半导体激光器电源设计技术汇总

通常，掺钕固体晶体是对其相对较宽的808nm吸收带进行泵浦，标准的半导体激光器系统能很容易地满足808nm泵浦的光谱要。但是在过去几年里，随着半导体激光器bar条的工作电流和功率的不断提高，导致在从阈值电流上升到工作电流的过程中产生了更大的波长漂移。为了确保在整个工作范围内实现稳定、有效的泵浦，需要控制泵浦半导体激光器的光谱，使其光谱带宽始终与激活激光介质的吸收带宽相匹配。

另一方面，光纤激光器的迅速发展，也增加了对其他波长的泵浦源的需求。例如，泵浦波长为1080nm左右的标准掺镱光纤激光器，就需要915nm、940nm和980nm的光纤耦合半导体激光器系统，特别是980nm泵浦区尤为重要，因为掺镱材料在该泵浦区具有较高的吸收系数和较窄的吸收带宽。

半导体激光器系统亮度的进一步增强是通过偏振耦合和波长复用实现的。偏振耦合仅能将亮度提高一个单位系数的两倍，而波长复用技术受可用波长数量n的限制。 事实上，波长复用进行功率扩展是以牺牲光谱亮度为代价。

5.实现智能控制的半导体激光器电源设计

由于具有体积小、重量轻等特点，半导体激光器(LD)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LD容易受到过电压、电流或静电荷的冲击而损坏，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。

本文以数字集成电路为核心，设计能够实现智能控制的半导体激光器电源。

半导体激光器LD工作影响因素

半导体激光器的核心是PN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LD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PN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LD的损坏或使用寿命缩短，因此必须采取措施加以防护。

传统激光器电源是用纯硬件电路实现的，采用模拟控制方式，虽然也能较好的驱动激光，但无法实现精确控制，在很多工业应用中降低了精度和自动化程度，也限制了激光的应用。使用单片机对激光电源进行控制，能简化激光电源的硬件结构，有效地解决半导体激光器工作的准确、稳定和可靠性等问题。随着大规模集成电路技术的迅速发展，采用适合LD的芯片可使电源可靠性得到极大提高。

系统设计

系统框图见图1。主要由以下几部分构成。

图1 系统框图

6.半导体激光器驱动电源的控制系统

使用单片机对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效地实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度。同时为激光器驱动电源性能的提高和扩展提供了有利条件。

本系统主要实现电流源驱动及保护、光功率反馈控制、恒温控制、错误报警及键盘显示等功能，整个系统由单片机控制。本系统中选用了C8051F单片机。C8051F单片机是完全集成的混合信号系统级芯片(SOC)，他在一个芯片内集成了构成一个单片机数据采集或控制系统所需要的几乎所有模拟和数字外设及其他功能部件，如本系统中用到的ADC和DAC。这些外设部件的高度集成为设计小体积、低功耗、高可靠性、高性能的单片机应用系统提供了方便，也大大降低了系统的成本。光功率及温度采样模拟信号经放大后由单片机内部A/D转换为数字信号，进行运算处理，反馈控制信号经内部D/A转换后再分别送往激光器电流源电路和温控电路，形成光功率和温度的闭环控制。光功率设定从键盘输入，并由LED数码管显示激光功率和电流等数据。

目前，凡是高精密的恒流源，大多数都使用了集成运算放大器。其基本原理是通过负反作用，使加到比较放大器两个输入端的电压相等，从而保持输出电流恒定。并且影响恒流源输出电流稳定性的因素可归纳为两部分：一是构成恒流源的内部因素，包括：基准电压、采样电阻、放大器增益(包括调整环节)、零点漂移和噪声电压;二是恒流源所处的外部因素，包括：输入电源电压、负载电阻和环境温度的变化。

7.基于NCP5662的半导体激光器驱动电源

二极管激光器及二极管泵浦的固体激光器现已成为固体激光器的发展主流,其转换效率高,稳定性好、可靠性高,是迄今惟一不需维护的激光系统,具有输出的光束质量高、体积小、结构紧凑等优点,已经获得了广泛的应用。二极管泵浦固体激光器设计中涉及许多关键技术,电源技术是其中之一,它涉及的主要问题是如何根据固体激光器的要求设计半导体激光二极管的驱动电源。半导体激光器驱动电源的基本要求是:恒流源、电流稳定度高(至少应小于10-3)、纹波系数小、具有特殊的抗电冲击措施和保护电路。在实际项目中,二极管泵浦固体激光器用于机载导弹测距,采用808nm半导体大功率激光器作为泵浦源,要求驱动电源体积小,驱动电流2A,驱动方式为脉冲驱动,脉冲频率和宽度独立可调、蓄电池供电(5V左右)。目前许多的商用的或用于试验研究的驱动电源很难完全满足使用要求,因此为其设计简单、方便、稳定、可靠的驱动电源具有重要的意义。

在稳压或稳流电源中,目前常用的是开关电源和线性电源,由于开关电源的瞬态响应较差、纹波系数较大,对瞬态特性和温度度要求较高的半导体激光驱动电源采用线性电源较为合理。为了实现高的电流稳定度,驱动电路大多采用负反馈的控制方法,原理图见图2。工作时,通过电阻电流采样反馈为驱动电流提供有源控制。方法是在功率晶体管的源极串联一个采样电阻RS,用于取样反馈，该取样电压经过I/U转后,作为反馈电压与设定电压进行比较,进而通过调整功率晶体管的电阻大小对输出电流If进行调整。整个闭环反馈系统处于动态平衡中,以达到稳定电流的目的。输出电流If与设定的参考电压Vref的关系可由负反馈原理得到