CN100423428C - 一种用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，由脉冲发生器、脉冲电平转换器、脉冲驱动输出单元、低频直流控制单元以及电流监测输出端和触发电压输出端、激光器波长调谐的低频直流偏置输入端和偏置监控输出端构成。脉冲重复频率10-100KHz，脉冲宽度范围100ns-1μs，且分别独立可调。驱动脉冲电压幅度可在一伏至数十伏范围内设定，电流达数安培乃至数十安培，驱动脉冲电流的占空比调节范围可超过二个数量级，具有高的稳定度，不仅可通过低频或直流偏置对半导体激光器的激射波长进行调谐，而且可用示波器实时测量激光器驱动电流脉冲的波型和幅度，由触发脉冲进行同步。是一种普适的半导体激光器脉冲电源，通用性强。

Description

一种用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源

技术领域

本发明涉及一种用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，更确切地说，本发明提供一种驱动参数大范围可调的半导体激光器脉冲驱动电源，可用于一系列需要在苛刻的脉冲驱动条件下工作的特殊半导体激光器以及常规的脉冲大功率半导体激光器，也可用于中、小功率的激光器。本发明属于半导体光电子器件及电子电路技术领域。

背景技术

自上世纪六十年代半导体激光器发明以来，其结构已由简单的同质结发展到异质结、量子阱、分布反馈以及面发射等等，但其基本结构均为一双极型的二极管，这些种类的激光器已实现了商品化并应用于众多领域。随着半导体激光器理论及材料生长技术的进步，1994年出现了单极型的量子级联激光器，并且在十年中有了长足的发展。

量子级联激光器是具有级联结构的单极型二极管激光器，与传统的pn结型激光器相比具有一系列特点：首先，由于其一般具有多达几十级的级联结构，而且每一级的相对效率较低，因此工作时需要较大的驱动电流，一般在数百毫安至数安培量级；其次，其级联结构决定了其工作时所需的驱动电压较高，一般在十伏量级；在此情况下激光器芯区所承受的功率密度甚高，在连续波工作时发热量将很大，难以耗散。因此，此类器件常需要在脉冲驱动下工作以减小发热量，并且所需的脉冲参数如占空比及脉宽等常需要在很大的范围内可以调节，这就给其驱动电源带来了很高的近乎苛刻的要求。例如：某一常规的量子级联激光器需要10伏的驱动电压和2安培的驱动电流，如要求其平均驱动功率为20毫瓦，则其脉冲占空比只能为0.1％，如重复频率为10KHz，则脉冲宽度只能为100ns，高频要求已达到百MHz量级，由于激光器工作时的阻抗很低，一般在10欧姆以下，考虑到此时高频连接的影响，实际要求脉冲输出电压可在30伏以上，这样这个激光器就需要一个50V/2A/100ns的脉冲发生器来驱动，要求是相当苛刻的。此种脉冲发生器虽然国际上已有商品，但其价格很高，进口需数万美元，且体积和功耗也很大，用于驱动实际应用场合下的激光器是不合适的。

近年来随着半导体激光器的发展，新型的激光器如II型级联激光器、带间级联激光器等也已出现，这些激光器也有和前述相似的驱动要求，脉冲大功率激光器的发展对其驱动电源也有类似要求。针对这些需要，本发明旨在提供一种普适的激光器脉冲电源，可以满足前述激光器的驱动要求且具有一体化、体积小、重量轻、成本低等特点。

发明内容

本发明提供一种用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，包括脉冲重复频率和脉冲宽度在大范围内分别独立可调的脉冲发生器、脉冲电平转换器、输出电流电压大范围可调的电流脉冲驱动输出单元、激光器波长调谐的低频直流偏置控制单元构成，还包括电流脉冲幅度监测输出端和触发电压脉冲输出端，低频或直流偏置输入端和偏置监控输出端。所述的脉冲发生器产生的电压脉冲，经脉冲电平转换器转换至具有0-12V电平的脉冲，用于驱动电流脉冲驱动输出单元，再驱动激光器。激光器波长调谐信号通过低频直流偏置控制单元输入电流脉冲驱动输出单元。本电源除可用于驱动常需要在高电压大电流短脉冲下工作的半导体量子级联激光器外，也适用于其他各类需要脉冲电流驱动的半导体激光器，驱动脉冲电压幅度可根据需要在约一伏至数十伏范围内设定，电流可达数安培乃至数十安培以上，驱动脉冲的占空比调节范围可超过二个数量级，具有很高的稳定度，且可以通过低频或直流偏置对半导体激光器的激射波长在一定范围内进行调谐。本电源可用示波器实时测量激光器驱动电流脉冲的波型和幅度，并可由触发脉冲触发示波器进行外同步稳定测量。本电源还具有一体化的特点，可用市电或电池供电，体积、重量、功耗和成本都远小于常规的脉冲发生器，对所驱动的半导体激光器也有良好的保护作用。因此，本发明的电源是一种普适的半导体激光器脉冲电源，具有很好的通用性。

