窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术

南京理工大学

硕士学位论文

窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术

姓名：巫中伟

申请学位级别：硕士

专业：物理电子学

指导教师：顾国华

20070601

倾Ｉ’学位论文中脉冲中旨仆馓光｝｝；｝驱动啦｜十戊频丰抻制技术

摘要

随着半导体激光器的迅速发展，半导体激光器的驱动研究也有了很大的进

步，取得了很大的成果，但是国内在这方面的研究投入和国外发达国家之Ｉ铷还是

有着一定的差距的。

本文主要是对窄脉冲半导体激光器驱动以及激光器温度控制的研究。通过对

半导体激光器特性的分析，建立了激光器驱动的数学模型，在比较分析了几种激

光器驱动电路的设计方法后，设计并完成了一套半导体激光器的驱动电路。该电

路通过对ＣＰＬＤ产生的脉冲信号的整形放大来驱动ＭＯＳＦＥＴ管，经过ＬＤ放电

回路激发高性能半导体激光器。

具体所做的工作如下：

（１）分析窄脉冲激光器的电流光功率特性，深入研究了脉冲激光器驱动电路

设计的难点，并比较了目前常用的几种驱动电路设计的优缺点。

（２）分别从脉冲的发生、脉冲的整形功率放大以及ＬＤ放电回路这：ｉ个部分对

电路进行设计，通过对ＣＰＬＤ的编程束实现脉冲的发生，同时也实现了埘输入频率

的可调，基于半导体激光器的窄脉宽和大电流的特点采用ｔｄ０ＳＦＥＴ管作为ＬＤ放电回

路的丌关，经过整形放大的脉冲信号来驱动ＭＯＳＦＥＴ管，从而实现对激光器的激发。

（３）对电路系统进行调试。设计相关的电源转换电路，分析实验中实际测得

的波形，计算出半导体激光器实际的工作电流和脉冲宽度。分析电路中的电容、

电感等等对电路的影响，并通过ＰＣＢ版图的设计减小这些影响。

（４）分析温度对半导体激光器输出波长和输出功率的影响，设计出双向温度

控制电路．实现对激光器工作温度的精确控制。

‘最终成功设计了满足要求的驱动电路，脉冲宽度最小可达１０ｎｓ，电流可以

达到４０Ａ。双向温度控制电路也实现对激光器工作温度的精确控制。关键词：窄脉冲、半导体激光器、驱动电路、温度控制

坝卜学位论义即脉冲午导体激光器驱功驶计驶频半撺勘投术

Ａｂｓｔｒａｃｔ

，

Ｗｉｔｈｔｈｅｒａｐｉｄｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ，ｒｅｓｅａｒｃｈｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ

ｌａｓｅｒｓｄｒｉｖｅｒａｌｓｏｍａｄｅｇｒｅａｔｐｒｏｇｒｅｓｓａｎｄａｃｈｉｅｖｅｄｇｒｅａｔｒｅｓｕｌｔｓ．Ｂｕｔｔｈｅｒｅｓｅａｒｃｈａｎｄ

ｉｎｖｅｓｔｍｅｎｔｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓｄｒｉｖｅｒｉｎ

ｄｅｖｅｌｏｐｅｄｃｏｕｎｔｒｉｅｓ．

Ｔｈｉｓａｒｔｉｃｌｅｉｓｍａｉｎｌｙｍｅａｎｔｔｏｓｔｕｄｙｎａｒｒｏｗｐｕｌｓｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓｄｒｉｖｅｒｏｕｒｃｏｕｎｔｒｙｉｓｂｅｈｉｎｄｔｈａｔｉｎｔｈｅｏｔｈｅｒ

ａｎｄ

ａｃｏｎｔｒｏｌｏｆｌａｓｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ，ｍａｔｈｅｍａｔｉｃａｌｍｏｄｅｌｏｆｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎｉｓｍａｄｅ．Ａｆｔｅｒａｃｏｍｐａｒａｔｉｖｅａｎａｌｙｓｉｓｏｆｓｅｖｅｒａｌ

ａｌａｓｅｒ－ｄｒｉｖｅｎｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｍｅｔｈｏｄｓ，Ｉｄｅｓｉｇｎｅｄａｎｄｃｏｍｐｌｅｔｅｄｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ

ｄｒｉｖｅｒｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅｃｉｒｃｕｉｔｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅＣＰＬＤｔｈｅｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌａｍｐｌｉｆｉｃａｔｉｏｎｔｏｔｈｅ

ｐｌａｓｔｉｃｔｕｂｅｄｒｉｖｅｎＭＯＳＦＥＴ，ＡｆｔｅｒＬＤｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｉｒｃｕｉｔｔｏｓｔｉｍｕｌａｔｅｈｉｇｈ—

ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ．

ａｓＳｐｅｃｉｆｉｃａｌｌｙｔｈｅｗｏｒｋｄｏｎｅｆｏｌｌｏｗｓ：

ｃｕｒｒｅｎｔ。１）ａｎａｌｙｚｅｄｏｐｔｉｃａｌｐｏｗｅｒｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｔｈｅｎａｌＴＯＷｐｕｌｓｅｌａｓｅｒ

ｉｎ－ｄｅｐｔｈｓｔｕｄｉｅｄｄｉｆｆｉｃｕｌｔｉｅｓｏｆｄｅｓｉｇｎｉｎｇｐｕｌｓｅｌａｓｅｒｄｒｉｖｅｒ

ｔｈｅｅｘｉｓｔｉｎｇｃｏｍｍｏｎｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎｓｅｖｅｒａｌｃｉｒｃｕｉｔ．ａｎｄｃｏｍｐａｒｉｓｏｎｏｆａｄｖａｎｔａｇｅｓａｎｄｄｉｓａｄｖａｎｔａｇｅｓ．

ａｎｄＬＤｄｉｓｃｈａｒｇｅｃｉｒｃｕｉｔｏｆｔｈｉｓ２）ｆｒｏｍ

ｔｈｒｅｅ・ｐａｒｔｔｈｅｐｕｌｓｅ，Ｐｕｌｓｅｓｈａｐｉｎｇｐｏｗｅｒａｍｐｌｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｄｅｓｉｇｎ，ＴｈＴｏｕｇｈｔｈｅＣＰＬＤｐｒｏｇｒａｍｍｉｎｇｔｏａｃｈｉｅｖｅｐｕｌｓｅ，ｂｕｔａｌｓｏ

ｒｅａｌｉｚｅｄｔｈｅｒｉｇｈｔｉｎｐｕｔｆｒｅｑｕｅｎｃｙａｄｊｕｓｔａｂｌｅ，Ｂａｓｅｄｏｎｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｐｕｌｓｅ

ｗｉｄｔｈｏｆｔｈｅｎａｒｒｏｗａｎｄｔｈｅｃｕｒｒｅｎｔｕｓｅｏｆｔｈｅｆｅａｔｕｒｅｓａｓｔｈｅＬＤＭＯＳＦＥＴｄｉｓｃｈａｒｇｅ

ｃｉｒｃｕｉｔｓｗｉｔｃｈ，ＡｆｔｅｒｐｌａｓｔｉｃｓｕｒｇｅｒｙｔｏｅｎｌａｒｇｅｔｈｅｐｕｌｓｅｓｉｇｎａｌｔｏｄｒｉｖｅｔｈｅＭＯＳＦＥＴ，

ｔｈｅｒｅｂｙｒｅａｌｉｚｉｎｇｔｈｅｌａｓｅｒｅｘｃｉｔａｔｉｏｎ．

３）ｔｈｅ

ｔｈｅａｃｔｕａｌｃｉｒｃｕｉｔｄｅｂｕｇｇｉｎｇｓｙｓｔｅｍ．Ｄｅｓｉｇｎｒｅｌａｔｅｄｔｏｔｈｅｐｏｗｅｒｃｏｎｖｅｒｔｅｒｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎａｌｙｓｉｓ

ａｎｄ

ＳＯｏｆｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅａｓｕｒｅｄｗａｖｅｆｏｒｍ，ｃａｌｃｕｌａｔｅｔｈｅａｃｔｕａｌｌａｓｅｒｄｉｏｄｅｃｕｒｒｅｎｔｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈ．Ａｎａｌｙｓｉｓｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔｃａｐａｃｉｔａｎｃｅａｎｄｉｎｄｕｃｔａｎｃｅｏｆｔｈｅｃｉｒｃｕｉｔ，ａｎｄｏｎ，ａｎｄｔｈｒｏｕｇｈｔｈｅｔｅｒｒｉｔｏｒｙｏｆＰＣＢｄｅｓｉｇｎｒｅｄｕｃｅｔｈｅｓｅｅｆｆｅｃｔｓ．

ｏｎ４）ａｎａｌｙｓｉｓ

ｐｏｗｅｒ，ｔｗｏ—ｗａｙｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｏｕｔｐｕｔｗａｖｅｌｃｎｇｔｈａｎｄｏｕｔｐｕｌｄｅｓｉｇｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ，Ｌａｓｅｒｓｗｏｒｋｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｐｒｅｃｉｓｅ

ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒ０１．

Ｕｌｔｉｍａｔｅｓｕｃｃｅｓｓｏｆｔｈｅｄｅｓｉｇｎｔｏｍｅｅｔｔｈｅｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｈｅ

ｍｉｎｉｍｕｍｐｕｌｓｅｗｉｄｔｈｏｆｕｐｔｏ１０Ｉｌｓ，ｃｕｒｒｅｎｔＣａｎｒｅａｃｈ４０Ａ．ｔｗｏ－ｗａｙｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ

ｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔｉｓａｌｓｏｗｏｒｋｉｎｇｔｏａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｌａｓｅｒｐｒｅｃｉｓｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒ０１．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｎａｒｒｏｗｐｕｌｓｅ，ｌａｓｅｒｄｉｏｄｅ，ｄｒｉｖｅｃｉｒｃｕｉｔ，ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ

声明

本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明确的说明。

研究生签名：巫堕盛≥∞７年眵月昭目

学位论文使用授权声明

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研究生签名：坐堕！壶占口畛年妙月姐目

硕Ｉ。学位论文窄脉冲半导体撒光器驱动设计发频率挣制技术１绪论

随着半导体激光器的发展，半导体激光器已经渗透到许多重要的应用领域，成为绝大多数光电子系统不可缺少的组成部分，在得到广泛应用的同时也对激光器的驱动以及频率的稳定提出了更高的要求…。

１．１半导体激光器

１．１．１半导体激光器的介绍

半导体激光器（ＳｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒＬａｓｅｒ）又称激光二极管（ＬａｓｅｒＤｉｏｄｅ）是利用半导体材料导带中的电子和价带中的空穴的复合来产生受激辐射。半导体激光器是以半导体材料为工作物质．其中以半导体晶体（二元化合物、三元化合物元素）作为工作物质的半导体激光器，如砷化稼ＧａＡｓ，稼铝砷ＧａＡＩＡｓ，铟稼砷磷ＩｎＧａＡｓＰ、硫化锌ＺｎＳ和磅锡铅ＰｂＳｎＴｅ等４０多种化合物，都可以实现受激辐射。输出波长可以从紫外０．３３ｕｍ，一直扩展到远红外３４∥册，输出激光可以是连续的（ＣＷ）、准连续（ＱＣＷ）的和脉冲（Ｐｕｌｓｅ）的。

半导体激光器按泵浦方式不同，可以分为注入式激光器、光泵激光器和电子束泵浦激光器。其中注入式激光器是利用同质结构或异质结将大量的过剩载流子（电子一空穴对）注入激活区以形成集居数反转。这类激光器由于容易实现受激辐射，且结构紧凑，使用方便，以及加工工艺简单成熟，并且注入式半导体激光器的电源简单，可以改变注入电流直接调制输出，因此它是目前使用最为广泛的一种半导体激光器。用电注入直接泵浦的方式激励的一种小型化激光器。它具有半导体和固态物质的共同优点。其最重要的特性是，在发射闭值以上的～段区域，输入电流与输出功率呈线形关系。通过调节激励电流的大小来调整输出的光功率。出于半导体激光器是一个二极管，因此，激励器的工作负载是二极管的伏一安特性负载。由于工作状态的特殊，要求半导体激光器的激励器的放电特性与负载相匹配，即一个大电流脉冲。设计合适的驱动电路获得理想的脉冲波形，是合理使用激光器件，充分发挥其性能潜力，提高工作效率，改善激光系统性能的一个重要方面。自从１９６２年出现半导体激光器以来，人们一直在研究激励器技术，围绕高速驱动、大电流脉冲、小型化方向发展多种电路模式。目前的大电流脉冲的激励器电路类型主要是高速可控硅和雪崩管作为开关电路，

颇ｌ学位论文窄脉冲半导体激光器驱功改汁及频率挣制技术１．１．２半导体激光器的优点

半导体激光器的优点ｏ’：

（１）半导体激光器是直接的电子一光子转换器，因而它的转换效率很高。理论上，半导体激光器的内量子效率由于存在某些非辐射复合损失，其内量子效率要低很多，但是仍然可以达到７０％以上。

（２）半导体激光器所覆盖的波段范围最广。可以通过选用不同的半导体激光器有源材料或改变多元化合物半导体各组元的组分，而得到范围很广的激射波长以满足不同的需要。

（３）半导体激光器的使用寿命最长。目Ｉｉｉ『用于光纤通信的半导体激光器其工作寿命可达到数十万乃至百万小时。

（４）具有直接调制的能力。

（５）半导体激光器的体积小、质量轻、价格便宜。

１．１．３半导体激光器的应用和发展

随着激光技术的Ｒ趋成熟和应用领域的不断拓展，半导体激光器的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子科学的核心技术。由于半导体激光器具有结构简单、体积小、寿命较长、易于调制及价格低廉等优点，半导体激光器已经在光纤通信、光传感、光盘、激光打印、条形码扫描、集成光学领域发挥着极其重要的作用，并在测量、自动控制、医疗、材料加工以及泵浦光源方面有着越来越重要的应用，并广泛应用于军事领域，如激光测距、激光制导跟踪、激光雷达、激光引信、激光通信电源、激光模拟武器、激光瞄准告警、激光通信和激光陀螺等。目前，世界上的发达国家都非常重视大功率半导体激光器的研制及其在工业和科技上的应用。近年来，高功率半导体激光器阵列器件也得到了飞速发展，己推出的产品有连续输出功率为５～３０Ｗ的激光器阵列，脉冲激光器和阵列也已经商品化ｐ１。

国外半导体激光器技术发展较早，１９６２年，美国ＧＥ，ＩＢＭ等单位最早实现了半导体的光受激辐射复合。同年．同本松下公司研制成功第一只半导体激光器，为半导体激光器的商品化及其后来产业化的形成开辟了道路。七十年代初，国际上实现了ＧａＡＩＡｓ、ＧａＡｓ双异质结激光器的室温连续运转，这是一个历史性的突破。这一成果与低损耗光纤的诞生一起开创了光纤通信的时代。至七十年代末，基本上解决了激光器的工作寿命的问题，解决了半导体激光器的横向和侧向的模式问题，研制成功了长波长激光器。开始了半导体激光器在光纤通信、光盘存储等新技术中大量实际应用的新局面。从八十年代初以来，又取得了一系列的重大＼

顾Ｉ‘学位论史窄脉冲半骨体撒光器驱动设计发频半｛卒制技术突破。其中最重要的是ＤＦＢ动态单纵模激光器的研制成功和实用化，量子阱和应变层量子阱激光器的出现，大功率激光器及其列阵的进展，可见光激光器的成功，面发射激光器的实现等。这些成果使半导体激光器进入了越来越多的重要的应用领域。

半导体激光泵浦的固体激光器也是当前研究的热门，它以获得大功率甚至超大功率固体激光器为目的，发展迅速。２０世纪８０年代初投入的开发。美国国防部，ＮＡＳＡ等部门给予了重点的资助。２０世纪８０年代中期已经陆续的产品化，采用输出是ＩＷ的半导体激光泵浦的固体激光器产品已经商品化：采用大功率泵浦的固体激光器已经在跟踪、箭导、通信等战术军事装备上试用或实验。近期美国劳伦斯－旱费莫尔国家实验室的半导体激光二极管泵浦的板条固体激光器，其平均输出功率已经超过１０００Ｗ，泵浦光源采用的是１６０个层叠式阵列激光器。

在国内，包括各种激光器的激光技术的研究与开发取得了明显的进步。尤其对半导体激光器及固体激光器的兴趣更浓厚，许多国内著名的实验室连续不断地生产功率更大的半导体激光器并且发展新技术使其效率更高。正是基于这样一个大环境下，有关半导体激光器的驱动电路的研究也是同益红火。但是国内的驱动电路的发展与国外还有很大的差距，尤其在激光器集成专用芯片驱动方面几乎是一片空白，这就需要我们加强对激光器驱动电路的研究【４Ｊ。

１．２窄脉冲半导体激光器驱动的研究现状

１．２．１激光器驱动介绍

激光器的驱动电源是激光器装詈的重要组成部分。它随着激光器的发展而不断完善，激光器的泵浦方式有多种：有光激励、放电激励、化学激励、核能激励等。采用光激励和放电激励时，激光器必须配有一台与之相适应的供电电源。最初出现的固体激光器电源采用直流电源，经过限流电阻Ｒ给储能电容器Ｃ充电，即Ｒｃ充电方式。这样构成的电源只能在低重复频率下及要求电源充电效率不高的场合使用。随着新型激光装置的不断出现，对激光器提出了高效率、高重复频率、低成本和高可靠性等诸多要求。为了满足在低频大能量工作下的激光装置例如红宝石激光器、钕玻璃激光器而研制出Ｌｃ恒流充电电路。其特点是以恒定电流给储能电容器充电，即提高了充电效率又提高了电源的稳定性。为了满足高重复频率的激光装置，研制出直流ＬＣ谐振充电式电源。它有效地解决了激光器电源在高频下工作的充电效率问题，并克服了脉冲疝灯的连通现象。存在的主要问题是体积和重量不能明显减少，但这种类型的电源目｜ｊｉ『仍广泛使用。为了进一步减小体积和重量并提高充电，人们又把开关电源技术引入激光器电源中。８０年代初出现了

