半导体激光器输出功率自动控制电路

2004年6月　　　　　　　　　　　电　力　环　境　保　护　　　　　　　　　　　第20卷　第2期

半导体激光器输出功率自动控制电路

An automatic control circuit for output power of semiconduct laser

刘澄, 刘伟

(国电环境保护研究所, 江苏南京　210031)

摘要:半导体激光器作为烟气浊度在线监测仪的光源, 在现场环境温度变化较大的情况下, 其输出光功率的稳定性是需要解决的重要问题之一。, 该电路完全能够满足烟气浊度在线监测仪的现场应用要求。关键词:半导体激光器; 温度特性; 功率控制

Abstract :Asa light source of a flue ,the of a semiconduct la ser is an important fac 2tor. An automatic s that it meets the site requirement. K ey words :feature ;power control

中图分类号:T文献标识码:B　　　　　文章编号:1009-4032(2004) 02-0056-03

　　半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积

小、光功率利用率高、工作电压要求较低(2. 5V 左右, 可用2节5号电池供电) 、使用方便、价格低廉、光路结构简单等一系列优点, 在光纤通信、计算机光驱、教学设备、医疗器械、测量仪器等方面有广泛的应用。

然而, 半导体激光器的发光功率对温度的敏感性是一个让人沮丧的问题

。随着温度的变化, 激光器发出的光功率变化很大, 有时甚至导致激光器损坏, 致使仪器无法正常工作。

国电环境保护研究所于20世纪90年代初研制开发的J Y Z -1型烟气浊度在线监测仪, 采用半导体激光器作为光源, 按现场工作条件要求, 仪器的工作环境温度在0～+50℃之间, 温度变化范围很大, 必须对半导体激光器进行功率补偿, 使激光器输出光功率保持在一定范围内, 才能保证整机的在线连续运行。

出端仅能看到微弱的暗红色; 而当I 0>I w 时, 激光器的输出光功率P 0则随着I 0的增加呈线性上升趋势。

(2) 随着温度的升高, I w 也升高, 激光器的特性

曲线随温度升高向前平移; 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。阈值电流与温度的关系基本呈指数关系, 可近似用以下公式表示:

(1) I w (t ) =I w 0+K ×exp (t/t 0) 式中:I w 是温度为t 时的阈值电流,mA ; I w 0是温度

为t 0时的阈值电流,mA ; K 是与激光器有关的常数; t 0是激光器室内调试时的温度, ℃, 一般在20～25℃之间; t 是激光器工作温度, ℃。

(3) 在一定的驱动电流下, 当环境温度发生变化

1　半导体激光器的温度—驱动电流—光功

率特性

　　图1是一种典型的半导体激光器在不同温度下的激光输出功率P 0与正向驱动电流I 0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。

从图1可以看出:

(1) 在某一温度下, 当驱动电流I

0小于阈值电流

I w 时, 激光器的输出光功率P 0近似为零, 激光器输

时, 激光器的输出光功率将随之发生变化, 温度变化

56

2004年　　　　　　　　　　刘澄等:半导体激光器输出功率自动控制电路　　　　　　　　　　第2期

越大, 激光器的输出功率的变化也越大。在温度上升时, 激光器输出光功率下降, 以至于可能不能满足设备正常测试的要求; 在温度下降时, 激光器输出光功率上升, 最终可能因驱动电流过大而烧毁激光器。这一特性给半导体激光器在常规仪器设备中的应用带来了很大的麻烦, 因为常规仪器设备(特别是在线式) 必须保证在一定的环境温度变化范围内都能保持正常的工作状态。

从以上分析来看,

对半导体激光器进行发光功率控制, 以克服温度变化造成的不良影响是需要解决的重要问题。

激光二极管为例, 介绍一种半导体激光器稳功率控制电路。该型号二极管的输出光波长为650nm , 裸管额定功率5mW 。其工作特性曲线与图1所示数值接近。

根据该型号管子的工作特性, 我们设计、制作了相应的驱动和功率控制电路。由于半导体激光器在装配、调试和工作过程中极易受浪涌电压、浪涌电流, 因此, 在管, 2　A L650T5

2. 1　抗浪涌冲击电路

WY 1T VS 二极管用于抑制交流220V 市电网络2. 2　慢启动电路

R1、C7、Q1(达林顿三极管) 组成电源慢启动电

来的强冲击; 工频变压器屏蔽层应可靠接地; WY 2

T VS 二级管用于抑制变压器次级的冲击干扰; WY 3用于抑制三端稳压器LM7805输入端的尖峰干扰; WY 4用于抑制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Π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;WY 5T VS 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。

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2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, 一般导通时间大于100ms 即可。2. 3　半导体激光器

A L650T5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成线性关系的电流信号。

57

2004年6月　　　　　　　　　　　电　力　环　境　保　护　　　　　　　　　　　第20卷　第2期2. 4　驱动和功率控制电路

表1　温度对激光输出功率的影响

激光输出功率/mW

554. 94. 84. 84. 7驱动电路由R2、Q1、R6组成。R2是限流电阻, Q1是1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、2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组成发光强度偏差量检测和放大电路, 产生光功率偏差补偿信号是一个减法、放大电路下调的电压空间, (因为AD623是单电源工作器件, 输出电压始终在零伏以上, 不能产生负压信号) ;W1用于设定室温下与激光器额定功率5mW 相对应的直流电压, 形成控制基准电压; 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

温度/℃

2025303540功率偏移量/%

0024466

, 未能进行低温下的温度影。

另外, 还对电路进行了抗浪涌冲击试验。该电路在任意开、关电源, 并在附近使用一定功率的电器设备时, 仍能保持良好的工作状态, 在抗浪涌冲击方面取了满意的效果。

由于J Y Z -1型烟气浊度在线监测仪的光路设计采取了一定的功率漂移补偿措施, 可允许激光功率在±20%范围内起伏。因此,6%的功率偏移量完全能够满足仪器的工作要求。

号进行平滑滤波, 去除毛刺, 形成平滑的直流信号。

U2、W3组成加法电路。其中W3用于调节室温下激光二极管的发光功率。U3是一个放大倍数为1的加法器, 用于将W3设定的对应5mW 额定光功率的驱动电压与U1送出的光功率偏差补偿信号相加, 输出一个经补偿后的驱动电压, 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　结语

自行设计的半导体激光器输出功率自动控制电路具有设计合理, 结构简单, 调整方便、采用元器件少、可靠性高的特点。经实验证明, 在一定的温度范围内, 能有效达到控制激光器输出光功率的目的, 满足一些常规仪器设备的使用要求。

参考文献:

[1]侯立周, 强锡富, 孙小明1一种高精度半导体激光器温控调频系

3　测试结果

该电路经调试后, 室温下稳定工作在额定功率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, 结果见表1。

由表1可见, 温度变化对半导体激光器的输出

功率有较明显的影响, 在应用中必须加以重视, 并采取一定的温度漂移补偿措施。

统[J]1光学精密工程,1996,7(3) :28-32.

[2]徐秀芳, 胡晓东1半导体激光器的功率稳恒控制技术[J]1光子

学报,2001,30(6) :761-764.

[3]孙番典1一种高精度可调节半导体激光管控制电路[J]1大学物

理实验,1996,9(2) :18-20.

收稿日期:2003212206; 修回日期:2004204201

作者简介:刘澄(1962-) , 男, 江苏镇江人, 高级工程师, 主要从事烟气粉尘浓度在线监测仪研制和除尘器除尘效率在线监测系统的开发工作, 获两项国家专利并两次荣获部级科技进步奖。

58