刘澄2004半导体激光器稳功率脉冲电源设计精

1、收稿日期:2003-10-16.光电技术应用半导体激光器稳功率脉冲电源设计（国电电力集团国电环境保护研究所，江苏南京210031摘 要：根据半导体激光器的温度2驱动电流2光功率特性，通过脉冲驱动技 术、功率控制技术和抗浪涌技术的综合应用，设计、制作了一种实用的半导体激光 器脉冲驱动电源，解决了半导体关键词：半导体激光器；脉冲电源；浪涌；功率控制中图分类号：TN248. 4文献标识码:A -0235-03Desig n of Semic on ductor LasersLIU Cheng(G P rotection I n stitute , G uodia n Pow er G roup ,

2、N anji ng 210031, CHNAbstract : on the characteristics of the temp erature 2driv ing curre nt 2op tical power for semic on ductor lasers , an app licable semic on ductor laser pu Ise driv ing source is desig ned and fabricated by using the pu Ise driv ing , po wer con trol and anti 2surge tech niq u

3、es. Both the p roblem of com mon surge impu Ise in the app licati on of semic nductor lasers and the difficulty of op tical po wer syn chro con trol whe n the pu Ise drived in the range of wider temp erature are solved.K ey w ords : semic on ductor laser ; pu Ise source ; surge ; po wer control1引言半导

4、体激光器（LD的一个重要的特性就是：在驱动电流大于阈值电流以上的一段区域，驱动电流与输出光功率近似呈线性关 系,这样就可通过调制驱动电流来对 LD的输出光进行直接调制，调制频率可高达几 兆赫兹。根据半导体激光器的温度2驱动电流2光功率特性，本文设计、制作了半导体 激光器稳功率脉冲驱动电源。该电路具有设计合理、结构简单、调整方便、采用元器件少、抗干扰能力强、可靠性高的特点。经实验证明：对于某些型号的小功率半导体激光器，在一定的温度、功率范围内，能有效地达到直接电调制脉冲光输出的目 的,满足一些常规仪器设备的应用要求。2 LD的温度2驱动电流2光功率特性图1所示是一种典型的小功率半导体激光器在不同

5、温度下的激光输出功率 P与正向驱动电流I的关系曲线。为了便于看清楚，图中底部的近似直线部分有意抬高了一些O图1 LD的温度2驱动电流2光功率特性曲线2. 1驱动电流2光功率特性从图1中可以看出：某一温度下，当驱动电流I小于阈值电流I th时，激光器输出光功率P近似为零,激光器输出端仅能看见微弱的暗红色；而当驱动电流大于阈值 电流I th时，激光器输出光功率P随着驱动电流I的增加近试呈线性上升关系。如果驱532?半导体光电2004年第25卷第3期刘 澄：半导体激光器稳功率脉 冲电源设计动电流是脉冲电流，则输出的激光也一定是脉冲光。这一特性，为输出激光的直接电脉冲调制提供了可能。2. 2温度2光功

6、率特性从图1中还可以看出：随着温度的升高，阈值电流I th也升高，激光器的特性曲线随温度升高向前平移，激光输出功率下降，以至于可能不能满足仪器设备正常工作 的要求；随着温度的下降，阈值电流也下降，激光器的特性曲线随温度的下降向后平 移,激光输出功率上升，最终可能因驱动电流过大而烧毁激光器。阈值电流与温度的关系基本上呈指数关系，可近似用以下公式表示：I th (T =I thO+k exp (T/T 0 (1式中:I th (T是温度T时的阈值电流,I thO是温度T 0时的阈值电流，k T 0激光器室内调试时的温度，,T是激光器工作温度。这个特性，给采用半导体激光器作为光源的仪器设备在宽温度范

7、围时的应用带来了很大的麻烦。3半导体激光稳功率脉冲驱动电路设计本文以重庆航伟光电技术公司生产的 AL650T5半导体激光器为例，介绍一种半导体激光器稳功率脉冲驱动电路。该型号管子的输出光波长为650nm ,裸管额定功率为5mW。其工作特性曲线与图1所示数值接近。,设计、制作了相应配、电流和静电荷等，因此，在管子的驱动电。2所示。图2半导体激光器稳功率脉冲电源电原理图3. 1抗浪涌冲击电路W Y1TVS二极管用于抑制交流220V市电网络来的强冲击；工频变压器屏蔽层应可靠接地；W Y2TVS二极管用于抑制变压器次级的冲击干扰；W Y3用于抑制三端稳压器LM7805输入端的尖峰干扰;W Y4用于抑制