硕Ｉ：学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计搜频率控制技术用快速晶闸管作电子开关的逆变器充电电路，它的出现解决了电源存在的体积和重量问题。但是，晶闸管工作频率限制在ｌＯｋＨｚ以下，并且控制电路复杂！随着电子学技术的不断进步及制造工艺的不断完善，出现了自行关断的功率场效应晶体管（ＶＭＯＳ）和绝缘栅双极晶体管（ＩＧＢＴ）。尤其是ＩＧＢＴ兼有ＶＭＯＳ和大功率晶体管的优点，具有高速度、高可靠性，低功耗等特点，被逐步应用于大功率丌关型激光器电源之中。８０年代后期９０年代初出现的ＩＧＢＴ大功率逆变电源，使激光器电源向高效率、高可靠性方面前进～大步，基本上满足了不同使用者的要求。同时，计算机技术也进入激光器电源中，用微机控制的多功能电源也相续问世”１。

激光器电源中的放电电路直接影响到激光器的转换效率，因此人们不断地研究改进放电电路，使其更好的与放电器件的电学参数匹配。放电电路己从最初的电容放电发展到单节Ｌｃ放电和多节Ｌｃ放电方式，并从理论上解决了放电电路最佳参数的设计问题。在放电电路中引入预燃电路，不仅能提高电光的转换效率，而且能有效地抑制电源中的放电干扰问题。

激光电源的特点：

（１）无论是固体、气体还是半导体激光器，都有脉冲式和连续式两种类型。（２）对于负载是气体放电器件的激光器电源来讲，它是一个多电源供电系统。除了要有一个主供电电源外，还要有一个产生上万伏脉冲高压的触发电路以及一预然电源。

（３）对于脉冲式激光器电源，要求整个供电系统按一定的时序进行控制。激光的点燃、预燃、储能电容器的充电和放电过程必须要有严格的时间关系。此外电源也受到外界同步信号的控制。

（４）激光器电源是一个受控供电系统，在工作工程中，会辐射出很强的电磁干扰。在高压脉冲点灯过程、预燃放电过程及主电路放电过程中都产生很强的电磁辐射。如果不抑止这些干扰，电源往往不能正常的工作。而且，他们会对周围的电子仪器产生干扰。

１．２．２驱动的研究现状

半导体激光器是依靠激励器而工作的，其特点是通过调节激励电流的大小来调整输出的光功率。由于半导体激光器实际上就是一个二极管，因此激励器的工作负载是二极管的伏一安特性负载。由于工作状态的特殊，就要求半导体激光器的激励器具有的主要特点是：放电系统的外特性与负载相匹配，既一个大电流脉冲。故设计适宜的激励器电路获得理想的脉冲波形，是合理使用激光器件，充分发挥其性能潜力，提高工作效率，改善激光系统性能的一个重要方面”’。

一般情况下，只要激光器选定后，激励器的指标即可确定。但本课题研究的４

坝Ｉ＋学位论且＝窄脉冲半导体激光器驱动设计技频率挣制技术是工程应用问题，只有适应了工程的需要才能表现出其价值。笔者参阅了大量资料，现把前人在激励器方面所做的工作总结一下：自从出现了半导体激光器以来，人们一直在研究激励器技术，围绕着高速驱动、大电流脉冲、小型化方向发展出多种宅路模式。其中有三种最典型的电路，控硅输出激励电路、雪崩管输出激励电源电路和晶体管输出的激励源电路。激光二极管的激励器的基本组成部分包括时基电路、窄脉冲形成电路和脉冲电流输出放大级…，

１．３窄脉冲激光激光器驱动的研究意义

半导体激光驱动电源简单且不需要高压、便于内调制等独特的优点，其应用潜力很大。但是，过去由于半导体激光器的模式不好、寿命短、波长长且不可见，因而大大地限制了它的应用范围。随着半导体光电子器件研究于开发，目前己成功地研制出了可以实现单模输出，寿命长达十万小时以上、工作于可见光波段性能优越的半导体激光器，并在美、日等国开始大规模商业化生产。具有如此优越性能的半导体激光器在很大程度上弥补了过去的缺陷，应用领域迅速扩展，在许多方面正在逐步取代Ｈｅ－Ｎｅ激光器，半导体激光器己广泛地应用与光纤通讯、集成光学、激光印刷、激光束扫描、光盘存储技术等领域。可以预料，在今后相当长的一段时间内，半导体激光器的需求数量将大幅度持续增长。因此．研制性能可靠、经济耐用的半导体激光器驱动电源具有广泛的实用价值。笔者课题的研究方向正是激光目标模拟器的激光的驱动控制部分”１。

对窄脉冲大电流激光器驱动研究有着理论意义。笔者查阅过很多有关窄脉冲大电流激光器驱动方面的文献和刊物，发现国内这方面的研究与西方发达国家之闷还是有着很大的差距。美国有些半导体激光器专业公司，他们生产的激励器现在都己经模块化，且产品的可靠性和稳定性都很好。西方发达国家每年在激光器激励器方面投入很多人力和物力，而相比之下国内在这方面的投入是少了很多，所以在这方面进行研究是很有必要的。

对窄脉冲大电流激光器驱动研究也有着实用意义。随着社会的进步和国民经济的增长，越来越多的行业需要激光器来为它们工作。在军事方面，激光制导、激光武器这些都离不丌激光器；在民用方面，很多现在的激光测距仪、激光钻孔机它们也是离不丌激光器的。所以研究并设计一个好的激光器驱动电路有着很重要的实用意义。

坝Ｉ＋学位论义帝脉冲半学体激光｛｜Ｉ｝驱动啦汁及频串挣制技术１．４本论文做的主要工作

本次论文主要研究了窄脉冲激光器驱动技术，笔者参阅了大量的中外有关窄脉冲激光器驱动技术方面的文献资料，在分析了经典的半导体激光器驱动电路和研究了本课题的实际要求，提出了自己的观点和设计思路，并设计了满足课题要求的驱动电路。

本次课题要求设计的激光器驱动电源的指标如下：

（１）所用的激光器的波长为（９０５±５）ｒｉｍ

（２）输出驱动电流＞２０Ａ，输出的电流要求比较大。

（３）输出电流的脉宽小于１０ｎｓ。

在本论文中笔者主要做的工作如下：

（１）分析窄脉冲激光器的电流光功率特性，深入研究了脉冲激光器驱动电路设计的难点，并比较了目前常用的几种驱动电路设计的优缺点。

（２）分别从脉冲的发生、脉冲的整形功率放大以及ＬＤ放电回路这三个部分对电路进行设计，通过对ＣＰＬＤ的编程来实现脉冲的发生，同时也实现了对输入频率的可调，基于半导体激光器的窄脉宽和大电流的特点采用Ｍ。ＳＦＥＴ管作为ＬＤ放电回路的开关，经过整形放大的脉冲信号来驱动ＭｏＳＦＥＴ管，从而实现对激光器的激发。

（３）对电路系统进行调试，解决电路中的电容、电感等等对电路的影响。

（４）设计双向温度控制电路，实现对激光器工作温度的精确控制。６

坝ｌ学位论立带脉冲半导体激光器驱动啦｝卜及频串拧制救术２窄脉冲激光器的驱动电路设计

２．１驱动电流一光功率特性

半导体激光器（ＬＤ）的一个重要的特性就是：在驱动电流大于阀值电流以上

的一段区域，驱动电流与输出光功率近似呈线性关系，这样就可通过调制驱动电流来对ＬＤ的输出光进行直接调制。某一温度下，当驱动电流川、于阈值电流Ｌ时，激光器输出光功率尸近似为零，激光器输出端仅能看见微弱的光；而当驱动电流大于阂值电流Ｌ时，激光器输出光功率Ｐ随着驱动电流，的增加近似呈线性上升关系。如果驱动电流是脉冲电流，则输出的激光也一定是脉冲光９３。

图２．１ＬＤ驱动电流一光功率特性曲线

目前半导体激光器已能在很宽的峰值波长范围内提供百余瓦的大功率光输

出，峰值电流也高达１００安培。在如此大电流（功率）下运用，激光二极管仍保持极高速响应（响应上升时间短于ｌｎｓ）。上述器件还具有一个非常有用的特性，即随输出脉冲宽度减小，允许最大输出功率增大。例如，表中前四种型号器件的峰值功率数据（表示为１００）对应于１６０ｎｓ脉冲宽度；当脉宽减小至ＩＯｎｓ时，峰值功率增大为４００，而脉宽增大至ｌｍｓ时，峰值功率则减小至４０。由此可见，脉冲宽度减小，有利于获得更大峰值功率。当然，优良的激光二极管也只有与优良的驱动脉冲源配合，才可能最大限度地发挥器件潜能．并达到最佳运用。

