半导体激光器的功率稳恒控制技术[1]

第30卷第6期 光　子　学　报 V o l.30No.6 2001年6月 ACTA PHOTON ICA SINICA June2001　
半导体激光器的功率稳恒控制技术
徐秀芳　胡晓东
(中国科学院西安光学精密机械研究所,西安710068)
摘　要　半导体激光器作为高精度激光自准直经纬仪的光源,所需解决的关键性问题是它的
安全使用及在工作温度范围内其输出功率保持不变的问题.本文提出了一种功率稳恒技术
的新方法和它的驱动电源的设计,并在激光自准直经纬仪中应用,证明该设计方法结构简单,
系统可靠.
关键词　半导体激光器;功率稳恒;阈值电流
0　引言
随着科学技术的飞速发展,激光技术己深入到国民经济和国防建设的各个领域1.半导体激光器(简称LD)是利用半导体材料导带中的空穴的复合来产生受激辐射,红光半导体激光器的诞生又将激光技术推向新的境界.1988年,日本东芝公司首先生产出商品化的波长为670nm、输出功率为3m W的可见光半导体激光器(简称VLD),VLD产品按波长和功率分类己形成系列,并继续向短波和大功率发展.由VLD配以光学和冷却系统构成的小型红光半导体激光器(光源)正被大量用于激光教鞭、条形码阅读器、激光打印机、视频光盘和测量仪器的瞄准指示等方面.由于其体积小、重量轻、寿命长(5万小时以上),价格不高,又可用于电池直接驱动,便于促使激光仪器向小型化发展1.半导体激光器最重要的特性是,在发射阈值以上的一段区域,输入电流与输出功率呈线性关系,这样就可通过调制输入电流对LD的输出直接调制,并且响应速度快,调制频率可高达几兆赫2.
半导体激光器与其它激光器相比具有无法比拟的特性,常见的激光器如He-Ne激光器,采用高压激发(约1500V),而半导体激光器采用2～3V的低电压激发,相比之下,半导体激光器的激励方式较为安全.He-N e激光器的效率一般不超过0.2%,而半导体激光器的效率达2%,相差10倍.上述特点体现了半导体激光器的优越性,在一些测量仪器中,选用半导体激光器照明,能满足单色性好、相干性好、光束准直精度高等要求,因此使用非常广泛,在远距离通讯、激光雷达、数字信号的存储和恢复、激光测距速度、机器人、全息应用、医学诊断等方面都有广泛的应用.但是在实际应用中,我们将会遇到许多问题,比如,在打开和关断激光器时,阻抗与激光器不区配的问题,还有激光器在发光时阻值不断上升降低输出光功率等,这一系列的问题将有可能导致激光器的永久性的破坏或使发光强度达不到作为光源时的参量要求.本文介绍了一种半导体激光器的功率稳恒控制技术,并把它应用在激光自准直经纬仪中,取得了理想的控制效果.
1　激光器的结构特点
半导体激光器的结构可用图1所示的电学符号来表示,图2所示的是RLD的工作原理,对LD 来说是正向接法,对PD来说是反向接法,管脚2接正电位,与LD串联的限流电阻R控制LD的工作电流I OP,也就是控制管子的发光功率,PD 受光后转换出的光电流I m在串联电阻上的电压信号也反映出出射光功率的大小,因此添加反馈控制电路即可达到稳恒发出光功率的目的.LD 和PD封在一个管壳内是VLD的一大特点1.
收稿日期:2000-08-28
图1　RL D 电学符号图
Fig.1　R LD electr ics sy mbol fig ur
e
图2　RL D 工作原理图
Fig.2　R LD wo rking principle fig ur e
半导体激光器的谐振腔很小,反射镜也非常小巧,该结构特性决定了它与其它激光器与众不同的特点.在高精度激光自准直经纬仪中采用的是SDL-7501-G1型的激光器,该器件的主要技术指标为阈值电流:31mA;可见光波长:638nm ;阻抗:4.22OHM S ;检测温度:25℃;监测电流:0.005～0.015mA /m V .
从上述参量可见,该半导体激光器具有较低的阈值电流,便于达到电流设计的要求.半导体激光器在开时产生低阻抗,在关时产生高阻抗,因此在信号调制时将遇到阻抗不匹配的问题并且反馈到源极,如果反馈的能量没有被吸收,将会产生破坏性的效果,所以在电路设计时要考虑到开关时间延迟的问题.检测电流是由激光管内含有的光电二极管PD 产生的,当激光器点亮时,PD 接收部分光从而转化为监测电流,该检测电流可用来对激光器进行负反馈控制.
2　功率稳恒控制的实现
半导体激光器的禁带宽度随温度面变化而变化(图3所示),当结温升高时,禁带宽度变窄,导致激发波长向长波方向移动,移动速率约为0.2nm /t ℃左右3
.半导体激光器在不同温度下的输出功率P 与工作电流I 的关系如图4所示.由图可见:在同一温度下,当I 小于某一值时,P 为零,而当I 超过某一值时,P 随I 的上升而上升
,这个电流称为阈值电流3.阈值电流随温度升
高而升高,所以激光器的特性曲线基本随温度的变化而平行移动,在恒流状态工作,当温度发生变化时,输出功率的变化很大.
