脉冲半导体激光器电源电路分析
第6卷 第4期 2008年8月
光学与光电技术
O PT ICS &OP T O EL ECT RO NI C T ECH N OL OG Y
V o l. 6, N o. 4 A ug ust, 2008
文章编号:1672-3392(2008) 04-0001-03
脉冲半导体激光器电源电路分析
严 兵
(海军驻航天二院代表室, 北京100854)
摘要 直接调制的大电流窄脉宽驱动电源是脉冲半导体激光器获得高峰值功率输出的重要保证。
建立了脉冲半导体激光器驱动电源的等效电路及其LRC 回路模型, 对线性常系数二阶齐次微分方程的分析解进行了分析, 并与实验结果做了比较。结果显示, 当电源主要参数满足R \2关系时, 可获得较为理想的非振荡放电过程, 实测脉冲波形及其特性与计算结果相符合。关键词 脉冲半导体激光器; 电源; 驱动电路中图分类号 TN248. 4 文献标识码 A
电阻和电路串联电阻。为了减小体积, 储能元件一般选电容, 考虑到放电的速度, 用功率M OSFET 管作为开关元件。
L /C 的
1 引 言
脉冲半导体激光器具有峰值功率高、体积小等优势, 已被广泛应用于激光测距、激光雷达和自由空间激光通信等领域。在激光探测和激光通信中, 系统带宽、作用距离、精度、抗干扰和低功耗等性能都取决于半导体激光器发射的激光脉冲质量[1-2], 而半导体激光器发射的光脉冲是由激光电源产生的电脉冲直接调制得到的, 激光器产生的光脉冲特性在一定程度上依赖于脉冲驱动电源的设计, 抽运电流的幅值、脉冲宽度决定了激光脉冲的峰值功率。因此, 脉冲半导体激光器脉冲电源的设计是激光应用中的一项关键技术[3]。
本文给出了脉冲半导体激光器驱动电源的等效电路, 在此基础上建立了LRC 回路模型, 根据线性常系数二阶齐次微分方程的分析解结果, 对回路主要特征参数进行了分析, 获得了电流-时间曲线, 并将计算结果与实验结果做了比较。
图1 脉冲半导体激光器驱动电源结构形式F ig. 1 Simplified cir cuit diag ram o f pulsed
diode laser driv er
图2 脉冲半导体激光器驱动电源等效电路F ig. 2 Equivalent cir cuit diag ram o f pulsed L D dr iver
2 脉冲半导体激光器电源电路模型
的建立和分析
图1、2所示分别为脉冲半导体激光器驱动电路的一般形式和相应的等效电路。其中, L 为寄生电感(由于电路中有放电电容、开关元件、激光器, 所以放电回路内部有寄生电感) , C 为储能电容, R 为电路的总电阻, 包括激光器等效电阻、开关元件
假设开始时电容充电达到电压为V , 那么电路的放电回路可以看做零输入响应的串联RLC 电路, 方程如下:
L
+R i +d t C
i d t =0
Q
(1)
对上式微分可以得到一个线性常系数二阶齐次微分方程:
收稿日期 2008-01-16; 收到修改稿日期 2008-02-04
作者简介 严兵(1968-) , 男, 硕士, 工程师, 主要从事光电火控及制导技术研究。E -mail:Suno k1974@sohu. com
2
+=0L +R d t d t C
其特征根为
p =-? 2L p 1=-+2L p 2=--2L
分三种情况讨论:1) R >2
, 非振荡放电过程C
2L 2L 2L
2
光学与光电技术第6卷
(2)
通过数理分析可易得:当t =t m 时, 电流i 取极大值i max 。
可以看出电流脉冲的脉冲宽度可近似为
t =T =#22D =m 12L
-L C LC
(3) (12)
-从式(12) 可以看出i 呈周期性正弦衰减。由于:
(13)
-LC
(4) 所以, 电容上的电流衰减很快, 可能不到1个周期, 电流就衰减到零了。但是只要电流方向改变, 即出现负电流就不是我们希望得到的。电流i 随时间t 变化的波形如图3(b ) 所示。
这种情况下, 特征根p 1和p 2是两个不等的负实根, 通过求解式(2) 可得到通过电容的电流为
i =-(e p 1t -e p 2t ) (5)
L (p 2-p 1)
由p 1>p 2得:p 2-p 10所以由式(5) 得:
i >0
(6) (7)
(a )
这表明i 方向始终不改变, 电容在整个过程中一直释放所储的能量。没有振荡现象, 这是我们所希望的。
电流公式对时间t 求导数, 并令i =
(p 1e -p 1t -p 2e -p 2t ) =0, 得:
L (p 2-p 1)
21
t m =
p 1-p 2
ln
(8)
通过分析可得:当t =t m 时, 电流i 取极大值i max 。
电流i 随时间t 变化的波形如图3(a ) 所示, 电流脉冲的脉冲宽度可近似为t =2t m 。 2) R
当R
, 振荡放电过程C
时, 特征根p 1和p 2是一对共轭C
(b )
图3 I -t 关系曲线F ig. 3 Curr ent I v ersus t ime t