２．２在本课题对激光二极管驱动脉冲源的性能指标

激光二极管脉冲驱动器的设计指标‘…１：￥波长：（９０５±５）ｎｍ

倾Ｉ＋学位论文窄脉冲半导体激光｛｛Ｉ｝驱动｝ｊ｝计及频率柠制技术

｝峰值脉冲电流：＞２０

，Ｉｔ半高脉冲宽度：ｉ０Ａｒｌｓ（固定）

ｎｓ｝脉冲上升时间：５

｝脉冲波形：极性正：钟形或近似６脉冲波形；基线振铃最大反峰电压小

于２Ｖ

｝工作方式：自振或外触发

｝最高工作频率：＜１０ＫＨｚ（自振）；要求可用ＴＴＬ电平，甚至缓慢上升信号触发工作

｝电源供电：外接５Ｖ和１２Ｖ

２．３脉冲激光电源设计的技术难点

脉冲激光电源设计的技术难点在于：脉冲半导体激光器的激励阈值电流很

大，ＰＧＥＷ２Ｓ０９要求的激励阈值电流为８Ａ。普通的电源不可能直接提供这么大的输出电流，必须利用能量压缩技术，即把瞬时功率较小的能量经过一定时间（相对较长）存储在储能元件中，在适当时刻瞬时（相对较短的时间内）放出。在脉冲激光电源中一般使用电容作为储能元件。另一个难点在于激光测距这一应用场合对激光脉冲的脉宽和上升沿要求非常高，通常在几纳秒到几十纳秒，然而，在实际产生窄脉冲大电流的电路中，脉宽和上升沿主要受开关器件速度和电路寄生参数（在大电流情况下寄生电感的影响尤其严重）的限制。在参考大量文献和资料的基础上，基于理论分析和大量的反复实验，脉宽小于５ｎｓ，上升沿小于６ｎｓ，峰值电流大于２０Ａ的脉冲式激光电源…１。

２．４目前常用的几种驱动电路

对半导体激光器驱动设计的基本要求是：它在低负载上能够产生快速电流

脉冲。其本质上是一种大电流开关电路。

目前主要有三种典型的驱动电路：

输出激励器；（３）晶体管输出激励器。（１）可控硅输出激励器；（２）雪崩管

以上所介绍的三种触发电路各自有自己的优点，但是这三种触发电路都不

适合本课题的设计要求：

（１）可控硅输出激励器虽然可以产生比较大的电流脉冲，由于脉冲宽度是

由可控硅的放电速度和储能电容决定的，要是脉冲宽度在５０ｎｓ以下还是很有难度的。而且其需要高压供电，给电路的小型化带来的困难。另外，可控硅出发电路的抗干扰能力是比较差的。

坝Ｉ学位论史窄脉冲半导体擞光器驱动髓计发频串挣制投术

（２）雪崩管输出激励器，可以获得较好的波形，但是其不能够提供大的电

流，如果需要大的电流必须要把多个雪崩管并联使用，这就需要解决各个雪崩管的同步出发和电流的等量分配的问题，否则很容易产生双峰或者反冲，脉冲的连续可调是比较困难的。而且雪崩管的驱动需要很大的电压驱动，这与脉冲的发生电路是弱信号电路不相匹配。

（３）晶体管输出激励器只适用于小电流脉冲的应用范围。在强电流脉冲发

生器中，晶体管在开关速度方面达不到要求““。

２．５驱动电路的设计

以上是笔者经过一段时间查阅文献资料后作出的总结，通过对上述三种驱

动方式的总结，以及本课题对驱动电路的实际要求，笔者认为以上的三种经典的驱动电路不适合本课题的要求。笔者所设计方案的电路原理框图如图２．２所示：

图２．２电路原理框图

本电路的工作原理：可编程逻辑器件ＣＰＬＤ产生频率为６Ｈｚ、占空比为０．００２５

的时钟信号供给驱动电路作为周期性脉冲触发信号，脉冲信号经过脉冲整形和功率的放大，输出的脉冲信号作为ＭＯＳＦＥＴ管的开关信号，经过ＬＤ放电回路激发高性能半导体激光器，产生上升沿＜６ｎｓ，半高脉宽小于１０ｎｓ，功率在２０Ｗ左右的光脉冲输出【１３】。

＇

２．５．１脉冲的发生电路

窄脉冲的发生电路主要负责产生频率为６ＫＨｚ、脉宽１００ｎｓ的时钟信号提供给驱动电路作为周期性脉冲触发信号““。

分立元件可以很方便的获得一定频率的时钟信号，但要用其获得精确占空

比的时钟信号是比较困难的。本设计中采用高精度计数单元中所使用的ＣＰＬＤ来控制发射信号，利用分频和延迟技术获得这个信号。ＣＰＬＤ外部时钟设计为１５０ＭＨｚ，对这个时钟进行２５０００分频，获得频率为６ＫＨｚ，占空比５０９６的时钟信号””。９

坝Ｉ。学位论义术脉冲半甘体撒）ｌ巴器驱功砹计及频半挡制技术

分频电路用一个模为２５０００的二进制计数器来实现，其输出最高位即为分频

后的时钟。本论文采用ＶＨＤＬ语言对这个模２５０００计数器进行描述，编译完成后生，成模块化器件存入库中，以备顶层图形描述时调用。利用对ＶＨＤＬ语言的修改可以

实现对输入频率的可调。在本论文中笔者选用的是６ＫＨｚ频率。

将这个６ＫＨｚ的信号做一路６７ｎｓ的延迟““。采用移位寄存器对数据进行多次

锁存的方法来实现对信号的延迟，其时钟仍然由外部１５０删ｚ的系统提供。由ｌＯ个Ｄ触发器串联构成的移位寄存器对输入信号进行ｌＯ个周期的延时。这样，原信号被延迟了１０／１５０ＭＨｚ＝６７ｎｓ。ｍｉｘｅｒ是自己设计的一个模块，这个模块定义为当输入信号ａ处于高电平且输入信号ｂ为低电平时，其输出信号为高电平。将延迟后的信号和原信号输入ｍｉｘｅｒ，就可以得到所需频率为６ＫＨｚ、脉宽６７ｎｓ的时钟信号。其发射信号控制电路基本结构如图２．３所示。

图２．３发射信号控制电路基本结构

２．５．２脉冲整形及功率放大电路

由可编程逻辑器件所产生的窄脉冲信号有一定的衰减，而且波形也不好，

尤其上升沿不是很好，其脉冲的电流也是很小的，还不能够驱动ＭＯＳＦＥＴ管“”。为了能够良好的驱动ＭＯＳＦＥＴ管、形成ＬＤ放电回路，我们需要对ＣＰＬＤ输出的窄脉冲信号进行脉冲整形和功率的放大。本次电路笔者采用的是ＩＸＤＤ４１５，该器件是一个双ＣＭＯＳ高速高电流栅极驱动，专门用来驱动ＭＯＳＦＥＴ管，其器件如图２．４所示。１０

做Ｉｊ学位论文带脉冲半旨体激光器驱动改计及频半｛卒制挫术

ｏ＼／

ＩＸＹＳ

ＩＸＤ口４１ＳＳ●

图２．４ＩＸＤＤ４１５的器件图

器件ＩＸＤＤ４１５的参数特性：

・门上限保护

・最高输出电流：＞２０Ａ

・工作电压：８ｖＮ３０ｖ．

・上升沿和下降沿时间：＜３ｎｓ

・最小输出脉宽：６ｎｓ

・错误工作状态下禁止输出

・低输出阻抗图２．５上升沿时间２．２ｎｓ

确Ｉｊ学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计发频车控制技术

图２．６最小的脉冲宽度＜６ｎｓ

由上面介绍的ＩＸＤＤ４１５的参数，该器件是完全符合设计需要的，该器件可以将６Ｖ左右的脉冲信号放大为电压为１２Ｖ左右，同时对脉冲的上升沿和下降沿由很好的调制作用，为下面的ＬＤ放电回路提供了所需要的脉冲信号。

２．５．３ＬＤ放电回路

ＬＤ放电回路就是ＬＤ的驱动电路，简化等效电路图如图２．７所示。其中Ｒｌ为充电限流电阻，Ｒ２为脉冲电流限流电阻，Ｃｌ为储能电容，Ｈ、ｒ为输入高压，Ｄ１为钳位二极管，Ｄ２为半导体激光器．一；ｊ‘

弋７Ｋ为控制开关。其本质是个ＲＬＣ电路“”。

图２．７驱动电路简化模型

充电过程：当把开关Ｋ置于１时，电源对电容器进行充电，回路方程为：

喏＋僻＋罟＝ｕ

对上式求微分得ｃｚ－¨

ＬＣ—ｄ２ｉ＋Ｒｃ堕＋ｆ：０ｄｌｍｉ（２—２）

放电过程：当电容器被充电到Ｕ时，、将开关Ｋ从１ｔＴＮ位置．２・则电容器在闭合

２

硕ｔ。学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频牢挡制技术的ＲＬＣ回路中进行放电。此时回路方程为

上ｃ生＋ｉＲ＋皇：０ｄｔＣ（２—３）

令Ａ＝享Ｊ莩，九称为电路的阻尼系数，那么由充放电过程的初始条件：充电ｔ＝ｏ时，ｉ＝Ｏ，ｕＣ＝Ｏ；放电ｔ＝Ｏ时，ｉ＝Ｏ，ｕＣ＝Ｕ，方程（２—２）、（２—３）的解可以有三种形式：