一、脉冲发生器部分：

脉冲发生器用于产生所需脉冲参数的驱动脉冲，采用数字集成电路构成，具体可使用TTL(晶体管-晶体管逻辑电平)触发器产生重复频率和脉宽单独可调的TTL电平的脉冲，采用两组电阻-电容(RC)作为定时网络，R为可调电阻，C为固定电容，具体数值可根据脉冲参数的要求选取。脉冲输出经TTL门电路缓冲后送至脉冲电平转换器。为使其具有较强的驱动能力，可选取具有50Ω驱动能力的TTL门电路。

所述的脉冲发生器的脉冲重复频率范围10KHz-100KHz，脉冲宽度范围100ns-1μs，且频率和宽度独立可调。

二、脉冲电平转换器及电流脉冲驱动输出单元：

由于电流输出单元需要较高的驱动电平，设置了电平转换器将TTL电平转换至0-12V电平，此转换器由晶体管电路构成，晶体管的最高工作频率选在数百MHz以上以保证良好的高频特性。电流脉冲驱动输出单元采用功率开关器件构成，其电流、电压、功率及开关参数根据所驱动激光器的要求选取并留有充分裕量。

三、电流脉冲幅度监测输出端和触发电压脉冲输出端：

由于在被驱动激光器回路上进行电流脉冲幅度测量较困难，此电源中特别设置了电流脉冲监测输出端和触发电压脉冲输出端，电流脉冲幅度监测采用互感器方式，触发电压脉冲由脉冲发生器经门电路缓冲后引出，这样可外接示波器实时测量激光器驱动电流脉冲的波型和幅度，并可由触发脉冲对示波器进行触发以在外同步模式下进行稳定的观测。互感器采用50Ω低阻抗输出以保证良好的高频特性，其幅度校准至1V/A以方便测量，可直接送至示波器的50Ω输入端。由于采用了具有较强驱动能力的门电路，利用触发电压脉冲输出端还可将此电源作为50Ω输出的TTL脉冲发生器使用。

由此可见，本发明所述一体化电源设有电流脉冲监控输出端和触发电压输出端，电流监控输出端的输出信号反映激光器驱动电流脉冲的波型和幅度，可用示波器进行实时测量，触发电压输出端输出的信号可送至示波器的外触发输入端进行波形同步，以稳定地观察驱动电流脉冲波形使其不受电流幅度地影响。

四、低频或直流偏置控制输入端和偏置电流监控端：

偏置控制输入端采用晶体管跟随可控电流负载形式构成，晶体管的参数可根据偏置电流的要求选取。此端子的输入电平可根据需要选取，为方便使用可将此端子的输入电平设为0-3V，使施加低频偏置时可直接使用TTL电平，使用中可采用低频频率固定，脉宽连续可调的TTL脉冲发生器(此脉冲发生器可采用与前述相同的型式，但RC设定为所需低频，可同集成于此激光器驱动电源中并另设一开关控制其接入)对激射波长进行连续调谐，也可采用直流输入进行调谐，偏置电流监控端用于对偏置电流进行测量。

由此可见，本发明提供的一体化电源中低频直流控制单元具有低频直流偏置控制输入端和偏置监控输出端，在低频直流偏置控制输入端上施加低频或直流电压信号可用于激光器进行波长调谐，并可在偏置监控输出端上用示波器或电压表直接测量低频或直流偏置电流的幅度。

五、直流供电部分：

本电源的直流供电采用具有两路输出的开关电源，也可经切换接入两路电池以适合特殊场合的使用要求。一路直流电源为12V，其输出除直接供给电平转换器使用外，还经二次稳压为5V后供给TTL电路使用以保证脉冲输出有很高的稳定性。另一路直流电源的电压电流要根据所驱动激光器的参数选取并留有足够裕量，此路输出经一可调稳压电路后成为大范围可调的直流输出供给电流脉冲驱动输出单元使用。由于是在脉冲条件下使用，这一路的输出要经过充分的高频和低频滤波以保证其良好的稳定性。所选开关电源具有短路和过电流保护功能，可以起到较好的保护作用。

附图说明

图1是本发明提供的一种用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源的示意图。

具体实施方式

下面通过附图的实施例进一步说明本发明的实质性特点和先进性，但绝非限制本发明，也即本发明绝非局限于实施例。

实施例：量子级联激光器大电流短脉冲驱动一体化电源

实施步骤：

1、一量子级联激光器要求的脉冲驱动电源参数为：考虑到激光器连线阻抗的影响，要求驱动电压输出大于32V，驱动电流输出大于2A，脉冲重复频率范围10KHz-100KHz，脉冲宽度范围100ns-1μs，偏置电流范围0-100mA。

