机载大功率半导体激光信标系统设计

机载大功率半导体激光信标系统设计涂遗;罗向前;金亮【摘要】Inordertocoordinatewiththegrounddetectiontrackingsystemfordetectingtheflighttarget,wedesignedanair-basedmonochromaticbeaconsystem.A40Whigh-powersemiconductorlaserisusedasthelightsourceofthesystem,whichhasacertainbeamdivergence.Asthebeaconsystemshouldmeettherequirementsofsmallerinsize,lighterinweightandfasterinheatdissipatingtofittheair-platform,wedesignedthealuminumshellasfinchipinone-pieceforlaser,whichhelpedsolvetheheatdissipationproblemandreducethesystemweight.Toachievethe60Ahighconstantcurrent,weneedtodrivethe40Wsemiconductorlasermoduleinthelimitedroom,theprincipleofdiphaseoverlaysynchronousandbucktransformationcircuitstructureisadopted.Tomakethelaseroutputpowerandcentralwavelengthstableinhighaltitude,wedesignedthetemperaturecontrolsystemwithdigitalandanaloghybridforheatingorcooling.TheZEMAXisusedtodesignthestructureofthebeamexpanderdevicewithdouble-concavelensgroup,whichcanregulatetheangleofdivergenceofthelightbeam.Byconductingtheenvironmentalassessmentandtest,weprovedthatinthe0°C~15°Cenvironment,thestabilityoftheoutputpowerandthecontrolprecisionofthecentralwavelengthcouldmeettherequirements.%为配合地面探测跟踪系统对飞行目标的探测,设计了一种以40W紧凑型半导体激光器为光源、具有一定发散角的机载式单色信标系统.由于系统要满足机载平台加装体积小、质量轻、散热好的要求,设计了一体成型的鳍片式壳体结构,解决系统散热问题的同时,控制了整体质量.为实现在有限体积内,40W单阵列光纤耦合半导体激光器模块所需的60A大电流恒流驱动，采用叠相调制技术和同步BUCK变换电路结构；为解决激光器在高空低温环境下输出光功率和中心波长能够稳定控制的难题,设计了数模混合双向温控系统.利用ZEMAX软件设计了双凹透镜组结构的扩束装置,实现了对激光发散角的发散和可调节•通过环境考核测试，系统在0工~15工的低温环境下，输出光功率稳定度和波长控制精度均能满足要求.期刊名称】《应用光学》年(卷),期】2012(033)006【总页数】7页(P1161-1167)【关键词】半导体激光器;单色信标;驱动电路;激光扩束装置【作者】涂遗;罗向前;金亮【作者单位】西北核技术研究所,陕西西安710024;西北核技术研究所,陕西西安710024;西北核技术研究所,陕西西安710024【正文语种】中文【中图分类】TN248引言在飞行器的飞行科研试验中，往往需要在飞机平台上加装具有一定光束发散角的信标系统，以配合地面探测跟踪系统能够尽早地发现和捕获目标。由于LED与LD均具有尺寸小、质量轻和低电压驱动、直接调制等特点，还具有高单色性和高方向性的优良特性［1］，可作为理想的单色信标光源。通常情况下，为节约成本，会选择单色LED来实现。