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半導體激光器LD工作影響因素

半導體激光器的核心是PN結(jié)一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞,則無法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復合,視其破壞程度而表現(xiàn)為激光器輸出降低或失效。

造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過凈化工作環(huán)境來解決,而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會產(chǎn)生半導體激光器PN結(jié)損傷或擊穿,其產(chǎn)生原因是多方面的,包括:①電源開關瞬間電流;②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機;③雷電;④強的靜電場等。實際工作環(huán)境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短,因此必須采取措施加以防護。

傳統(tǒng)激光器電源是用純硬件電路實現(xiàn)的,采用模擬控制方式,雖然也能較好的驅(qū)動激光,但無法實現(xiàn)精確控制,在很多工業(yè)應用中降低了精度和自動化程度,也限制了激光的應用。使用單片機對激光電源進行控制,能簡化激光電源的硬件結(jié)構,有效地解決半導體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性等問題。隨著大規(guī)模集成電路技術的迅速發(fā)展,采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高。

在穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源中,目前常用的是開關電源和線性電源,由于開關電源的瞬態(tài)響應較差、紋波系數(shù)較大[2],對瞬態(tài)特性和溫度要求較高的半導體激光驅(qū)動電源采用線性電源較為合理。為了實現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度,驅(qū)動電路大多采用負反饋的控制方法,原理圖見圖2。工作時,通過電阻電流采樣反饋為驅(qū)動電流提供有源控制。方法是在功率晶體管的源極串聯(lián)一個采樣電阻RS,用于取樣反饋,該取樣電壓經(jīng)過I/U轉(zhuǎn)后,作為反饋電壓與設定電壓進行比較,進而通過調(diào)整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進行調(diào)整。整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)平衡中,以達到穩(wěn)定電流的目的。 輸出電流If與設定的參考電壓Vref的關系可由負反饋原理得到 ,上式只是一個近似的表達,隨著負載的不同和輸入電壓的變化,輸出電流還是有微小的變化,但是由于前置放大器放大倍數(shù)很高,使得輸出電流變化很小,穩(wěn)定度一般能達到10-5量級。實際上,線形穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源的結(jié)構原理基本相同,只是輸出方式的不一樣,即負載的加載方式不同,譬如,在圖2中,如果負載也采樣電阻并行連接,圖2 就成了一個恒定輸出電壓為Vref的穩(wěn)壓源。同樣的,基于這種方式的穩(wěn)壓源稍加調(diào)整也可作為恒流源。目前,各種可調(diào)穩(wěn)壓器集成芯片技術成熟,產(chǎn)品豐富,因此可以對這種芯片的功能進行擴展以滿足我們的設計要求。

考慮到實際應用情況,如電源體積、輸出電流大小、特別是瞬態(tài)響應,我們選用ONSEMI公司的低壓差大電流集成可調(diào)穩(wěn)壓芯片NCP5662,它的瞬態(tài)響應比同類穩(wěn)壓器要快,建立時間1-3us,可承受電流值達2A,具有內(nèi)部電流限制和熱保護功能等,其功能框圖如圖3所示。 圖3顯示的是其穩(wěn)壓工作的情況,根據(jù)前面敘述的原理,對該集成電路進行擴展以將其設計成為一個穩(wěn)定度很高的恒流源,幾種擴展方法中,實驗證明比較合理的工作方式如圖4所示。先不考慮圖中虛框內(nèi)的電路,當加電之后,電路開始工作,進入穩(wěn)態(tài)時,由于集成電路內(nèi)部的反饋作用,R11兩端的電壓始終保持在0.9V,所以,R7兩端的電壓始保持在 ,故流過R7兩端的電流Is由下式確定: 因此,改變R3、R11、R7可以靈活的調(diào)整輸出電流的值。按照圖4中各元件的取值,通過計算得到Is=2A,此恒定電流將流過激光二極管到地,由于 NCP5662內(nèi)部的比較器具有很高的放大倍數(shù),因此,電流的穩(wěn)定度非常的好。另外,從R11和NCP5662的GND端流出到負載的電流小于4mA,與2A相比影響很小。圖中C8的作用為改善電源的瞬態(tài)響應特性。