图3　结面温度与波长关系曲线
F ig.3　T he relatio nship curv e of surfa ce
t emper ature a nd w aveleng th
图4　输出功率与正向工作电流关系图 F ig.4　T he relativ e fig ure o f output po wer
and po sitive w or king curr ent
由半导体激光的结构决定电路设计时要考虑电源电压及限流电阻,工作电流要求既能超过阈值电流以又不超过允许的最大值,电流过大会损坏管子的谐振腔,因此,我们设计的功率稳恒控制电路主要控制的是:1)稳恒电压;2)限流.限流的目的是保护半导体激光器避免受损;另外,由于阈值电流随温度的升高而增加,一般用下面的经验公式计算,即
I TH2=I TH1exp[(T 2-T 1)/T 0]
I TH2、I TH1分别是T 2、T 1温度时的阈值电流;T 0是器件常量.因此,稳恒电流的目的是给激光器以足够大的驱动电压,使发出的光强达到仪器的要求.
2.1　慢启动及稳压电路2.1.1　慢启动电路
电路设计要保证激光器长期稳定地工作,设计慢启动电路的目的就是防止浪涌冲击.半导体激光器非常容易受电压电流或静电荷的冲击而损坏3
,受损了的激光器用万用表来测量其正反向电
762 光子学报 30卷
阻,多数同普通二极管一样,是正常的.但是发出的激光则有不同程度的减弱,这时的激光衍射图不再是完整的椭圆,而是带有黑斑的椭圆,这时的管子虽未完全损坏,但使用寿命却大大降低.要使激光器能任意的开关,应设法使因电源开、关引起的电流变化为一种缓慢的改变(而不是突变),为此,设计了慢启动电路(原理图如图5所示
).
图5　半导体激光器慢启动电路
F ig.5　Slo w star tup circuit o f semiconducto r laser
2.1.2　调整基准电压及稳压电路
调整基准电压电路主要由三极管V 、二极管D 、模拟开关以及电压比较器LM139组成.主要通过电阻器R 来调节基准电压,给VLD 提供一个能正常工作的驱动电流.为了保证能给激光器提供持续稳定的电压,设计的稳压电路如图6所示
.
图6　稳压电路
Fig.6　V oltag es tabilizing cir cuit
2.2　限流及功率稳恒电路
由于激光自准直经纬仪要求激光器发出强度稳定的光,而阈值电流随温度的增加而增加需要不断地增加驱动电压,限流电路主要控制反向电压和稳定电压.我们知道,VLD 通过的电流决定着它的使用寿命,电流过大以致于超过允许电压值,则激光器会被击穿,造成永久性破坏.设计限
流电路的另一目的是防止激光器在“开、关”瞬间电流过大击穿激光器,有限流和控制反向电压的作用.由两个运算放大器构成电压反馈电路,该电路可以给激光器提供合适的驱动电流,计算公
式为
V 0=k (V 1-V 2)
V 0为提供给激光器的驱动电压,V 1为基准电压,V 2为反馈电压.它的电路原理如图7所示
.
图7　限流及功率稳恒电路
F ig .7　L imit ed curr ent and steady pow er circuit
前面己经提到半导体的输出功率受温度的影响很大,也就是阈值电流随温度的升高而增加,因此要使功率稳定就是要使半导体激光器的工作电流随温度的变化而作相应调整.为了使功率稳恒采用恒流或者恒压的方式都不合适,在这里采用自动功率控制电路.也就是说当温度升高时,输出功率下降,此时应适当调整工作电流使其升高,这样功率就保持不变;反之亦然.
当半导体激光器的温度升高(下降)时,它的输出功率将会减小(增大),从而使流过PD 的监测电流I 减小(增大),这样就使取样电压减小(增大),于是通过反向放大器和负反馈电路使RLD 两端的电压升高(降低),使激光器功率保持不变.
3　应用
根据上述原理,我们设计出的半导体激光器的功率稳恒电路,设计方法简单、可靠、价格低,容易实现.将该电路应用于激光自准直经纬仪的电控系统中,相干性好,光束准直精度高.
763
6期 徐秀芳等.半导体激光器的功率稳恒控制技术
764 光子学报 30卷
参考文献
1　孙利彦.红光半导体激光二极管.无线电,1995,(1):42～44
2　梁芳,强锡富,孙晓明.一种简便实用的半导体激光器调制电路.光学精密工程,1999,7(1):96～99
3　钟建荣.红色半导体激光管的基本特点和它的应用要点.北光通讯,1997,(4):6～8
THE POWER STEADINESS AND CONTROL TECHNOLOGY
OF SEMICONDUCTOR LASER
Xu Xiufang,Hu Xiaodo ng
X i′an I nstitute of Op tics and Pr ecision M echanics,A cad emy of S cience in China,X i′an710068
Abstract　As the lamp-house of high precision laser and auto-collimation theo dolite,the semiconduc-to r laser is needed to solve the key problems:the safe application and the outputting pow er ho lding steadiness.T his article br ings forw ard a new m ethod of pow er steadiness technolo gy and the desiging of dr iv ing pow er supply.The method is used in laser auto-co llimatio n theo dolite and be pro ved that the co nfiguratio n is simple and the sy stem is credible.
Keywores　Semico nductor laser;Po w er steadiness;T hreshold current
Xu Xiufang　w as born in1973in Liaoning Pr ovince,graduated fro m
Changchun Institute of Optics and Fine M echanics.There she go t the
bachelo r degree in1996and g ot the master deg ree in1999.Now she is a
Ph.D student of Xi′an Institue o f Optics and Precisio n mechanics.Her
research includes the electronic subdevision of hig h precisio n laser auto-
co llimation theodolite.She is also inter ested in CCD ang le measurement
sy stem.。