目前，大部分红色LED的中心波长集中在630nm左右，要研制波长810nm附近的LED存在很多技术难题，而且要达到40W的光功率，在质量、功耗能方面都无法满足空中平台的要求。而波长在810nm附近的LD有满足功率要求的成熟产品，且采用光纤耦合输出方式简化了器件的应用，使系统在工程实现上更具备可行性。光纤耦合激光器通过一根多模光纤将激光耦合输出，其耦合效率能达到80%以上［2］，使得激光信标系统的集成化、实用化变为可行。本文在分析机载平台加装要求的基础上，设计了一种以中心波长810nm、输出光功率40W的光纤耦合半导体激光器为光源的单色信标系统，具有结构紧凑、质量轻、发散角可调等特点。系统总体设计机载平台特定的空间和结构要求决定了设计的信标系统结构必须很紧凑，总质量不超过2kg。除满足以上几个因素外，系统设计还应结合以下几方面的要求：1）加装。易于加装，且加装后信标系统既要便于调节发散角，又不能影响到平台的气动外形。2）减震。有良好的减震措施，确保系统能够经受机载平台在起飞、降落时带来的冲击振动。3）散热。大功率半导体激光器如果没有有效的散热措施，大量的废热产生会使器件根本不能工作［3］。而机载平台加装空间狭小，因此必须采用良好的散热技术，既保证激光器能够正常工作，又使散出的热量不会影响到其他机载设备工作。4）供电与功耗。机载平台提供的输入电压为28V，电流小于10A，要求信标系统的最大功耗不超过300W。基于以上分析，本文提出了机载式激光信标系统的总体设计方案。将LD与散热、减震以及驱动电路按照要求的尺寸进行集成，将这一部分作为信标系统的主体安装于空中平台舱内；激光通过光纤输出到空中平台舱外，在光纤输出端加装一个能够使光束发散的扩束装置，如图1所示。扩束装置通过一个二维连接装置固定在平台机体上，可以按照探测跟踪系统的要求灵活地对光束的朝向进行调节。图1半导体激光信标系统设计示意图Fig.1Designsketchmapoflaserdiodebeaconsystem由于普通大功率半导体激光器为实现系统良好散热，设计了较为复杂的散热装置，导致激光器体积大、质量大、功耗大，因而无法直接用于信标系统集成。为此，需自行设计一款满足要求的大功率LD。大功率半导体激光器设计组成与结构为使系统尽可能做到体积小、质量轻、成本低，本文在设计大功率LD时，采用了单阵列式光纤耦合半导体激光模块与驱动温控电路集成的思路，而且将常用的铜质散热基底改为带散热片的铝制基底。系统选用德国DILAS输出功率40W、波长在810nm附近、光谱线宽为2nm~3nm的单阵列光纤耦合LD模块，其配套光纤内径400pm、数值孔径0.22。设计方案：将LD模块、温控驱动电路集成在一个尺寸为172(L)mmx160(W)mmx55(H)mm—体成型的铝制机壳内，壳体采用鳍片结构，驱动电路直接实现将机上28V供电转换为LD所需的工作电源。LD模块、温控系统(TEC)依次固定在紫铜热沉上，再将LD温控驱动电路和紫铜热沉直接加装在机箱底部，在机箱顶部加装铝制散热片，如图2所示。安装时，将整机固定在减震平台上置于空中平台舱内，散热片暴露在舱外，利用气流的对流使LD模块和驱动电路工作时产生的热量快速转移。图2大功率半导体激光器结构图Fig.2Structureofhigh-powerlaserdiode驱动电路设计半导体激光器是理想的电子-光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流变化都将导致其输出光强的很大变化，因此，半导体激光器的驱动电流要求非常高[4]o半导体激光器的驱动技术通常采用恒流驱动方式[5],目前，LD模块的电光效率约在40%~50%之间。对于输出功率40W的LD模块，其驱动电流在50A~60A之间，而结电压低于2V，需要功率变换电路的效率很高，同时具备极低的输出阻抗，否则高达60A的输出电流足以产生极大的热量，从而烧毁功率变换器件。由于研制的40W半导体激光器体积很小，要在如此有限的空间内实现60A电流的变换，在其驱动电路的设计上采用了叠相调制技术和同步BUCK变换电路结构。通过CPLD完成6相位PWM叠相调制，其中4相用来实现并联合成等小开关频率高达1200kHz的LD驱动电压变换；另外2相负责实现温控的H桥驱动。