进行整形，输 出的脉冲信号来控制 ＭＯ Ｆ Ｔ管的开关 ，通过对实际的电 ＳＥ 路的调试 ，实现 了课题的要求：脉冲 的宽度最 小可达 １１，脉冲的最大 电流可 ０ ”达 ４ Ａ。 ０采用 了半导体制冷器 及双 向温控 电路，可 以将半 导体激 光器 的壳温控制在 　　　　０ ０ ℃， ２土 ． 可以 １ 满足在各种温度条 件下半 导体激光器的工作 稳定 性。本课题设计的驱动 电路 的优点： 　　　　 （ ）小型化 　　　　　　 １（） 　　　　 能力强 ２ 抗干扰的 （ 采用了脉 　　　　 冲压窄 ） ３ 技术 和双向 的温度控制技术， 可以 提高半导体激光器的频率和温度 的适应性 ，满足 了实用的要求。硕｝ ： 学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术致谢由衷地感谢我 的导师 顾国华教授对 我的支持、关心 、帮助 和严格要求。两 　　　　 年 多来 ，顾老师 以其渊博的学识、精益求精的工作精神 、平 易近人 的待人接物， 使 我受益 匪浅 ， 终生受用 。 在他精心指导，严格要求和热情关怀下 ， 使我专业理论水 平和科研能力都获得很大提高。 他严谨的学 科学的 风， 态度， 务实的 精神是我一直学习的榜样 ．感谢 ４ 　　　　教研室所有老师多年来辛 １ ４ 勤的 和培养以及在论文期间给予的 教导指导和帮助 ！ 感谢 ４ １ 　　　　教研室所有 的同学 ， 我们在这里共同学 习、生活，度过了愉快 而充 实 的研究生生涯 ！ 感谢多年来给我 关心和 支持的家人们 ！ 　　　　硕１ 二 论文 学位窄脉冲 半导体激光器驱动设计及频率控制技术参 考 文 献１ ．林晓翰 ，苏 国彬等 ． 半导体激 光器 的大电流窄脉冲驱动 电路的研究． 电与声 压 光．２０，２６ ０２２ （） ２ ．金银花 ，许 文海 等． 改善半 导体激 光器驱动 电源性 能的研究 ． 电子技 术． 光 ２０，５１ ０５２ （） ３ ．邓军 ，单 江东等 ． 功率半 导体激 光器驰动 器的研 究与设计 ． 导体光 电． 大 半 ２０，４５ ０３２ （）４于 ． 复生， 艾兴等． 大功率半导 体激光器驱动电源的设 应用激光． ０ ，０６ 计． ２０ ２（ ） ５ ．朴德慧，郭玉彬等． 大功率半导体激光驱动电路及防护． 激光与红外．２０，７３ ０７３ （）６ 刘澄． 体激光 ． 半导 器稳功率脉冲电 源设 半导体光电． ０ ， （ 计． ２０ ２ ３ ４５） ７ ．袁军国，詹春等． 半导体激光器高精度稳频输出控制系统． 激光技术．２０，０６ ０６３ （） ８ 邹雪城，陈松 涛一 种 Ｌ 驱动芯片温度 补偿 电路设计与实现． ． Ｄ 华中科 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窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术作者： 学位授予单位： 巫中伟 南京理工大学相似文献(10条) 1.期刊论文 陈胜石.欧秋晔.宁子立.薛常佳.纪明.周丽华.张晓辉.CHEN Sheng-shi.OU Qiu-ye.NING Zi-li.XUE Chang-jia.JI Ming. ZHOU Li-hua.ZHANG Xiao-hui 一种大功率窄脉冲半导体激光器测试台的研制 -应用光学)大功率窄脉冲半导体激光器主要光电性能参数为:输出峰值光功率、阈值电流、正向电压、上升时间、峰值波长、光谱半宽、半强度角.根据激光制导系统对大功率窄脉冲激光器 参数的特殊测试要求,研制一种大功率窄脉冲激光器测试平台,将小型化大功率激励器功放模块、大范围可调DC-DC模块、信号源板、激光器座、光学准直镜集成在一个平台上,与峰值 功率计、光谱仪、CCD摄像机等仪器配合,可测出大功率窄脉冲激光器的峰值功率、峰值波长及波长随温度变化的漂移特性、发光芯均匀性等参数.