（１）阻尼较小时・九＜１ｔ即月２＜４考・此时方程的解为

充电过程：

扣丘％魄嘭ｓｉ蚴ｒ

ｈ＝√石当≥魄嗄ｃｏｓ（纠＋伊）

放电过程：（２圳汜一ｓ）坼．：ｕ（１－胨ｅ一彳，ｃｏｓｃ耐＋妒，］

ｋ一√杀‰魄－彳ｓｉｎ叫

虬＝一止≠戛毛矾彤ｃｏｓ（硝＋伊）一

”√杀丢沈彤ｃｏｓ（加伊）

其中时间常数ｒ２箐，ｃｚ—ｅ，防，，（２－８）（２曲）

振荡角粹珊＝去．／ｌ一丝４Ｌ・

由上述各式可知，电路中的电压、电流均按正弦律作衰减（或称欠阻尼）振荡状态，如图２．８中ｆｔ．曲线所示。

ｒ

（２）临界阻尼状态。九＝１，即尺２＝４昙。此时方程的解为

充电过程：

，：旦陀一彳

，（２－１０）

蚝＝Ｕｆｌ

＼嘭（２一１１）

”：ｃ，『ｌＬ守卜０，（２一１２）放电过程：

倾ｌ学位论史窄脉冲半导体激光器驱动敬汁及频串拧制技术

ｆ：一Ｕｔｅ－ｔ名ｒ（２．１３）

￡

铲一ｕ（ｔ一班彳（２－１４）％＝ｕ（・＋≯么（２－１５）由上各式可见，此时电路中各物理量的变化过程不再具有周期性，振荡状态如图（４—４）中ｂ曲线所示。这时的电阻值称为临界阻尼电阻。

（３）过阻尼状态，九＞１，ｅ．ｐＲ２＞４Ａ．，此时方程的解为：Ｌ

充电过程：

，－Ｊ斋％忱－＇／＇ｓｉｎ肛∽，ｅ，ｕ。＝Ｊ丢笔沈－＇／＇ｓｉｎ（一肛刊（２－１７，驴ｕＩ－厩Ｕｅ－彳ｓｉｎｃ叫（２－１８）放电过程：

汪惦％沈－＇／＇ｓｉｎ肛（２－１９）蚝＝一Ｊ＿差栌－彳ｓｉｎ（一肛刊（２．２０）驴Ｊ－岛沈－＇／＇ｓｉｎ（，ａｔ训（２－２１）式中∥＝历１，ｖ／Ｒ４２￡Ｃ１。

此时为阻尼较大的情况，电路的电压电流不再具有周期性变化的规律，而是缓慢地趋向平衡值，且变化率比临界阻尼时的变化率要小，如图２．８＇９曲线ｃ所示

图２．８ＲＬＣ电路对阶跃信号的响应在以上理论分析的基础上，建立了驱动电路实际工作的工程模型。我们需要

颂ｌ‘学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计投频宰控制技术让这个放电回路工作在欠阻尼状态，此时的放电电流是衰减的正弦曲线，微分方程的解由式（２－４）给出。

写出式（２—４）的简化形式：

ｉ＝Ａｅ一“ｓｉｎ（ｒｏｔ＋日、（２—２２）口＝一２工月

（２－２３）

小恋

这三个参数口、∞、爿分别代表了正弦波的衰减快慢、电流的周期和幅度。在脉冲激光电源中，只利用第一个正弦波得到脉冲激励电流，所以，应要求口值较大即有较快的衰减速度，以免后续电流脉冲对激光器造成损坏或产生多余的激光脉冲：Ａ值应较大，以得至０较高的电流脉冲幅度；国值应尽量小，这意味着第一个Ｊ下弦波有较快的上升时间和较窄的脉宽。

在该驱动电源中，开关Ｋ是核心器件，它的导通时『白Ｊ和驱动能力制约输出脉冲激光的上升时间和峰值功率。该电路中要求其导通时间为ｒｌｓ量级，峰值电流为２０Ａ以上㈨。

采用ＤＥＩ公司的高速大功率Ｍ０ｓＦＥＴ管ＤＥｌ５０—１０１Ｎ０９Ａ（以下简称ＤＥｌ５０）作为开关，其工作电压最大可达１００Ｖ，脉冲方式工作的峰值电流为９０Ａ，导通时问为４ｎｓ，完全可以满足驱动电路要求。

图２．９是实验得到的能够产生脉宽小于ｌＯｎｓ，上升沿小于５ｎｓ的电路。电路中ＬＤ表示脉冲式半导体激光器；Ｄ１．Ｄ２是用于抑止激光两端反向过冲的两个稳压管。该电路的特点是采用ＩＸＹＳ公司的ＭｏｓＦＥＴ驱动芯片ＩＸＤＤ４１５来驱动功率ＭＯＳＦＥＴ管ＤＥｌ５０，使电容能够在极短的时间内充分放电，产生很大的电流。当方波信号为低电平时，直流为＋９０Ｖ的电源通过Ｒ２对Ｃ１进行充电，电压ＮＵ：当方波信号为高电平时，ＩＸＤＤ４１５会产生驱动电流使Ｑ１导通，这样Ｃｌ上的电荷，就会在纳秒级的时间内，通过Ｑ１的源极到栅极．这时激光器ＬＤ、电容Ｃ１和电阻Ｒｌ形成放电回路迅速放电。整个过程时间只有几个纳秒．电流很大，所以这个回路在ＰＣＢ布线时尽量加宽，防止电路板被烧毁。影响该回路电流且可以改变的两个参数是充电电压和电容值，经过大量的仿真和试验，得到每个电压下的最佳电容值”“。

坝１。学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频书柠制技术：‘吐坦鲥ｆ。：ＯＮＤｏＵＴ

ＧＮＤ

图２．９驱动电路原理示意图

２．５．４驱动电路建模和仿真

在电路设计阶段，通常需要对所设计电路在原理上进行论证，仿真是一种主要的手段。在电子设计中，ＳＰＩＣＥ是目前国内外应用最为广泛的通用电路仿真技术…１。

ＮＩ公司的Ｍｕｌｔｉｓｉｍ软件是一款直观的电路图捕捉程序。可通过工业标准ＳＰＩＣＥ模拟器，进行交互式仿真设计，而无需担，Ｌ，ＳＰＩＣＥ语法和网络表的细节问题。通过示波器、万用表和电流探头等交互式虚拟仪器，可快速轻松地对电路特征进行预测和测量。具有１０，０００多个组件的组件数据库，利用这些组件对各种电路拓扑结构进行实验，从而更为直观地理解电路行为。

根据前面的分析建立相应的仿真模型．要注意的是这里用到的器件有些并不常见，如ＩＸＤＤ４１５和ＤＥｌ５０，Ｍｕｌｔｉｓｉｍ器件库中并没有给出包含其特征信息的仿真模型。为了如实地反映电路工作的情况，必须自行对这些元器件进行建模。建模的过程简述如下：先在用户自己的元件库中生成一个新器件，再在厂商提供的一些测试报告和文档里找出与该器件ＳＰＩＣＥ模型匹配的信息，导入到由用户自己新建的元件的描述文件中。由这样的流程，新建了ＩＸＤＤ４１５和ＤＥｌ５０的ＳＰＩＣＥ模型，对上述电路进行了仿真“”．仿真电路和结果如图２．１０所示。１６

颂ｌ学位论文带脉冲半导体激光器驱动设计及频半｛牵制手土术

图２．】Ｏ仿真电路和结果

２．５．５实验结果

很多元素影响激光发射电路的表现，最重要的是分布电感，包括放电回路器件引起的电感和布线带来的电感，因为分布电感的大小无法通过普通测试得到，其数值的微弱改变却会对最终的结果带来很大的影响。放电回路电感过大，会将脉冲电流展宽著使峰值减小。尽可能地减小电感是实际电路装调过程中最应值得注意的问题。布线电感可以通过加宽布线面积的方法减小，电容两端电感比较小（约２ｎｉｌ），可以通过并联电容的方法进一步减小，整个回路电感最大的是半导体激光器的封装电感ｌＯｎＨ，通过调整电路中其他参数如回路电容、充电电压，进行了多次实验，最后实际测量的结果脉冲上升沿为４ｎｓ，半脉宽为ＩＯｎｓ，激光器两端电压约为２０．８Ｖ，与仿真结果基本吻合““。

激光器的发射功率与其正向通过电流有关，而且半导体激光器的电路模型比较复杂，并不能直接等效为一个阻值一定的电阻，因此电流无法通过仪器直接测出或得到。

由激光器生产厂商供给的计算公式：

＂＝Ｌ…×西，田（２—２４）式中＂为激光器两端电压，‰为激光器的封装电感，西为通过激光器的瞬时电流，西为脉冲持续时『自Ｊ。

由（４－２４）式计算激光器正向通过电流

ｘ

硪：ＶＬ

￡ｍｉｄｔ：—２—０．—８—Ｖ—ｘ—Ｉ—０：ｘ—１０—－一ｇｓ≈２０．８爿１０ｘ１０１Ｈ

硕Ｉ岸位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率拄制技术

由图２．１］ｎ－Ｉ以拟合得到实际激光发射功率约为２２．６ｗ。

帆

椎

砩

矾

帆

蛾

蚺

懈

矾

衅帷

ｎ１“ｍｍｍｍｍｍｍ●暇＇ｍ

图２．１１ＰＧＥＷ２Ｓ０９输出功率与输入正向电流的关系

２．６本章小结

通过对半导体激光器的驱动电流与光功率的特性分析，建立激光器驱动的数学模型，结合本课题实际所需要的驱动电流特性，分别从脉冲的产生电路、脉冲整形和功率放大电路、ＬＤ放电回路这三部分从理论上设计了半导体激光器的驱动电源，满足了激光器实际所需要的脉冲宽度和驱动电流∞１。