由于驱动电路设计中由CPLD完成6相位PWM叠相调制，极大地减小了输入端的电流波动，从而确保了低压侧的电压波动能够一直控制在很小的波动范围内，降低了对输入端电容容量的要求，实现了在小空间内为LD模块提供精密恒流驱动。2．3数模混合双向温控系统设计半导体激光器发射波长对温度变化非常敏感［6］，当环境温度和工作电流变化导致激光器热沉温度变化时，发射波长也跟着变化，波长温度漂移系数通常约为0.3nm/oC。由于本文设计的激光信标系统用于机载平台上的环境温度变化很大，而探测信标光的CCD前加装了带宽为3nm的单色滤光片，因此必须为系统设计高精度的双向温控系统，以保证激光信标的中心波长能够保持在（810±0.5）nm范围内。由于系统空间狭小，实现大功率的热量转移及加热等操作必须要简化，但又不能丧失控制精度。完全离散化的数字控制可以实现控制的响应速度，但不可避免地引入了控制回路的量化误差，容易造成系统在某些特殊情况下进入控制回路的震荡状态；而模拟系统可以回避量化误差，实现精度的最大连续性，但在大温度范围内，很难精确调节系统参数。为了获得二者的优点，回避各自的不足，本文采用了数字与模拟混合的控制方式，其控制框图如图3所示。图3数字与模拟混合控制信号流转示意图Fig.3Sketchmapofdigitalandanaloghybridcontrolsignalflowing由模拟运算电路完成PID运算，其控制误差信号经PWM调制后进入CPLD，通过叠相调制后将功率开关的动作相位错开，然后由PWM钳制逻辑监控驱动脉宽的大小，确保后级同步BUCK电路不要进入0~5%和95~100%的2个开关死区，引起驱动电路锁死烧损，同时直接实现最大TEC制冷电压和最大加热电压的限制。本文利用2片TEC1-12712进行双向温度控制，对大功率半导体激光器致冷和致热。分析典型TEC的驱动电流与能量搬迁和工作效率曲线，严格控制TEC冷热端的温度差异，使电路在有限驱动功率与散热条件下获得很高的工作效率。利用CPLD严格限制TEC驱动电压的变化率，使得TEC的输入功率变化平缓，在加热或者制冷状态下都能与铝基散热器系统匹配。2．4可靠性设计由于大功率半导体激光器价格昂贵，因此，电源的设计上要采取有效的措施来保护激光器［3］。本文采用慢启动、过热保护等措施来减少由于浪涌击穿和散热不好导致半导体激光器的损坏，以提高系统的可靠性。2．4．1慢启动电路通常情况下,LD要求在18°C以上环境温度下启动。考虑到40W激光器启动时的高空环境温度大约在0°C~10C之间，而过低的温度极易造成LD模块内部结露或结霜，如果盲目通电，可能导致烧毁模块。另一方面,LD的PN结非常脆弱，极容易损坏。瞬时的电流突变，容易使半导体激光器两端面腔镜产生损伤造成激光器永久性损坏［7-8］。因此，本文从控制策略与硬件电路结构两个方面入手，设计了慢启动电路，其温度启动与电流启动控制曲线如图4所示。图中，T1时间段内，温控电路处于加热状态，加热功率缓慢上升到10%附近，并维持T2时间，板载控制单元MCU会根据实际环境温度高低计算调节速度，确保电路和TEC有-个预热缓冲时间，避免低温下急剧功率输入造成器件损坏，待温度稳定在15°C附近时，进入T3时间段，此时MCU给出最大约50%的加热功率指令，驱动电路正常工作,LD温度超过22C后，进入T4时间段，在T4内完成设定温度点的趋近;同时在T3时间结束后，大约耗时30s，此时低温环境下的结露/结霜条件已经不具备，LD驱动电路开始输出约5A的阈值电流，在T4结束后，低温启动控制脱离，温控PID运算的PWM进入控制回路，稳态下，通常TEC将工作在50%附近的加热或制冷驱动状态下。图4温度启动与电流启动控制曲线Fig.4Controlcurveoftemperaturestartandelectriccurrentstart采用慢启动电路，既能保证在功率电流输入前LD的PN接触处于安全的非结露/结霜温度范围，又能保证TEC温控电路可以在功率点输入后，迅速将新产生的热量可靠转移，同时还消除了高频冲击电流对LD模块的危害。过热保护电路考虑到系统如果出现散热不好造成内部过热而烧毁LD模块，设计了过热保护电路模块。该模块能够在探测到环境温度过高时切断LD模块的驱动电流，从而确保LD模块的安全。其工作原理是：通过内部温度探测器对LD的表面温度进行采样，滤波后所得值与程序中设定的温度极限值比较，如果采样值大于激光器温度的极限值，则系统转入温度异常程序进行处理，重新采样温度数据，再将采样值与温度极限值进行比较，如果还是大于温度的极限值，则系统立刻停止激光器的工作。