介绍了大功率窄脉冲激光器测试台 的特点,并对测试结果作了论述.2.期刊论文 陈彦超.赵柏秦.李伟.CHEN Yan-chao.ZHA Bai-qin.LI Wei 用于纳秒级窄脉冲工作的大功率半导体激光器模块 -光学精密工 程)介绍了一种将脉冲半导体激光器发射系统中的脉冲整形电路、驱动电路、激光器保护电路、激光器集成封装成一个激光器模块的方式.当激光器工作于纳秒级窄脉冲状态下时,激 光器封装引腿产生的电抗会使得耦合进激光器的脉冲波形劣化,导致能量损失.为得到上升时间短,波形半宽窄,峰值功率大的光输出,改进了激光器管芯的结构并采用混合光电子集成 的方式将驱动电路和激光器管芯封装在一个模块内,使得窄脉冲电信号高效地耦合进半导体管芯.分析验证表明.改进后的激光器模块的各项输出参数均得到改善.同等条件下,改进后 的模块在光脉冲宽度为4.5 ns时,峰值功率比单独封装激光器提高6倍多.测试了激光器模块U-P曲线,得到了脉冲宽度7 ns左右,峰值光功率176 W的光脉冲输出.3.学位论文 奕程涛 窄脉冲大电流激光激励器的研究 2004该文主要是窄脉冲大电流激光驱动的研究.论文论述了激光器的历史和类别,其中特别详细的介绍了半导体激光器和半导体激光器电源的发展过程.并针对该课题的特殊要求,详细 的介绍了研究和设计及调试的全过程.自1962年世界上第一台半导体激光器发明问世以来,半导体激光器发生了巨大的变化.激光器极大地推动了其他科学技术的发展,被认为是二十世 纪人类最伟大的发明之一,但是目前国内在国外这方面的科研投入相对发达国家有着一定的差距.在激光驱动控制部分(也可称为激光驱动电源)主要是用一些晶体管的开关特性来作为 其激光器驱动电路的核心,而其输出脉宽一般都在50ns-100ns左右.该课题要求的是输出在30±10纳秒并可调,所以经典方案并不适用于该课题.作者经过一段时间的思考和查阅相关的 资料,决定利用VMOS管作为开关管输出来驱动激光器.激光器对温度很敏感,往往温度的变化能直接影响激光器的工作状况.为了使激光器能正常工作,作者设计了温度控制电路,以使其 能长时间正常运行.最终成功设计了激光激励器,工作重复频率:每秒一次、十次、二十次;脉冲宽度:30ns±10ns并可调;电流大于3安培.4.期刊论文 曹乐南.奕程涛.周木春.CAO Le-nan.YI Cheng-tao.ZHOU Mu-chun 窄脉冲大电流半导体激光器驱动的研究 -湖南工业职业技 术学院学报)比较了半导体激光器驱动的几种设计方案,提出一种新的以VMOS功率场效应管为核心的半导体激光器的驱动方案,设计了脉宽可调,重复频率可选,具有恒温控制的激励器.5.期刊论文 林晓翰.苏国彬.刘建胜.李铮.LIN Xiao-han.SU Guo-bin.LIU Jian-sheng.LI Zheng 半导体激光器的大电流窄脉冲驱动电路 的研究 -压电与声光)介绍利用高频小功率晶体管的雪崩效应设计激光器的大电流窄脉冲驱动电路,对该电路建立了数学模型,并对电路参数进行了仿真.实验制作了产生宽度约为10 ns,峰值约20 A的 脉冲驱动电路.仿真结果与实验相吻合,因此,对实际应用有一定的指导意义.6.学位论文 陈兆麟 脉冲式半导体激光器驱动器的研究与设计 2009半导体激光器作为光电子系统的核心器件，在民用及国防上的作用日益重要。半导体激光器具有许多其它激光器无法比拟的优点，因此广泛应用于光纤通信、制导、精密测量、 医疗及信息存取等领域。由于半导体激光器应用范围广泛，相应的其驱动技术也显得越来越重要。本文主要介绍了半导体激光器脉冲驱动方式的研究。简述激光器的原理，发展过程 和应用状况，并针对其特性分析了对激光器驱动器的要求。针对本课题的特殊要求，详细分析了各组成模块及实验结果。 目前，提高激光器性能的途径主要有研究新的半导体技术来提高激光器器件本身的性能指标，或者提高激光器驱动电源的特性。