8、三端稳压器输出端的尖峰干扰；C3、C4、L1、C5、C6和C8、C9、L2、C10、C11组成两级n形滤波网络,分别设置在慢启动电路的两端,用于滤除电源纹波和抑制尖峰脉冲；W Y5TVS二极管进一步抑制残留的浪涌电压。如果在交流市电220V的入口处再增加一只电源滤波器，抗浪涌冲击的效果会 更好一些。3. 2慢启动电路R1、C7、Q1（达林顿三极管 组成电源慢启动电路。上电后,三端稳压器LM7805输出的+5V电源给R1、C7组成的电路充电,在电容器充电电压达到1.3V左右时,才使Q1 达林顿三极管中的两只三极管逐级导通，给激光二极管LD1缓慢供电，以避免突然 通电给LD1造成冲击,一般导通时间

9、大于100ms即可。3. 3半导体激光器AL650T5由激光二极管LD1和光电二极管PD1组成，封装在同一只管壳中。LD1发出激光,PD1接收部分激光并产生与发射激光强度呈线性关系的电流信号。3. 4脉冲信号产生电路脉冲信号产生电路由晶体振荡电路和脉冲分频电路两部分组成，用于产生频率稳定度高、占空比稳632? SEMICON DUCT OR OPT OE LECTR ONICS V ol. 25N o. 3June 2004定的驱动脉冲信号。本设计中振荡频率为 976. 56Hz。晶体振荡电路由TTL集成电路7400、C15、C16、R7、R8、CR Y1组成，振荡频率为4MHz 。脉冲分频电

10、路由CMOS集成电路4040实现。4MHz脉冲信号经4040分频后 从1脚输出频率为976. 56Hz ,占空比50%,幅值为5V驱动脉冲信号。3. 5脉冲驱动和功率控制电路驱动电路由R2、Q1、R6组成。R2是限流电阻，Q1是一只NPN型通用三极 管,R6用于使Q1工作在线性区。功率控制电路由取样电阻R3、两只单电源仪表放大器AD623及外围元件R4、R5、C13、W1、W2、W3 组成。PD1与取样电阻R3相连,将PD1产生的电流信号转换成反馈电压信号。U1、R4、W1、W2放大电路,上是一个减法、,为U1的输出,以使在温度下降时能够有一个下调的电压空间，形成一个负向的调节信号，因为AD6

11、23是一个单电 源工作的器件，输出电压始终在零伏以上，不能产生负电压信号；W1用于设定室温 下与激光器额定功率（脉冲功率5mW相对应的直流电压，形成一个控制的基准电压；R4是AD623的反馈放大电阻,由它决定基准电压和取样电阻上的电压差值的放大倍数,形成一个合理的功率偏差补偿信号。R5、C13组成一次滤波电路,对功率偏差补偿信号进行平滑滤波,去除毛刺,形 成一个平滑的直流信号。U2、W3组成加法电路。其中,W3用于调节室温下激光二极管的脉冲发光功率 到5mW 。 U3是一个放大倍数为1的加法器,用于将W3设定的对应5mW额定脉冲光功率的脉冲驱动电压与U1送出的光功率偏差补偿信号相加，输出一个经

12、补偿 后的脉冲驱动电压,通过R6驱动三极管Q1工作,以达到稳定LD1发光功率的目的, 实现对激光二极管的稳功率控制。4测试结果该电路经调试后，室温下稳定工作在额定功率（脉冲功率5mW。经2h老化后, 对激光器和驱动电路同时加热，共进行了 5组试验,数据平均值如表1。表1测试结果激光脉冲输出功率/mW温度/功率偏移量/%由于试验条件的原因，未能进行低温下的温度试验。另外,。该电路在任意开、，在抗浪涌冲击。国电电力集团国电环境保护研究所研制的烟气浊度在线监测仪，为了便于信号处理和提高测量精度，需要脉冲光源。以前采用的方法是：使半导体激光器发出恒定 光,然后使用机械斩波器（同步电机带动齿轮圆盘转动 对恒定光按照需要的频率进 行通断切换以获得脉冲光。该方法的优点是激光器电源简单、稳定、驱动电路技术 成熟、易于采购、加工；齿轮圆盘也易于制作。缺点是同步电机现场长时间运行易 损坏,形成的脉冲波形一致性、对称性较差，波形上下沿时间长，频率稳定性也较差， 对提高测量精度有一定影响。现在，采用了以上方法研制的半导体激光器脉冲驱动 电路,激光器发出的脉冲光的波形的一致性、对称性、频率稳定性等各方面指标都 得到了明显改善，提高了仪器的测量精度。由于J YZ -1型烟气浊度在线监测仪的光路设计上具有一定的补偿措施，可允许激光功率在 吃0%的范围内起伏,因此,-8%的光功率偏移量已