激光扩束装置设计根据实验中探测系统对不同光强激光的成像效果，将光功率下降到中心功率一半时的光束全角定义为发散角。实验测量40W半导体激光器经光纤耦合输出后发散角约为13°，激光器光场分布如图5所示。而探测跟踪系统需要在一定距离上能够探测到信标光，要求光纤输出后光束发散角能够增大到60°，这就必须在光纤输出端加装一个激光扩束装置。传统意义上的激光扩束器通过用扩大激光束腰直径的办法来减小激光发散角，提高激光发射的准直度［9］，而本文中设计的扩束装置是实现对光束的发散。根据光学成像原理，凹透镜能够对光线进行发散，若采用单透镜来实现，则原理如图6所示。图中，a为光纤输出激光发散角，6为通过扩束后的激光发散角，|为物距，r为像距,f为透镜焦距，d为出瞳直径。根据透镜成像公式：公式（1）经变换后，得到：取出瞳直径d二10mm，根据公式（2）可计算得出，由13°发散角扩束到60°发散角所需的凹透镜焦距f二-10•79mm。根据公式（1）和公式（2）可以得到：由公式（3）可知，若采用单透镜，扩束后的发散角越大则要求单透镜距光纤输出面的距离越远，导致扩束装置设计的长度越长。为使扩束装置加装后不影响机载平台的气动外形，做到尺寸尽可能小，因此考虑采用2个凹透镜来实现。另一方面，为提高光斑的均匀性，扩束装置研制中需进行像差设计。对于扩束装置光学系统的像差分析只需考虑其单色像差，包括球差、彗差、像散、场曲和畸变［10］。彗差越大，轴外点光束经光学系统的成像越不对称，将降低光斑分布均匀性。轴外点的像差场曲和像散，由于其引起像平面的弯曲而容易使弥散斑成像失去对称性，从而降低光斑的均匀性。畸变的产生将改变轴外物点在理想像平面的成像位置，在一定程度上也将对光斑均匀性产生影响［11］。而采用凹透镜组可以减小像差［12］，提高成像质量。设选取的凹透镜表面曲率半径是r1和r2,K9玻璃的折射率n二1.51,根据单透镜元件的光焦度F定义，则有：若2个透镜中间空气间隔为L，则组合后系统光焦度为利用ZEMAX软件对双凹透镜组的成像过程进行模拟计算，如图7所示，结合公式（5）给出了光学系统的设计参数，其中，透镜1的曲率半径ra=11.45mm,透镜2的曲率半径rb二20.66mm，透镜间隔L二8mm。图7双凹透镜组扩束光纤追迹Fig.7Ray-tracingofdouble-concavelensgroup根据以上计算结果，结合在机载平台外部加装的尺寸要求，考虑到实际应用时的可操作性，设计了螺纹传动式的扩束装置结构，如图8所示。扩束装置由凹透镜组、主镜筒、活动镜筒和防转螺钉组成。主镜筒一端是连接激光器输出光纤的标准SMA905接头。主镜筒与活动镜筒间是精密螺纹，通过拧动活动镜筒带动透镜组在镜筒中前后移动，改变透镜组与光纤输出端之间的光学间隔，从而使信标光发散角能够满足不同模式试验的需要。图8扩束装置结构设计图Fig.8Designdrawingoflaserbeamexpanderstructure环境考核测试及结果4.1低温考核实验为考核系统在不同低温环境下的运行情况和出光功率稳定性，同时检测激光器中心波长漂移控制精度，本文将3套激光信标系统置于15°、7°、0°3组温度下开展了考核实验，每组温度考核时间为25min。系统输出光功率稳定度测试结果如图9(a)所示，波长控制稳定度测试结果如图9(b)所示。根据实验结果可知，系统在低温环境下，输出光功率均在40W以上，中心波长保持在(810±0.5)nm范围内，完全满足半导体激光器的要求。4．2冲击振动实验平台对机载设备的抗冲击能力要求是20g，抗振动能力要求是(20~33)Hz双振幅振动，振幅0•91mm;(33~500)Hz等加速度正弦振动，加速度2g。按照以上要求，在室温条件下对信标系统开展了冲击振动实验。室温下(环境温度约23。0,测得3套激光信标的输出光功率见表1。冲击实验中，系统采用冷冲击模式，冲击后对系统加电进行测量，10min左右输出功率升至常温下测量值；振动实验中，系统加电，采用功率计实时测量输出功率，待全功率输出时开始进行振动，振动时间为30min。经观察，振动过程中系统输出光功率未发生变化。