LD(激光二極管)不僅具有一般激光器高單色性,、高相干性、高方向性和準(zhǔn)直性的特點(diǎn),，還具有尺寸小,、重量輕、低電壓驅(qū)動(dòng),、直接調(diào)制等特性,，因而廣泛應(yīng)用于國(guó)防、科研,、醫(yī)療,、光通信等領(lǐng)域。然而,，由于LD是一種高功率密度并具有極高量子效率的器件,，對(duì)于電沖擊的承受能力差，微小的電流波動(dòng)將導(dǎo)致光功率輸出的極大變化和器件參數(shù)的變化,，這些變化直接危及器件的安全使用,，因而在實(shí)際應(yīng)用中對(duì)驅(qū)動(dòng)
電源的性能和安全保護(hù)有著很高的要求。在驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)過(guò)程中,，同時(shí)考慮對(duì)LD進(jìn)行安全有效保護(hù),，如防止浪涌沖擊,，慢啟動(dòng)等問(wèn)題。
1 電路結(jié)構(gòu)及原理
LD是依靠載流子直接注入而工作的,，注入電流的穩(wěn)定性對(duì)激光器的輸出有直接,、明顯的影響，因此,，LD驅(qū)動(dòng)電源需要為L(zhǎng)D提供一個(gè)紋波小,，毛刺少的穩(wěn)恒電流。該LD驅(qū)動(dòng)電源包括4部分：基準(zhǔn)電壓源,，恒流源電路,，脈沖控制電路，保護(hù)電路,。結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示,。
1．1 基準(zhǔn)電壓源電路
基準(zhǔn)電壓源電路構(gòu)成如圖2所示，其作用是為恒流源電路提供一個(gè)高精度,，低溫漂的電壓參考,，同時(shí)，為電路中的集成電路(如光耦合器,、運(yùn)算放大器,、反相器等)提供穩(wěn)定工作電壓。
LM317是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的三端可調(diào)正穩(wěn)壓器集成電路,，輸出電壓范圍是1．2～37 V,，負(fù)載電流最大為1．5 A，使用簡(jiǎn)單,。其工作過(guò)程如下：輸出電壓Vout通過(guò)R1,、VQ1，對(duì)C2充電,，開(kāi)始時(shí)VQ1飽和導(dǎo)通,，Vout最低(約1．5 V)。隨著C2上電壓的升高,，VQ1逐漸退出飽和并趨于截止,，Vout逐漸升高至額定電壓。改變R1,、C2的常數(shù)可改變軟啟動(dòng)的時(shí)間,。改變可變電阻R2的值，可調(diào)整輸出電壓Vout的值,。VD1用于關(guān)機(jī)后使C2上的電荷快速泄放,。其輸出電壓為：
1．2 恒流源電路
為了實(shí)現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度，驅(qū)動(dòng)電路大多采用負(fù)反饋的控制方法，恒流控制原理如圖3所示,。穩(wěn)流電路由基準(zhǔn)電壓電路,、電壓-電流轉(zhuǎn)換電路、恒流輸出電路和反饋電路組成,。電路工作時(shí),，基準(zhǔn)電壓經(jīng)過(guò)適當(dāng)放大后送入運(yùn)放A1的同相端，運(yùn)放A1控制VQ1基極電流的大小,，從而獲得相應(yīng)的輸出電流,，輸出電流在取樣電阻R上產(chǎn)生取樣電壓，該取樣電壓經(jīng)A2放大后作為反饋電壓反饋回電壓放大器A1的反相輸入端,，并與同相輸入端的電壓進(jìn)行比較,，對(duì)輸出電壓進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)而對(duì)VQ1基極的輸出電流進(jìn)行調(diào)整,，使整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動(dòng)態(tài)的平衡中,，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電流的目的,。
輸出電流I與設(shè)定的基準(zhǔn)電壓Vc的關(guān)系可由負(fù)反饋原理得到：
式中,，Vc為基準(zhǔn)電壓，Ra,、Rb為反饋網(wǎng)絡(luò)中的電阻,，R為取樣電阻，在理想情況下R,、Ra,、Rb恒定不變。
由式(2)可知,，輸出電流I與基準(zhǔn)電壓Vc呈線性關(guān)系,。