颅Ｉ。学位论文窄脉冲半旨体激光器驱动设计发频半拧制技术３本课题电路的实验研究

前一章从理论方面对本次电路结构各个部分作了详细的分析，笔者以此理论为指导设计和制作了窄脉冲激光器驱动的实验板。虽然在理论上本设计的方案是可行的，但是硬件电路的设计需要实际的动手调试，有些理论上可行的方法在实际中并不一定可以可行。为了检测理论电路实际是否可行，笔者进行了电路的实际动手研究。

３．１实验的开发设备

本次实验所需的器件是：自行设计的电路板、半导体激光器、示波器、稳压电源以及一些常用的工具。这些工具是符合笔者的实验要求的。

３．２实验的结果

根据设计的电路，笔者做了一定时间的系统调试，其测试的结果如下。

３．２．ＩＣＰＬＤ出来的窄脉冲波形

图３．１ＣＰＬＤ出来的脉冲波形

ｃＰＬＤ的外部时钟是１５０洲ｚ，是完全符合实际电路所需要的频率的。首先采

９

倾１ｊ学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计发频年控制技术用了分频技术，对时钟信号进行２５０００分频，获得６Ｈｚ，占空比为５０％的方波信号。本论文采用ＶＨＤＬ语言对这个模２５０００计数器进行描述。然后采用移位寄存器对数据进行多次锁存的方法来实现对方波信号的延迟，其时钟仍然由外部１５０删ｚ的系统提供。由１０个Ｄ触发器串联构成的移位寄存器对输入信号进行ｌＯ个周期的延时。这样，原信号被延迟了ｌＯ，１５０ＭＨｚ＝６７珊。ｍｉｘｅｒ是自己设计的一个模块，这个模块定义为当输入信号ａ处于高电平且输入信号ｂ为低电平时，其输出信号为高电平。将延迟后的信号和原信号输）ｋｍｉｘｅｒ，就可以得到所需频率为６ＫＨｚ、脉宽６７ｎｓ的脉冲信号。

３．２．２整形电路出来的波形

图３．２经过整形电路出来的波形

经过整形电路后的波形如上图３．２所示。脉冲的电压幅度为１２Ｖ左右，脉冲的宽度为６０ｎｓ。这个脉冲信号用来作为ＭＯＳＦＥＴ管的驱动信号恤１。

２０

倾ｌ学位论文窄脉冲芈导体激光罂驱动设计及频率控制技术３．２．３ＬＤ放电回路中激光器两端的脉冲波形

图３．３激光器两端的脉冲波形

经过ＭＯＳＴＦＥＴ管的开关作用，形成实际的放电回路，在很短的时间内将电流释放出去，图中显示脉冲的半脉冲宽度为ＩＯｎｓ，峰值电压为３５Ｖ左右。

为了计算在ＬＤ的放电回路中产生的电流大小，实验中我们在激光器的两端串连一些电阻，在本设计中，笔者选择的是２０个１Ｑ的电阻，将这二十个电阻并联后与激光器串联，其总阻值的大小为１／２０ｆｌ，通过示波器我们截取了电阻两端的脉冲信号图，如图３．４所示。

图３．４串联电阻两端的脉冲信号

顿Ｉ．学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术

由图３．４所示，电阻两端的峰值电压为２Ｖ，由电压电流的关系，我们可以得到放电回路中的峰值电流Ｊ。＝旦斧＝号ｂ＝４蚴・通过对ＬＤ放屯回路中的脉冲信号的实际测试，我们发现实际的电路中可以产生脉宽为ｌＯｎｓ，最大峰值电流为４０Ａ的脉冲信号，完全符合设计的要求。

３．３ＭＯＳ管的选择问题

在前面设计的ＬＤ放电回路中关键的部件就是ＭＯＳＦＥＴ管，在电路中对ＭｏｓＦＥＴ管有着严格的要求，即在５ｎｓ之内能够打开超过２０Ａ大小的电流”１。这对器件本身的要求是非常的严格的。在ＭＯＳＦＥＴ管的选择的问题上确实很有难度的，目前很少的ＭＯＳＦＥＴ管有这么快响应速度，经过半个多月的搜寻，终于找到了一款符合要求的ＭＯＳＦＥＴ器件，它的型号是ＤＥｌ５０—２０１Ｎ０９Ａ（后面简称ＤＥｌ５０）。图３．５是ＤＥｌ５０的器件图。

图３．５ＤＥＩＳＯ的器件图

ＤＥｌ５０的最大承受的电压是２００Ｖ，最大可以容忍的脉冲电流是９０Ａ。它的上升时间和下降时间都仅为３ｎｓ，延时为４ｎｓ，完全可以符合ＩＯｎｓ的激光驱动的需要。３．４ＭＯＳＦＥＴ管的驱动问题

如图３．６所示是ＤＥｌ５０一１０２ＮＩＯ的简化模型。

碗ｌ学位论文窄脉冲半导体激光器驱动改汁殷频串挖制技术

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ｆｉ｝５０ＳＯＬ号０Ｅ

图３．６ＤＥｌ５０－１０２Ｎ１０的简化模型

在激光器放电电路中ＭＯＳＦＥＴ的作用是一个开关，要想在短时间内想获得很大的电流必须在短时间内打开这个开关，因此栅极驱动电流必须很大，而且上升边沿要陡，如果用分离元件去产生这样一个要求的电路需要很大的体积，而且难度也相当大，最终我们选择了一款和ＤＥｌ５０配套的驱动芯片ＩＸＤＤ４１５来实现这一功能…。

ＩＸＤＤ４１５ＳＩ的主要参数如下：

峰值输出电流：１５Ａ

供电电压：８－３０Ｖ

上升下降沿时间：小于３ｎｓ

最小脉冲宽度：６ｎｓ

由于这款芯片的存在使驱动ＭＯＳＦＥＴ的难题得到解决，节省了时『日Ｊ进行激光器充电放电回路的设计。

３．５电路中的电源的供给

在本次的电路设计中，共需要三种不同的电压电源，分别为５Ｖ、１２Ｖ、１００Ｖ。５ｖ和１２Ｖｍ＃ｌ－界电源直接供给，但是对于给ＭＯＳＦＥＴ管供电的直流高压１００Ｖ就比较困难了，通过笔者翻阅参考了大量的资料后，设计了一个直接ｍ５ｖ转换为１００Ｖ的ＤＣ－ＤＣ电路，其原理图如图３．７所示。

帧Ｉ学位论义中脉冲半导体激光｛：｝｝驱功垃计发频毕羟制技术

尹

。

Ｊ∞

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Ｌ２

Ｔ

图３．７５ｖＮｌＯＯＶ的电压转换电路

由５５５集成定时器和可调电阻ＲＩ和Ｒ２构成频率和占空比可调的方波发生器，经过分压后驱动开关三极管Ｔ，当输入高电平时，三极管Ｔ导通，串连在集电极回路中的升压电感Ｌ充电，当低电平到来的时候，三极管Ｔ截止．此时由于升压电感Ｌ的自感效应，产生高压脉冲，通过快速整流二极管Ｄ给输出滤波电容Ｃ４充电，产生高压、小电流直流输出。电路仿真结果如图３．８所示９１。

图３．８电路的仿真结果

通过实际的电路调试证明也是完全可以达到所需要的电压的。

琐Ｉ。学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术３．６激光器放电回路设计中特别要注意的问题

许多因素影响激光器驱动的实际效果，无疑回路分布电感是最大的一个。电路仿真结果显示回路电感的增加会使激光器功率下降甚至输出功率为０。本设计充分考虑影响回路电感的各个环节进行合理设计使回路电感对激光器驱动的影响最小，充分发挥了激光器的性能。在整个电容放电回路中激光器封装电感是回路电感的主要来源…，。

表３．１列举了不同激光器封装带来的电感：

表３．１不同激光器的封装电感

＃ＰＡＣＫＡＧＥＳＴＹＬＥＰＡＣＫＡＧＥ

ｌＮＤＵＣＴＡＮＣＥ

１Ｆｆ———碍Ｄｉ。，。ｌ，，。。。．，。。。。１５７ｎＨ

２硼啊８．３２ＳＴＵＤ１２ｎＨ

３咖１０．３２ＳＴＵＤ１１ｎＨ

４ＴＯ．５（２Ｉｅａｄ）９．６ｎＨ

５界咖ｍ…。阳ＴＯ．５２６８ｎＨ

６６．４ｎＨ

７ＣＤ９ｍｍ５．２ｎＨ

８网竺岫鲁４ｌｅ＂ｄＩｍⅫ５．ＯｎＨ

Ｋ０、＾Ｒ６０ＥＰｉｆｆｌＥ，

９厂磊１竺嘶；…ｅ鲥ｄ．＂ｍ，３．６ｎｉｌ

ｃｏ’’ＥＲ

１０厅ｈ竺叱：１４ｌｅ∞ｄ．ｍｅⅫ１５６ｎＨ

Ｃ０３＇ＰＥＲ

我们激光器封装和Ｔ０－５２类似，其分布电感应该近似为７ｎＨ。为了减少电路中电感的大小，回路ＰＣＢ布线尽可能的短粗，减小铜皮的分布电感。经过实际计算得整个回路电感小于２ｎＨ，而且通过设计ＰＣＢ控制电流流动路径使互感几乎为０。同时通过较大的通孔接地，多点接地，使电流返回途径阻抗变小消除了地弹噪声的干扰。实际设计的电路板如图３．９所示：。