表1室温下3套信标系统输出光功率Table1PowerofthreesetsofLDbeaconsystemsatroomtemperature信标系统1#2#3#W40•741•441•8输出光功率/测试结果表明，系统在施加20g的冲击后能够正常启动，模拟机载平台的振动条件下能够照设定功率正常出光。结论本文中设计的大功率半导体激光信标系统，具有结构紧凑、体积小、质量轻的优点，很好地满足了机载平台的加装需要。系统在体积与质量严格受限的前提下，从电路结构和控制策略上实现了对激光器模块的稳定恒流驱动。同时，采用数模混合双向温度控制技术，对半导体激光器进行恒温控制，从而实现了半导体激光器光功率稳定、可靠、准确输出。设计的扩束装置操作灵巧、调节精度能够满足使用要求。实验证明，系统在0工~15工的低温环境下，输出光功率稳定度和波长控制精度均能满足要求。【相关文献】马良柱，宋志强，刘统玉，等•大功率半导体激光器驱动电路[J].信息与电子工程，2010，8(4)：441－443，446．MALiang－zhu，SONGZhi－qiang，LIUTong－yu，etal．Powerdrivingcircuitoflaserdiode[J]．InformationandElectronicEngineering，2010，8(4)：441－443，446．(inChinesewithanEnglishabstract)薄报学，高欣，王玲，等.808nm波长光纤耦合高功率半导体激光器[J].中国激光，1999,26(3):193-196.BOBao-xue,GAOXin,WANGLing,etal.808nmWavelengthhighpowerfibrecouplingLD[J].ChineseJournalofLasers，1999，26:193-196.(inChinesewithanEnglishabstract)[3]曹三松•高功率半导体激光器评述[J].激光技术，2000,24(4):203-207.CAOSan-song.Reviewofhighpowersemiconductorlasers[J].LaserTechnology，2000，24(4):203-207.(inChinesewithanEnglishabstract)王冬，吕勇•调制型半导体激光器恒流驱动电路设计[J].现代电子技术，2010(7):92-94,98.WANGDong,LUYong.Designofmodulationconstantcurrentdrivingcircuitforlaserdiode[J].ModernElectronicsTechnique,2010(7):92-94,98.(inChinesewithanEnglishabstract)FOXR,TMANW,HOLLBERGLS,etal.Precisionspectroscopy,diodelasers,andopticalfrequencymeasurementtechnology[M].Washington:GovernmentPrintingOffice,1998.[6]安振峰，黄科，邓海丽.808nm波长锁定大功率半导体激光器列阵[J].微纳电子技术，2011,48(5):296-299.ANZhen-feng,HUANGKe,DENGHai-li.808nmwavelengthlockedhighpowersemiconductorlaserarray[J].MicronanoelectronicTechnology,2011,48(5):296-299.(inChinesewithanEnglishabstract)[7]廖先炳.激光二极管电源及其对器件性能的影响[J].半导体光电,1994,15(3):229-232.LIAOXian-bing.Laser-diodepowersuppliesanditsinfluenceondeviceperformances[J].SemiconductorOptoelectronics,1994,15(3):229-232.(inChinesewithanEnglishabstract)[8]张书云，朱永涛，杜章永，等•带有自适应过流保护的LD驱动电源的设计[J]•应用激光，2007,27(6):492-495.ZHANGShu-yun,ZHUYong-tao,DUZhang-yong,etal．A