隨著半導體激光的應用日益廣泛,對相應的驅(qū)動電源的要求也越來越多樣化,同時具備數(shù)據(jù)處理、狀態(tài)監(jiān)測、故障診斷和輸出控制能力的智能化半導體激光電源成為半導體激光電源發(fā)展的新方向。該文以AMD-PDT治療儀激光電源和LD泵浦固體激光器電源為研制目標,使用單片機作為系統(tǒng)控制核心,著重研究了智能化半導體機激光電源的構成和實現(xiàn)。全文共分為三部分。第一部分為智能化儀器的概述部分,詳細的介紹了智能化儀器的發(fā)展、原理和特點。第二部首先介紹半導體激光器的工作特性,包括半導體激光器的輸出光功率、光譜、工作溫度和注入電流的相互關系;然后介紹般半導體機激光器電源的構成原理,最后逐步總結(jié)出智能化半導體機激光電源的模型。第三部分為智能化半導體激光電源的實現(xiàn)部分,第四章詳細分析了AMD-PDT治療儀控制電源的硬件設計和軟件編程;在硬件設計部分中,重點分析了半導體激光器的驅(qū)動電路和儀器的人機交互界面-液晶顯示屏和觸摸屏的工作

半導體激光器(LD)體積小,重量輕,轉(zhuǎn)換效率高,省電,并且可以直接調(diào)制�；�于他的多種優(yōu)點,現(xiàn)已在科研、工業(yè)、軍事、醫(yī)療等領域得到了日益廣泛的應用,同時其驅(qū)動電源的問題也更加受到人們的重視。使用單片機對激光器驅(qū)動電源的程序化控制,不僅能夠有效地實現(xiàn)上述功能,而且可提高整機的自動化程度。同時為激光器驅(qū)動電源性能的提高和擴展提供了有利條件。

主要實現(xiàn)電流源驅(qū)動及保護、光功率反饋控制、恒溫控制、錯誤報警及鍵盤顯示等功能,整個系統(tǒng)由單片機控制。本系統(tǒng)中選用了C8051F單片機。C8051F單片機是完全集成的混合信號系統(tǒng)級芯片(SOC),他在一個芯片內(nèi)集成了構成一個單片機數(shù)據(jù)采集或控制系統(tǒng)所需要的幾乎所有模擬和數(shù)字外設及其他功能部件,如本系統(tǒng)中用到的ADC和DAC。

這些外設部件的高度集成為設計小體積、低功耗、高可靠性、高性能的單片機應用系統(tǒng)提供了方便,也大大降低了系統(tǒng)的成本。光功率及溫度采樣模擬信號經(jīng)放大后由單片機內(nèi)部A/D轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號,進行運算處理,反饋控制信號經(jīng)內(nèi)部D/A轉(zhuǎn)換后再分別送往激光器電流源電路和溫控電路,形成光功率和溫度的閉環(huán)控制。

光功率設定從目前,凡是高精密的恒流源,大多數(shù)都使用了集成運算放大器。其基本原理是通過負反作用,使加到比較放大器兩個輸入端的電壓相等,從而保持輸出電流恒定。并且影響恒流源輸出電流穩(wěn)定性的因素可歸納為兩部分:一是構成恒流源的內(nèi)部因素,包括:基準電壓、采樣電阻、放大器增益(包括調(diào)整環(huán)節(jié))、零點漂移和噪聲電壓;二是恒流源所處的外部因素,包括:輸入電源電壓、負載電阻和環(huán)境溫度的變化。

半導體激光器往往會因為接在同一電網(wǎng)上的多種電器的突然開啟或者關閉而受到損壞,這主要是由于開關的閉合和開啟的瞬間會產(chǎn)生一個很大的沖擊電流,就是該電流致使半導體激光器損壞,介于這種情況,必須加以克服。因此,驅(qū)動電源的輸入應該設計成慢啟動電路,以防損壞,左邊輸入端接穩(wěn)壓后的直流電壓,右邊為輸出端。整個電路的結(jié)構可看作是在射級輸出器上添加了兩個Ⅱ型濾波網(wǎng)絡,分別由L1,C1,C2和L2,C6,C7組成。電容C5構成的C型濾波網(wǎng)絡及一個時間延遲網(wǎng)絡。慢啟動輸入電壓V在開關和閉合的瞬間產(chǎn)生大量的高頻成分,經(jīng)過圖中的兩個Ⅱ型網(wǎng)絡濾出大部分的高頻分量,直流以及低頻分量則可以順利地經(jīng)過。到達電阻R和C組成的時間延遲網(wǎng)絡,C2和C4并聯(lián)是為了減少電解電容對高頻分量的電感效應。