2、根据此激光器所需的驱动参数，我们选定标称值为12V0.5A及36V0.5A的两路输出开关电源为其供电，由于激光器所需的最大占空比为10％，故36V0.5A的直流电源已可满足脉冲驱动的要求。

3、根据脉冲参数调节要求，选取两只47K的多圈电位器作为频率和脉宽调节，已保证足够的调节精度。

4、由于驱动脉冲的最小脉宽为100ns，故选取所用晶体管的特征频率大于500MHz，开关时间在30ns以下。

5、根据驱动电流电压及脉冲参数要求并留有一定裕量，选取功率开关器件的脉冲工作电流大于6A(单管难以达到时可采取并联方式)，耐压大于50V，开关时间小于20ns。

6、5V二次稳压输出采用固定三端稳压块，由于功耗甚小可不需另加散热器，可调稳压输出采用可调三端稳压块，并采用软起动方式以避免其输出过冲，输出电压也采用多圈电位器进行调节以保证精度和输出平滑，并在其输出端增加了单独的开关以防误操作。此路输出由于功耗较大，添加了合适的散热器并增加了多路高频低频滤波。

7、根据偏置电流范围决定偏置限流电阻为25Ω/1W，输出和输入接口均采用BNC接口已保证其高频特性。

8、市电输入端增加指示灯和熔丝，需要用电池驱动时需增加切换开关或采用自动切换方式。

9、相关电子部件安装于印刷电路板上，并与其他部件一起按装置示意图及相关说明可靠安装至一小型机箱中，检查无误后接通AC电源进行调试，符合要求后即可应用。

10、使用此激光器驱动电源时先打开市电电源开关，调节至选定的脉冲参数，将电流输出调至最小，打开电流输出开关，再将输出电流调节至所需的数值，必要时使用示波器监测输出电流和偏置电流的波形及幅度，使用完毕将输出电流调至最小，关闭电流输出开关，再关闭市电电源开关。

Claims (9)

1. 一种用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，包括直流供电部分，其特征在于：

(1)所述的一体化电源是由脉冲重复频率和脉冲宽度分别独立可调的脉冲发生器、脉冲电平转换器、输出电流电压可调的电流脉冲驱动输出单元以及低频直流偏置控制单元组成；

(2)所述的脉冲发生器产生的电压脉冲，经脉冲电平转换器转换至具有0-12V电平的脉冲，用于驱动电流脉冲驱动输出单元，再驱动激光器；

(3)所述的直流供电部分采用具有两路输出的开关电路，其中一路直流电源输出直接供给脉冲电平转换器及经二次稳压后供给脉冲发生器；另一路直流电源是经可调稳压电路输出供给电流脉冲驱动输出单元使用，所述的电流脉冲驱动输出单元的电压电流根据所驱动激光器的参数选定；

(4)所述的低频直流偏置控制单元的波长调谐信号输入电流脉冲驱动输出单元。

2. 按权利要求1所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于所述的脉冲发生器采用两组电阻-电容作为定时网络。

3. 按权利要求1或2所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于脉冲发生器的重复频率范围为10KHz-100KHz；脉冲宽度范围为100ns-1μs。

4. 按权利要求1所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于所述的脉冲发生器的输出电平为晶体管-晶体管逻辑电平。

5. 按权利要求1所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于脉冲电平转换器由晶体管电路构成，晶体管的最高工作频率选择在数百MHz以上的高频。

6. 按权利要求1所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于电流脉冲驱动输出单元采用功率开关器件构成。

7. 按权利要求1所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于脉冲发生器经门电路缓冲后引出触发电压输出；电流脉冲驱动输出是由电流脉冲驱动输出单元引出的，所述的电流脉冲驱动输出单元是采用50Ω低阻抗输出的互感器方式，外接示波器实时测量激光器驱动电流脉冲的波形和幅度，并由触发脉冲对示波器进行触发，以在外同步模式下进行稳定的观察。

8. 按权利要求1所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于所述低频直流控制单元带有低频直流偏置控制输入端和偏置监控输出端，在低频直流偏置控制输入端上施加低频或直流信号用于激光器进行波长调谐，在偏置监控输出端上用示波器或电压表直接测量低频或直流偏置电流的幅度。

9. 按权利要求8所述的用于短脉冲大电流激光器驱动的一体化电源，其特征在于低频直流偏置控制输入端采用晶体管跟随可控电流负载形式，晶体管的参数应根据偏置电流的要求选择或设定。

Images