脉冲式激光驱动电源的研究与设计

脉冲式激光驱动电源的研究与设计

1.1 引言

二十世纪后期到二十一世纪初，超短脉冲激光成为强有力的科学研究手段，使科研上升到一个新的层次。一些国家和部门重点实验室的科研项目，有很大比例围绕着超短脉冲激光及其应用。由于半导体激光器的增益带宽很宽适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用[62]。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用。大电流超短脉冲半导体激光器可以直接作为仪器使用，它更可以作为系统的一个关键部件、一个激光光源。它将作为火花启动庞大的仪器装备制造业，因此研究如何从半导体激光器获得大电流超短脉冲激光备受重视，也是我国亟待解决的科技问题。目前，美、德、日等国在脉冲驱动源的发展走在了前列，已经达到很高的水平，据文献报道[62,63]，他们目前已能获得电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒，甚至皮秒级的半导体激光器驱动电源，但该电源还处于实验阶段，尚未商品化。一些半导体器件公司研制的LD驱动电源指标也已经很高，并且商品化。如专门生产小型化高速脉冲源著称的A VTECH 公司生产的型号为A VOZ-A1A-B、A V-1011-BDE驱动电源，其电流脉冲峰值可达2A，脉宽为100nS脉冲上升时间仅为10nS，重复频率可达1MHz。并带有通用的接口总线，通用性强，可用于驱动多种类型的半导体激光器。DEI公司的PCO-7210驱动电源脉宽小于50nS，重复频率也达到1MHz，峰值电流为十几安培，但这些产品价格昂贵，需要一到两万美金左右。在国内，对于脉冲式驱动电源的开发，大多用于光纤通信，其对输出电流的要求很低，只有几十毫安即可。由于半导体激光器的增益带宽很宽，适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用[64,65]。本章通过分析比对，选取快速开关器件VMOSFET作为半导体激光器脉冲驱动电路的核心元件，得到了大电流、窄脉冲输出。本设计具有结构简单、小型化、低电压供电、脉冲指标易于调整等优点。其主要设计指标如下：

1.脉冲宽度最小为30nS且连续可调；

2.脉冲频率在500Hz~50KHz连续可调；

3.最大输出电流峰值为5A。

1.2 超短脉冲驱动电源的设计

1.2.1超短脉冲驱动电源的整体设计

一、脉冲驱动电源的主要技术指标

从半导体激光器脉冲驱动电源的发展趋势来看，驱动技术是向着重复频率变高、功率输出增大、响应时间缩短，脉宽越来越窄的方向发展[66]。

（1）重复频率。重复频率是指电源向负载每秒中放电的次数，它是脉冲电源的一项重要指标。一般情况下，把每秒低于一次的电源叫低重复频率电源；而把

每秒高于一次的电源叫高重复频率电源，每秒高于一千次的叫超高重复频率电源。电源的重复频率是根据激光器的要求而决定的。

（2）输出功率。输出功率就是激光器电源传送给负载的功率。对脉冲式电源，输出给负载的单次能量是一项基本指标。如果定义电源输出的单次能量是Jc，工作频率是f，输出能量是Po，那么就有Po=Jc·f

（3）占空比。占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。它是在连续的脉冲信号频率或周期不变的前提下定义的，用来衡量开关管导通或截至状

况，在这个前提下，设开关管的导通时间为Tо，脉冲周期为T，则占空比为Tо:T

比如方波的占空比就是50%。

（4）一般在谈到脉冲波型的时候都是把它当作理想的矩形波来考虑的，而实际上出现的波形，由于是通过一系列传输电路来的，所以总会有一些频段被丢失，一般波形的棱角会变钝。图6.1给出了实际的脉冲波型，对波形一般采用如下定义：

图1.1波形的要素

◆脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔；

◆上升时间tr：从脉冲前沿波形的10%到达90%的时间；

◆下降时间tf：从脉冲后沿波形的90%到达10%的时间；

◆上冲电压V over：脉冲前沿波形中瞬时超过最终脉冲振幅值的超越电压；

◆下冲电压Vunder：脉冲后沿波形中瞬时低于低电平并返回的超越电压；

◆脉冲宽度tw：从脉冲前沿到达波形振幅的50%到脉冲后沿到达振幅的50%

位置的时间间隔；

◆占空比q：对于非理想脉冲，占空比定义为脉冲宽度与脉冲.周期的比值，即q=tw/T；

◆延迟时间td：从输入波形通过50%振幅的时刻，到波形的输出波形通过

50%的时刻。

二、设计的主要技术指标

半导体激光器工作于脉冲方式，驱动电源输出电流的幅频率均要可调。针对实际要求，提出设计的半导体激光器脉源的指标：

◆重复频率满足输出脉冲在500Hz到50KHz可调；

◆输出脉冲电流为3A以上，属于大电流输出方式；

◆输出电流脉宽较窄且脉宽可调；

◆上升时间和下降时间在纳秒量级；

◆由于脉宽较窄且频率不高，属于低占空比工作方式

◆外围辅助电路保证激光器正常工作。

三、总体框图设计

在仔细分析了半导体激光器的工作原理、半导体激光器的特性和它在使用过程中对驱动电源提出的具体技术指标后，提出了脉冲式半导体激光器驱动电源主电路的设计方案如图1.2所示。

图1.2脉冲式半导体激光器驱动电路框图

半导体激光器脉冲驱动电源首先要产生一个超短电脉冲，用它来激励下级功率放大模块。由于电脉冲的频率和脉宽直接影响到输出脉冲的指标，所以在两者之间又设计了脉冲调理电路，它可以实现窄脉宽且频率在指标范围内连续可调，同时将脉冲信号进一步窄化。通过功率放大电路对前级产生的超短电脉冲进行放大，从而驱动半导体激光器。辅助电路除了用单片机测频外，还设计了防冲击保护和短路保护电路[67,68]。