目前，在激光器及其驱动的研究方面国内外进行 了大量的研究工作，但国内水平相对于世界先进科技水平还有所不及。因此设计一种新型的半导体激光器驱动器显得尤其重要。本设计的重点是窄脉冲的生成和开关电流放大。窄脉 冲的生成电路是由555定时器和单稳态触发器组成。在本文中选用了SN74123芯片构成单稳态触发器，其正、负边沿均能触发工作，典型传输延迟时间为20ns左右，边沿时间为15ns。 SN74123为5V供电、16管脚的双可再触发单稳态多谐振荡器，其输出脉冲宽度由外接电阻R和电容C决定。 本文还分析了雪崩晶体管、阶跃恢复二极管等几种产生高速电脉冲的经典方法，最终选择开关电流放大由是VMOS场效应管来实现的。VMOS场效应管是一种比较理想的开关器件 ，通过它的闭合、导通使负载与直流电源瞬时接通能形成很好的电流脉冲。VMOSFET具有高输入阻抗、低驱动电流、开关速度快、负电流温度系数、热稳定性能优良以及安全工作区 域大等优点。所以由它构成的电路具有系统体积小、设计简单、自动温度补偿保护能力等特点。这里采用VMOS场效应管作为开关器件来组成激光器驱动器，设计了带宽、频率均可调 的脉冲驱动电路。该电路具有脉宽窄，上升时间、下降时间短，器件简单等特点。 外围电路中，设计了保护电路也减少浪涌电压等外部供电对驱动器甚至半导体激光器的损害及干扰，同时设计了恒温控制电路，保证系统工作在设定。 经过仿真实验，本设计所能达到的技术指标是工作频率：500～50kHz可调：脉冲宽度：25ns以上可调；输出电流最大达到5安培。7.期刊论文 张敏.王东宁.李宏.靳伟.M S Demokan 半导体激光器生成双波长超窄脉冲的实验研究 -红外与激光工程)描述了一种用腔外注入方式调制增益的法布里珀罗半导体激光器产生双波长超窄脉冲的简单方法.腔外注入功能部分包含一个直流工作的法布里珀罗半导体激光器、一个3dB光耦 合器和两个布喇格型光纤光栅.双波长的选择和间距通过调节光栅来实现.文中描述的系统实现了在10nm的调节范围内边模压制率优于17dB的理想结果.整个系统简单、成本低.8.学位论文 朱娜 大电流窄脉冲半导体激光器驱动系统的研究 2005本论文通过深入分析电注入式半导体激光器的工作原理，并根据其在脉冲工作方式下对电源的基本要求，结合系统指标，基于雪崩原理，选用ZTX415雪崩晶体管作为开关管和功 率管，获得了脉冲宽度约7纳秒，峰峰值为10安培的窄脉冲以驱动半导体激光器。为了使系统长时间正常运转，还设计了过频和温控等保护电路。半导体激光器的驱动电源指标为 ：工作重复频率：500Hz～50KHz，可调；电流脉冲宽度：5±5纳秒；电流脉冲峰值：10安培；脉冲上升/下降时间小于5纳秒。9.期刊论文 张贵军.ZHANG Gui-jun 窄脉冲半导体激光器峰值功率测量方法研究 -微纳电子技术)介绍一种利用示波器和光电转换装置同时测试窄脉冲半导体激光器的脉宽和功率的方法,主要分析了影响测量的几个因素,给出测量不确定度.该方法用示波器直接测量脉冲宽度 ,根据测量电压与激光脉冲功率的正比例关系,同时获得窄脉冲半导体激光器的脉宽和功率.经理论分析和试验验证均能满足对窄脉冲半导体激光器的脉宽和功率测量需要,在 808～1064 nm波长范围内做过多波长测量试验,测量结果令人满意.10.期刊论文 何成林.HE Cheng-lin 半导体激光器驱动电路设计 -科学技术与工程)半导体激光驱动电路是激光引信的重要组成部分.根据半导体激光器特点,指出设计驱动电路时应当注意的问题,并设计了一款低功耗、小体积的驱动电路.通过仿真和试验证明该 电路能够满足设计需求,对类似电路设计有很好的借鉴作用.本文链接：http://d..cn/Thesis_Y1154697.aspx 授权使用：武汉大学(whdx)，授权号：b140acca-d2ad-47be-b702-9dfe 下载时间：日
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