但在實(shí)際情況下電阻的溫度系數(shù)和基準(zhǔn)電壓的溫度系數(shù)將影響輸出電流的穩(wěn)定性。對(duì)式(2)進(jìn)行全微分并化簡(jiǎn)可得電流穩(wěn)定度的表達(dá)式：
由于選取的取樣電阻R為歐姆級(jí),，而(Ra+Rb)為數(shù)十千歐姆級(jí),，因此有：μ2>μ1>μ3≈μ4，這說(shuō)明影響輸出電流穩(wěn)定度的主要因素是取樣電阻的溫度系數(shù)和電壓基準(zhǔn)的穩(wěn)定度,。在本恒流源中,，選用取樣電阻精度是0．1％，溫度系數(shù)是±2．5×10-5／℃,，電壓基準(zhǔn)的溫度系數(shù)小于1×10-6／℃,。
1．3 脈沖控制電路
對(duì)許多LD應(yīng)用來(lái)說(shuō)，有時(shí)希望脈沖輸出,，因?yàn)槊}沖輸出時(shí)LD結(jié)發(fā)熱很小,。LD工作在低占空比和短脈寬狀態(tài)時(shí)允許比CW電流電平高得多的脈沖電流電平，而且多數(shù)不需要制冷,。
脈沖LD電源控制技術(shù)的關(guān)鍵在于對(duì)電流脈沖波形的控制,，外控調(diào)制信號(hào)采用TTL方波,，LD輸出跟隨控制信號(hào)以開(kāi)關(guān)方式輸出。
根據(jù)上述設(shè)計(jì)思想設(shè)計(jì)脈沖控制接口電路,，其原理圖如圖4所示,。由非門單元，晶體管VQ3,，光電耦合器組成,。當(dāng)脈沖為高電平時(shí)，非門輸出低電壓,，使光電耦合器截止,，光電耦合器輸出低電平，使晶體管VQ3截止,，VQ3集電極輸出高電平使VQ1,、VQ2導(dǎo)通，LD正常工作,；反之,，光電耦合器導(dǎo)通，使VQ3導(dǎo)通,，VQ3集電極輸出低電平,，使VQl、VQ2截止,，LD不工作,。在沒(méi)有外控脈沖控制信號(hào)時(shí)，接口懸空,，非門輸入高電平,，輸出低電壓，光電耦合器不工作,，晶體管VQ3截止,，VQ3集電極為高電平，使VQ1導(dǎo)通,，保證LD的正常連續(xù)發(fā)光,。
1．4 保護(hù)電路
考慮到LD的易損性，在穩(wěn)流控制中保護(hù)電路的設(shè)計(jì)也是很重要的一個(gè)方面,。本設(shè)計(jì)中,，選用供電電壓波動(dòng)較小，內(nèi)部具有慢啟動(dòng),、過(guò)流,、過(guò)熱保護(hù)、尖峰電流限制功能的集成直流穩(wěn)壓器，只需在LD兩端反向并聯(lián)一個(gè)普通二極管以防止反向過(guò)壓,，同時(shí)并聯(lián)小容量電容防止回路電流毛刺損壞管芯,。
2 結(jié)果與分析
表l是該電路驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)650 nm，功率200 mW的LD連續(xù)工作時(shí),，基準(zhǔn)電壓與輸出電流的測(cè)試結(jié)果,，其電壓-電流關(guān)系如圖5所示。
圖5結(jié)果表明基準(zhǔn)電壓與輸出電流成正比例關(guān)系,，通過(guò)調(diào)節(jié)基準(zhǔn)電壓,，可以改變LD的輸出功率，即LD輸出功率連續(xù)可調(diào),。
圖6顯示了該驅(qū)動(dòng)電源輸出的脈沖波形,。曲線Input為輸入控制脈沖信號(hào)，曲線Output為L(zhǎng)D上電壓脈沖,。結(jié)果表明：LD上電壓脈沖的上升和下降時(shí)間都很短,，中間段電壓的穩(wěn)定使輸出電流恒定，恒定的電流幅度保證了LD輸出功率的穩(wěn)定,。通過(guò)改變輸入脈沖的頻率,、脈寬，可得到所需的LD激光脈沖信號(hào),。
3 結(jié)論
提出了可用于連續(xù)或脈沖輸出的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電源的設(shè)計(jì)方法,，測(cè)試結(jié)果表明：1)驅(qū)動(dòng)波長(zhǎng)范圍為650～980 nm：2)輸出功率0～300 mW連續(xù)可調(diào)；3)連續(xù)或脈沖輸出可選,。電源穩(wěn)定、可靠,、控制簡(jiǎn)單,，功率連續(xù)可調(diào)，可廣泛地用于對(duì)半導(dǎo)體激光驅(qū)動(dòng)電源體積要求較小的應(yīng)用中,。