复数。通过求解式(2) 可得电容上的电流为
U 0-D t i =e sin X t
X =
其中,
D =
2L
-2L
(9)
, R 一般为几8左右, L 一般为几2L
t
十纳亨到几千纳亨。所以D =m 1, 这样I =e -D
2L
由于D =
t
的电流下降速度就非常快, 同理I =-e -D 上升也
就非常快, 这就会导致I 在负半轴的值非常小, 有时可以忽略不计, 在实际调试的电路中, 虽然R
(10)
2
/C, 是振荡衰减过程, 但是几乎看不到衰减。3) R =2在R =2
(11)
临界情况
L /C 的条件下, p 1=p 2=-R/2L =
0-D
e t L
(14)
式(9) 对时间t 求导数, 并令:i =
0t t
(-D e -D sin X t +X e -D cos X t) =0, 得:t m =
arctan -D 。通过求解式(2) 可得: i =
第4期严兵:脉冲半导体激光器电源电路分析
3
综合以上三个过程, 想获得非振荡的放电过程, 电阻和电容关系必须满足以下关系式:
R \2
L /C
(15)
激光脉冲宽度为
27ns 。
3 实验结果
根据以上的公式推导, 设计了满足R >2
, 采用如图4所示的脉冲半导体激光器驱动源电路, 完成了相关实验, 实验结果与理论计算进行了比较。
取R =108, L =5@10-8H , C =10-8F , U 0=300V , 根据电流式(5) 有:p 1U -5. 5@107, p 2U -14. 5@107, t m U 11ns , 脉冲宽度t =22ns , 峰值电流i max =42A 。按估算公式计算峰值电流为:i max =
30A 。
图6 实测激光脉冲波形Fig. 6 O ut put beam w avefo rm
4 结 论
根据LRC 回路方程建立的模型对脉冲半导体激光器的大电流窄脉宽驱动电源进行了理论分析和计算, 实验得到的数据表明:当电源主要参数满足R \L /C 的关系时, 可获得较为理想的非振荡
图4 脉冲半导体激光器驱动电源原理框图Fig. 4 Funct ional block diag ram o f pulsed L D dr iver
经取样电阻实测最大电流为I max =43A , 示波器显示实测脉宽为30ns ,
电流波形如图5所示。
放电过程。采用相应的电路参数, 可得到峰值电流43A 、脉宽30ns 的放电波形, 激光输出脉冲宽度为27ns 。
参考文献
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光器电源的研究[J]. 仪器仪表学报, 2004, 25(4) :491-493.
图5 实际所测电流脉冲波形F ig. 5 Ex perimental curr ent w avefo rm
用以上电路驱动脉冲半导体激光器, 通过光电二极管采样可以获得如图6所示的激光脉冲, 实测
Analysis of Pulsed Laser Diode Driver Circuit
YAN Bing
(Navy Representative office in th e Second Academy of CASC, Beijing 100854, C hina )
Abstract Perfo rmance o f direct -modulating pulsed diode laser is dependent on lar ge -curr ent and narr ow -w idth pulsed driv er circuit. T he equivalent driver cir cuit of pulsed L D is established. T he L RC loo p equation is mo deled. T he analytic solution is achiev ed by so lving t he linear constant coefficient second o rder ho mog eneous differ ential equation. T he results compared w ith ex periments rev eal that w hen t he co ndit ion R \2is met, sur geless discharg ing cur rent wavefo rm can be achiev ed. T he calculated cr est v alue and pulse width of curr ent ar e coincided w ith those of ex per iments. Key words pulsed diode laser; pow er supply ; driver circuit