硕ｆ＋学位论文窄脉冲半导体激光器驱动．垃计及频率挡制技术

图３．９实际设计的电路板

３．７试验中遇到的其他一些问题

１．栅极保护，ＭＯＳＦＥＴ管具有相当高的输入阻抗，在处于静电场较强的情况下很容易引起静电的击穿。所以在拿放ＭＯＳＦＥＴ管的时候要尽量拿管壳部分而不能拿引脚部分，操作人员应通过导电的金属腕带良好的接地，在焊接ＭＯＳＦＴ管的引脚时，烙铁必须事先断电”“。

２．半导体激光器对于电冲击的承受能力是很差的。在半导体激光器的使用过程中，出现的比较多的电冲击是开启或关闭电源时产生的电压、电流浪涌冲击和工作过程中由于电网波动或其他大功率电器启动而产生的电压、电流浪涌冲击。所以在ＬＤ放电回路的设计中必须要在半导体激光器的两端并联二极管，防

止被反向电压的击穿。

颤Ｉ‘学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频年控制技术４半导体激光器的温度控制技术

４．１温度对半导体激光器的影响

半导体激光器的输出受环境温度和本身温度变化的影响非常严重。由于ＰＮ结的内部承受着相当大的电流密度和热耗散功率密度，不可避免地存在各种非辐射损耗、自由载流子吸收等损耗机制，相当一部分注入电功率将转化为热量，引起激光器温度升高，从而影响其激光的输出。因此，在使用时，特别是高功率输出的器件使用时，需要低温或恒温装置，以保证其输出光强、波长等不发生显著变化ｍ１。

４．１．１温度对激光器输出波长的影响

半导体激光器在工作过程中，激光器的热沉表面温度将会急剧上升，激光器中心波长随着温度的升高而漂移，中心波长随着温度的升高而变长，随着温度的降低而变短。一般来说温度每变化ｌ℃波长也会相应的变化０．２ｎｍ。

４．１．２温度对激光器输出功率的影响

由图２．１可知：随着温度的升高，阈值电流Ｌ升高，激光器的特性曲线随温度升高向前平移，激光输出功率下降，以至于可能不能满足仪器设备Ｊ下常工作的要求：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，激光输出功率上升，最终可能因驱动电流过大而烧毁激光器。

阈值电流与温度的关系基本上呈指数关系，可近似用以下公式表示：

厶（丁）＝乇ｏ＋ｋｅｘｐ（Ｔ／Ｔｏ）（４—１）

式中：厶（丁）是温度，时的阈值电流，‰是温度Ｔｏ时的闽值电流，ｋ是与激光器有关的常数，瓦是激光器室内调试时的温度，一般在２０～２５＂Ｃ之间取值，７’是激光器工作温度。

这些特性，给采用半导体激光器作为光源的仪器设备在应用时带来了很大的麻烦。为了保证激光器的稳定输出，笔者设计了一套温度控制系统“”。

顾Ｊ：学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术４．２温度补偿方案的选择

为消除环境温度变化对ＬＤ输出特性的影响，可以采取两种不同的方案：

・（１）利用主动制冷．如附加冷却系统或采用帕尔帖（Ｐｅｌｔｉｅｒ）制冷器以保

持激光器结温恒定，从而排除温度变化带来的影响；

（２）采用电流补偿，利用与激光器相近温度特性的调制电流束补偿温度变化所带来的性能漂移。

电流补偿的电路设计复杂，响应的速度慢，所以笔者选择的是前一种温度补偿方案，利用主动冷却方式降低或消除温度变化对激光器的影响。

４．３制冷方式与器件的选择

制冷器的驱动性能的好坏直接关系到温度控制的精度。通常对制冷方式的选择是水冷和风冷，但是这两种方法的精度不高，而且使用的时候很不方便。

在本课题中笔者所使用的是半导体制冷器。

４．３．１半导体制冷器的工作原理

半导体制冷器是以帕耳帖效应为基础，当电流流过半导体制冷器时，热量从半导体制冷器的一侧传送到另一测，表现为一端制冷，另一端制热；如果电流的方向反向，则制冷与制热的两端也会反转。温度控制系统通过对激光器的温度监测，自动调节流经半导体制冷器的电流大小和方向，对激光器加热或者制冷，从而实现对激光器的温度控制。

４．３．２半导体制冷器

激光器工作时半导体制冷片的制冷效率的表达式如下：

．，＝鲁＝坠鼍≯趔。Ｑ幺

制冷器电阻；‘、‘分别为热沉面和散热器端面的温度。ｍｚ，…’其中口、Ⅳ分别为半导体制冷器的塞贝克系数、热导系数：伪电流；肋

恸ｌ。学位论史窄脉冲半导体舷光器驱动｛５ｌ计及频牛挡制技术

４，５

４．０

铷／ｋＪ；：；

２．５

２．０

１．５

１．０

０．５

０．０

ｔ／ｓ

图４．１激光器冷却能量随时问的变化图

效

塞

０２０４０６０８０１００

ｔ／ｓ

图４．２半导体制冷器制冷效率随时间变化图

利用温度传感器，测量半导体制冷片两端面温度随时间的变化，通过代入式（４—２），计算得出ＬＤ温度控制系统的冷却速度和效率，测试结果如图４．１、４．２所示。由图４．１可以看出，开始时，半导体激光器和制冷器热端存在一定温差。系统工作一段时间后，两端的温差也逐渐减小，半导体制冷器的冷却的能量随着时间逐渐减少。图４．２给出了该冷却系统的制冷效率，由于制冷片两端温差逐渐变小，制冷效率由最大的９８％降至７４％。因此设计系统制冷效率在７０％，制冷器工作在动态平衡状态，可以较好地利用冷却电源占空比的改变，精密控制系统工作点，使激光器能够较稳定地工作。实验过程中，根据图４．１、图４．２选择最佳温度控制工作点，考虑ＬＤ温度特性和温控电路调整的难易程度等因素，测得激光器的温度浮动范围在０．１℃以内…’。

颂Ｉ。学位论义窄脉冲半导体撒光器驱动设计及频率控制技术４．３．３半导体制冷器的优点

半导体制冷器具有如下的优点：

１．结构简单，整个制冷器由电热堆和导线组成，无制冷工质，无磨损。寿命长，工作可靠性高，工作环境要求低：

２席０冷温度和冷却速度可以通过工作电流来控制，控制灵活、启动快：

３．操作有可逆性，把工作电流反向后即成为加热器；

４．控制精度高：

５．控制温度范围大：

６．制冷速度快。

４．４温度控制原理

图４．３温度控制原理图

温度控制原理如图４．３所示，其具体工作过程如下：

温度探测器将半导体激光器的温度信号转换成电压信号，这个电压信号是比较小的，通过放大参数调节器设定电压信号的放大倍数，将放大电路放大的电压信号送入ＰＩＤ（比例微积分）电路，与系统设置的基准电压信号进行比较产生控制信号，用来控制半导体致冷器的电流输入及方向，使其制冷或加热，当温度探测器输出的电压信号经放大后大于基准电压，产生的控制信号使得半导体制冷器制冷，反之半导体制冷器加热，从而控制半导体激光器的温度。半导体激光器的温度变化会反映到温度探测器上，即构成了一个温度负反馈系统，动态地控制激光二极管的温度，从而起到稳定温度的作用，使温度稳定在设定值上。…。

坝Ｉ‘学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率撺制技术４．５温度控制电路的设计

４．５．１温度传感器的选择

温度传感的电路形式和感温性能与所选择的温度传感器有很大关系，传感器的选择要考虑到感温范围、线性度、灵敏度和体积等几个方面。

目前常用的温度传感器的类型：

（１）负温度系数（ＮＴＣ）的热敏电阻，这是应用最普遍的温度传感器，感

温范围在一８０～＋１５０℃之间，体积较小，直径可达１珊，并且有每度几百欧姆的灵敏度，测量精度可达±Ｏ．０１℃，稳定度小于±０．０１＂Ｃ。但是其线性度很差，呈指数规律变化，在实际应用中，当前的温度值只能通过测量其电阻值而查表获得，或通过微处理器显示，给实验带来不便。

（２）金属热敏电阻，这种传感器具有很好的线性度，测温范围可达一２６０～

＋８５０℃，体积较大，但其灵敏度很低，温度每变化１℃其阻值只变化１Ｑ左右，稳定度不足±０．０５℃，测温精度在±１℃左右，因此这种温度传感器仅适合于大范围且对温度精度要求不太高的场合。如果选择以上两种传感器，则感温电路一般设计为桥式电路。

