隨著科學技術的飛速發(fā)展,半導體激光器技術已深入到國民經濟和國防建設的各個領域。半導體激光器具有其它激光器無法比擬的特性,比如:常見的激光器如He-Ne激光器,采用高壓激發(fā)(約1500V),而半導體激光器采用3~5V的低電壓激發(fā),相比之下,半導體激光器的激勵方式較為安全,并且效率比普通激光器高數十倍;在一些測量儀器中,選用半導體激光器照明,能滿足單色性好,相干性好,光束準直,精度高等要求,在遠距離通訊、激光雷達、數字信號的存儲和恢復、激光測距、機器人、全息應用、醫(yī)學診斷等方面都有廣泛的應用。但半導體激光器對工作條件要求苛刻,在不適當的工作或存放條件下,會造成性能的急劇惡化乃至失效。所以,使激光器正常工作的激光器驅動電源就顯得尤為重要。因而在實際應用中對激光器驅動器的性能有著很高的要求。
半導體激光器的應用廣泛,因而其相應的驅動技術也顯得越來越重要。半導體激光器的驅動技術通常采用恒電流驅動方式,在此工作方式中,通過電學反饋控制回路,直接提供驅動電流電平的有效控制,由此獲得最低的電流偏差和最高LD(Laser Diode)輸出的穩(wěn)定性。整體的設計思想是運用負反饋原理穩(wěn)定輸出電流,由此獲得最低的電流偏差和最高的電流輸出穩(wěn)定性。
半導體激光器的激勵方法通常多采用電流注入形式,當注入電流大于閾值電流Ith時,輻射功率隨電流的增加而迅速地增大。因此,可以通過改變半導體激光器的注入電流來調整其輸出的光功率。而對半導體激光器進行控制,通常采用自動控制的方法,它包括恒電流控制(ACC),恒功率控制(APC),電壓恒定控制(AVC)。
在APC工作方式下,采用光電探測器(PD)接收一小部分激光功率并轉化為監(jiān)測電流,改監(jiān)測電流經過測電流經過電流/電壓轉換后,通過APC反饋網絡與設定值比較,從而形成閉環(huán)負反饋控制。當激光輸出功率受溫度等因素影響發(fā)生變化時,該負反饋可控制光功率使其穩(wěn)定不變。
AVC是特定場合下簡單而又游泳的模式,當要求LD的驅動電壓恒定時,可以采用此模式。在ACC工作方式中,通過電流采樣反饋為電流驅動單元提供有源控制,從而是電流漂流最小且使LD輸出穩(wěn)定性最大,與溫度控制配合使用效果更好?,F(xiàn)如今常用的半導體激光設備工作用恒流源,主要是應用了場效應管的導通特性以及晶體管的對稱連接鏡像恒流原理來實現(xiàn)。要得到穩(wěn)定的輸出,必須使注入電流穩(wěn)定,這就要采用恒流源。
半導體激光器驅動調制電路由四部分組成,包括恒流電路、慢啟動、保護和調制信號產生電路。恒流電路產生高穩(wěn)定度驅動電流。慢啟動的作用是消除電路中可能存在的浪涌,防止浪涌對激光器的危害。為避免由于過流等因素引起半導體激光器不可恢復的損壞,則在驅動電路中加入限流保護。調制信號產生電路實現(xiàn)調制和頻率可調。
利用運算放大器在電路中通過低頻信號可以有效降低非線性失真的特性,設計低頻調制電路,通過把交流、直流信號配比后來驅動半導體激光器。再利用三極管在飽和狀態(tài)下導通和截止狀態(tài)下切斷的特性,設計半導體激光器的高頻調制電路。當三極管的基極電壓為0V時,三極管處于截止狀態(tài),集電極沒有電流通過,當三極管的基極電壓為5V時,三極管處于飽和狀態(tài),此時通過激光器的電流要分一部分通過三極管的集電極,隨著三極管狀態(tài)的不斷變化,使集電極的電流不斷發(fā)生變化,最終表現(xiàn)在通過LD的電流發(fā)生變化。而三極管基極的電壓變化由電阻右端的外接輸入電路來調整。由于三極管的頻帶較寬,同時在低頻條件下非線性失真較大,所以互補了運算放大器在高頻條件下無法實現(xiàn)理想調制的缺點,綜合考慮為激光器設計出一種在高頻條件下利用三極管的開關特性的高頻開關調制電路。
基于電流負反饋原理設計了包含調制電路、慢啟動電路、保護電路和恒流源的驅動電路。利用運算放大器在交流和直流電壓的驅動下對驅動電路加載低頻調制信號,降低非線性失真;利用三極管的頻帶及開關特性對激光器加載高頻開關調制信號,使激光器能夠在不同調制信號下工作,達到對激光器的調制目的。經過試驗驗證反饋電阻的反饋電流漂移在0.1mA左右,達到了很好的調整目的。