半导体激光器电源设计技术汇总

自从激光被发明以后，各种的应用随即发展起来，但真正能应用在消费性电子产品是在半导体激光(或称激光二极体,LaserDiodeLD)发明之后，特别是在1977年发明的面射型激光(VCSEL)，因为半导体激光具有轻巧、电光转换效益高、低消耗功率、寿命长、及易由电流来控制其光输出功率、且调制频率可达10GHz以上等特性。这些特性使它可广泛应用于资讯处理、光纤通讯、家电用品等民生消费电子产品上，未来半导体激光将带动另一波的光电消费性电子产业。以下介绍半导体激光器在电源设计中的一些方案。

1.半导体激光管LD的电源设计

半导体激光管(LD)和普通二极管采用不同工艺，但电压和电流特性基本相同。在工作点时，小电压变化会导致激光管电流变化较大。此外电流纹波过大也会使得激光器输出不稳定。二极管激光器对它的驱动电源有十分严格的要求;输出的直流电流要高、电流稳定及低纹波系数、高功率因数等。随着激光器的输出功率不断加大，需要高性能大电流的稳流电源来驱动。为了保证半导体激光器正常工作，需要对其驱动电源进行合理设计。并且随着高频、低开关阻抗的MOSFET技术的发展，采用以MOSFET为核心的开关电源出现，开关电源在输出大电流时，纹波过大的问题得到了解决。

系统构成

装置输入电压为24V，输出最大电流为20A，根据串联激光管的数量输出不同电压。如果采用交流供电，前端应该采用AC/DC作相应的变换。该装置主要部分为同步DC/DC变换器，其原理图如图1所示。

Vin为输入电压，VM1、VM2为MOSFET，VM1导通宽度决定输出电压大小，快恢复二极管和VM2共同续流电路，整流管的导通损耗占据最主要的部分，因此它的选择至关重要，试验中选用通态电阻很低的M0SFET。电感、电容组成滤波电路。测量电阻两端电压与给定值比较后，通过脉冲发生器产生相应的脉宽，保持负载电流稳定。VM1关断，快恢复二极管工作，快恢复二极管通态损耗大，VM2接着开通续流，减少系统损耗。

2.半导体激光器的开关电源纹波抑制研究

本文提出开关电源纹波的定义，分析开关电源纹波产生的原因，并提出几种抑制纹波的方法。最后针对一款特殊开关电源，论述了开关电源的输出稳定性问题。该电源输出电流为10A，输出电压为12V，主要用于驱动半导体激光器。为减小输出电流纹波，提高激光功率稳定性，研究分析了几种抑制纹波的方法，包括滤波法，多路叠加法等。该电源的设计采用主、副电源的思路，从主电源采集纹波信号反馈给副电源的控制端，从而使主副电源输出叠加后保持较小的输出纹波。通过实验验证该方法可以使纹波系数保持在1%，使得性能有所提高。

近年来，开关电源以其体积小，重量轻，效率高等优点，在工程领域、医疗机构、科学研究等方面有着越来越广泛的应用。本文着重解决一款能输出10A电流12V电压的特殊恒流源的纹波抑制问题，专门用于大功率的半导体激光器驱动。该激光器需求高稳定的光功率输出，激光器输出光功率的稳定性是一个主要参数，半导体激光器的光功率稳定性主要表现在输入电流的稳定性，输入电流的纹波越小光功率稳定性越好。目前，解决开关电源纹波的方法有若干种，各有其优缺点，由于输出电流是10A的大电流，一般的方法不能适用。本文通过对比滤波法提出双路并联法，旨在大电流情况下进一步减小电流输出纹波。

纹波产生原因分析

通常开关电源把电网提供的交流电经过整流滤波转变为直流电，开关管的高速开通和关断，就会引起输出电压的波动，在输出回路中的快恢复二极管和电感也会引起输出电压的波动。这些高频低频的波动总和就形成了输出的纹波，包括电压纹波和电流纹波。

开关电源中纹波的来源有很多原因，其中MOS管开通关断所产生的纹波是主要原因之一。当开关管开通关断时都会有一个上升时间和下降时间，这时就会在电路中引起一个同频率的噪声。输出回路上的电感也会随着充电放电产生一个噪声，同时也会有漏感产生。在导线与导线之间，元器件的引脚之间还会存在各种寄生电感，这些寄生电感会遵循如下公式产生变化。

3.高亮度半导体激光器拓展新波长

半导体激光器技术的不断发展使其应用日益广泛，同时越来越多的应用都要求半导体激光器简单易用，这使光纤耦合半导体激光器模块广受青睐。为了更好地满足应用需求，在设计高亮度半导体激光器模块时，必须要考虑一些重要的设计规则，特别是当这些模块的输出波长为非标准波长时。这些设计考量主要涉及以下几方面：

原则上，最低衍射极限光束参数乘积(BPP)与波长成正比，也就是说，随着波长(λ)的增加激光打标机，光束质量会逐渐变差。光纤耦合模块需要一个特定的光束参数乘积，这意味着可以耦合到一根光纤中的发射体(emitter)的数量，会随着波长的平方因子(λ-2)而减少。例如，在1940nm时可以耦合到指定纤芯中的发射体的数量，要比在970nm时减少4倍。

通常慢轴发散角会随着波长的增加而增加，这意味着慢轴准直透镜(SAC)的焦距必须合适，以避免由于SAC造成的能量损失。

对于输出非标准波长的半导体激光器巴条，其快轴方向的发散角可达到90°，因此需要使用具有高数值孔径和高质量的快速轴准直透镜(FAC)。

必须要考虑光学元件自身的损耗。特别是当波长超过2200nm时，由于羟基(OH)伸缩会导致大量水吸收。目前几乎微型光学元件使用的所有材料激光打标机，都会发生这种水吸收现象。

表1给出了各种光纤耦合半导体激光器模块(见图1)所能实现的输出功率。

4.高功率半导体激光器的波长稳定技术

高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源，在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点，但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar条典型的光谱带宽大约是3～6nm，而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。