（３）集成电路温度传感器，这类的传感器有着很好的线性度和测量精度。

通常分为电压型（如ＬＭ３５）和电流型（如ＡＤ５９０、ＡＤ５９２）两种。一般要根据传感器与控制电路之间的距离来决定选择电压型或电流型。若距离较短，受感应电压干扰较小，则选择电压型使电路简单；若距离较长则选择电流型传感器，这种传感器具有较高的抗干扰能力，但电路稍微复杂一点。

根据对上述三种类型温度传感器的总结分析，结合本课题电路的设计要求，笔者选择的是集成温度传感器ＬＭ３５。

ＬＭ３５是由ＮａｔｉｏｎａｌＳｅ珊ｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ所生产的温度传感器，其输出电压与摄氏湿标呈线性关系，转换公式为Ｐｒ叫Ⅲ，５盯）－ｌＯｍＶ／ｏＣ＋Ｔ。Ｃ，０＂Ｃ时输出为ＯＶ，每升高１℃，输出电压增加１０ｍＹ。ＬＭ３５有多种不同封装型式，如图４．４。在常温下，ＬＭ３５不需要额外的校准处理即可达到±０．２５℃的准确率。其电源供应模式有单电源与正负双电源两种，其接脚如图４．５所示，正负双电源的供电模式可提供负温度的量测：两种接法的静默电流一温度关系如图４．６所示，单电源模式在２５℃下静默电流约５０１１Ａ，非常省电。

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图４．４ＬＭ３５的封装形式和脚位

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式ｂ）正负双电源模式

图４．５接脚图

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图４．６正负双电源供电模式

硕ｌ。学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率拄制技术

图４．７温度与时间的变化图

通过Ｉｍ３５对温度信号的采集，Ｉｍ３５将温度信号转换为电压信号，从而实现了温度／电压的转换，温度的电压信号形式有利于在下面的电路中进行处理。４．５．２具体电路原理及设计

本文采用高稳定度的恒温控制技术，通过高信噪比的运算放大器，半导体制冷器，设计了～种半导体激光器温控系统，其能为半导体激光器提供温度控制精度在＋０．Ｉ＂Ｃ，制冷驱动电流可达ｌＡ。

由于设计的温控装置用于激光器的稳频，设计精度要求达到。因此相应的温度分辩率至少要达到这样的要求，实验中采用的是ＬＭ３５温度感测器，其输出电压变化率为ｌｏｆ【ＩＶ／ｏｃ，并且与摄氏温度具有较好的线性，且有很高的灵敏度和稳定性。在其有效温度范围内，其输出电压与摄氏温度成正比。这部分电路主要有三部分组成：差分放大；比例放大积分调节器：功率放大器。下面分别对这三部分进行介绍…１。

１）差分放大

其电路连接如图４．８所示，ｕ１，Ｒ１，Ｒ２组成了一个放大倍数可调的有源放大器，Ｕ２，Ｕ３，Ｕ４及其附属电路组成了一个差分放大电路。工作原理如下：

从ＬＭ３５输出的电压经过有源放大器，通过调节有源放大器的倍数以使激光器的结温对应的输出电压经放大后的电压达到参考电压（这旱的参考电压选取的是电源电压的一半（为２．５Ｖ）。由于激光器工作在２０。ｃ左右，温度感测器的输出电压约为０．２Ｖ，所以有源放大器的放大倍数约为１２．５。当温度变化时引起了输出电压的变化，这样就与参考电压产生了一定的差值，经过差分放大。这罩的差分放大倍数为ＩＯ。在差分放大电路的设计过程中要重点考虑电路的对称性，以减少电

、３３

坝ｌ‘学位论文印脉冲午岢体撒光器驱动设计及频毕挣制技术压偏移。

图４．８差分放大电路

２）比例放大积分调节器

ＰＩＤ是比例，积分，微分的缩写。

比例调节作用：是按比例反应系统的偏差，系统一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统的不稳定。

积分调节作用：是使系统消除稳态误差，提高无差度。因为有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出～常值。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ｔｉ，Ｔｉ越小．积分作用就越强。反之Ｔｉ大则积分作用弱，加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢。积分作用常与另两种调节规律结合，组成ＰＩ调节器或ＰＩＤ调节器。

微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，具有预见性，能预见偏差变化的趋势，因此能产生超前的控制作用，在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，组成ＰＤ或ＰＩＤ控制器。

硕Ｉ擘位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术

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图４．９比例放大积分调节器

具体电路如图４．９所示，Ｕ５，Ｕ６及其附属电路组成的一个比例放大积分调节器。实际上就是一个比例放大和积分电路。ｕ５，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４组成了比例放大电路，其放大倍数为Ｒ１４／Ｒ１２，针对本电路折衷考虑放大倍数选择为３倍，这样既增强控制作用，减小系统的稳定误差，提高系统的响应速度，又不至于给系统的稳定性带来困扰。ｕ６，Ｒ１５，Ｒ１６，Ｃ组成了一个积分电路。比例放大积分调节器实际上就是一个个对高频进行抑制的电路系统，它极大地改善了信号的信噪比，是实现高精度控制的重要保证之一。由于积分电路的响应时间取决于Ｃ和Ｒ１５的取值。这旱选取的Ｃ＝２ｕＦ，Ｒ１５＝３ＫＱ．时间常数为０．０８秒左右。

在比例放大调节的基础上加积分控制可以消除系统的稳态误差。微分的控制作用与偏差的变化速度有关，微分控制能够预测偏差，产生超前的校正作用。微分作用的不足之处是放大了噪声信号。由于温度的变化不可能很快，它总是要经过一段时间才能改变，所以控制电路中不需要微分控制。

３）功率放大器

由于半导体制冷器的电流较大，不能直接由运算放大器驱动，如图４．１０所示。Ｕ７，ＴＩＰｌ２２，ＴＩＰｌ２７，Ｒ１７，Ｒ１８构成双电源互补对称功率放大电路。功放电路主要考虑电路的交越失真，失真越小，对温度控制的精度和稳定度越好。为了减小交越失真，设计了偏置电路，需要注意的是，对于不同的三极管，其基极与发射极之『日Ｊ的门坎电压不同。静态时，在Ｄ１，Ｄ２上产出的压降为ＴＩＰｌ２２，ＴＩＰｌ２７提供了一个适当的偏压，使之处于微导通状态。此时，ＩＣｌ２２＝ＩＣｌ２７，ＩＴＥＣ＝０，Ｖｆ＝Ｏ。有信号的时候，即使ｄ点输入电压Ｖｄ很小，也可以进行线性放大。由于制冷器需要大的电流，所以Ｒ１９取值为ｌＱ。

颂Ｉ・学位论文窄脉冲半岢体激光器驱动改计及频半挣制投术

图４．１０功率放大器的设计

由于时『自Ｊ的关系，电路的实际工作状态没有得到验证。笔者运用了仿真软件对设计的电路进行仿真，上述电路可以实现２０＿－＋０．１℃的精度要求，从而满足了激光器的波长稳定在９０５±Ｏ．２ｎｍ的设计要求。

硕士学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术总结

在本论文中，笔者选用ＣＰＬＤ作为信号发生器，运用ＶＨＤＬ对计数器进行描述，输出所需要频率的脉冲信号，实现了对脉冲频率的可调，再经过ＬＶｄ３Ｄ４１５对脉冲进行整形，输出的脉冲信号来控制ＭＯＳＦＥＴ管的开关，通过对实际的电路的调试，实现了课题的要求：脉冲的宽度最小可达１０ｎｓ，脉冲的最大电流可达４０Ａ。

采用了半导体制冷器及双向温控电路，可以将半导体激光器的壳温控制在２０±０．１℃，可以满足在各种温度条件下半导体激光器的工作稳定性。

本课题设计的驱动电路的优点：

（１）小型化

（２）抗干扰的能力强

（３）采用了脉冲压窄技术和双向的温度控制技术，可以提高半导体激光器的频率和温度的适应性，满足了实用的要求。

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致谢

由衷地感谢我的导师顾国华教授对我的支持、关心、帮助和严格要求。两年多来，顾老师以其渊博的学识、精益求精的工作精神、平易近人的待人接物，使我受益匪浅，终生受用。在他精心指导，严格要求和热情关怀下，使我专业理论水平和科研能力都获得很大提高。他严谨的学风，科学的态度，务实的精神是我一直学习的榜样。

感谢４４１教研室所有老师多年来辛勤的教导和培养以及在论文期间给予的指导和帮助！

感谢４４１教研室所有的同学，我们在这里共同学习、生活，度过了愉快而充实的研究生生涯！感谢多年来给我关心和支持的家人们！

碗１．学位论立窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率挣制技术

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帧Ｉ学位论义带脉冲十导体撒光器驱动垃计及频串拌制技术

附录Ａ

幽Ａ．１脉冲发生电路、

４

倾１１学位论文窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术

幽Ａ．２ＬＤ振荡同路４２

窄脉冲半导体激光器驱动设计及频率控制技术作者：

学位授予单位：巫中伟南京理工大学

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