半導體激光器電源設計技術匯總

自從激光被發明以后，各種的應用隨即發展起來，但真正能應用在消費性電子產品是在半導體激光(或稱激光二極體,LaserDiodeLD)發明之后，特別是在1977年發明的面射型激光(VCSEL)，因為半導體激光具有輕巧、電光轉換效益高、低消耗功率、壽命長、及易由電流來控制其光輸出功率、且調制頻率可達10GHz以上等特性。這些特性使它可廣泛應用于資訊處理、光纖通訊、家電用品等民生消費電子產品上，未來半導體激光將帶動另一波的光電消費性電子產業。以下介紹半導體激光器在電源設計中的一些方法。

1.半導體激光管LD的電源設計

半導體激光管(LD)和普通二極管采用不同工藝，但電壓和電流特性基本相同。在工作點時，小電壓變化會導致激光管電流變化較大。此外電流紋波過大也會使得激光器輸出不穩定。二極管激光器對它的驅動電源有十分嚴格的要求;輸出的直流電流要高、電流穩定及低紋波系數、高功率因數等。隨著激光器的輸出功率不斷加大，要高性能大電流的穩流電源來驅動。為了保證半導體激光器正常工作，要對其驅動電源進行合理設計。并且隨著高頻、低開關阻抗的MOSFET技術的發展，采用以MOSFET為核心的開關電源出現，開關電源在輸出大電流時，紋波過大的問題得到了解決。

系統構成

裝置輸入電壓為24V，輸出最大電流為20A，根據串聯激光管的數量輸出不同電壓。假如采用交流供電，前端應該采用AC/DC作相應的變換。該裝置重要部分為同步DC/DC變換器，其原理圖如圖1所示。

Vin為輸入電壓，VM1、VM2為MOSFET，VM1導通寬度決定輸出電壓大小，快恢復二極管和VM2共同續流電路，整流管的導通損耗占據最重要的部分，因此它的選擇至關重要，試驗中選用通態電阻很低的M0SFET。電感、電容組成濾波電路。測量電阻兩端電壓與給定值比較后，通過脈沖發生器出現相應的脈寬，保持負載電流穩定。VM1關斷，快恢復二極管工作，快恢復二極管通態損耗大，VM2接著開通續流，減少系統損耗。

2.半導體激光器的開關電源紋波抑制研究

本文提出開關電源紋波的含義，分析開關電源紋波出現的原因，并提出幾種抑制紋波的方法。最后針對一款特殊開關電源，論述了開關電源的輸出穩定性問題。該電源輸出電流為10A，輸出電壓為12V，重要用于驅動半導體激光器。為減小輸出電流紋波，提高激光功率穩定性，研究分析了幾種抑制紋波的方法，包括濾波法，多路疊加法等。該電源的設計采用主、副電源的思路，從主電源采集紋波信號反饋給副電源的控制端，從而使主副電源輸出疊加后保持較小的輸出紋波。通過實驗驗證該方法可以使紋波系數保持在1%，使得性能有所提高。

近年來，開關電源以其體積小，重量輕，效率高等優點，在工程領域、醫療機構、科學研究等方面有著越來越廣泛的應用。本文著重解決一款能輸出10A電流12V電壓的特殊恒流源的紋波抑制問題，專門用于大功率的半導體激光器驅動。該激光器需求高穩定的光功率輸出，激光器輸出光功率的穩定性是一個重要參數，半導體激光器的光功率穩定性重要表現在輸入電流的穩定性，輸入電流的紋波越小光功率穩定性越好。目前，解決開關電源紋波的方法有若干種，各有其優缺點，由于輸出電流是10A的大電流，一般的方法不能適用。本文通過比較濾波法提出雙路并聯法，旨在大電流情況下進一步減小電流輸出紋波。

紋波出現原因分析

通常開關電源把電網供應的交流電經過整流濾波轉變為直流電，開關管的高速開通和關斷，就會引起輸出電壓的波動，在輸出回路中的快恢復二極管和電感也會引起輸出電壓的波動。這些高頻低頻的波動總和就形成了輸出的紋波，包括電壓紋波和電流紋波。

開關電源中紋波的來源有很多原因，其中MOS管開通關斷所出現的紋波是重要原因之一。當開關管開通關斷時都會有一個上升時間和下降時間，這時就會在電路中引起一個同頻率的噪聲。輸出回路上的電感也會隨著充電放電出現一個噪聲，同時也會有漏感出現。在導線與導線之間，元器件的引腳之間還會存在各種寄生電感，這些寄生電感會遵循如下公式出現變化。

3.高亮度半導體激光器拓展新波長

半導體激光器技術的不斷發展使其應用日益廣泛，同時越來越多的應用都要求半導體激光器簡單易用，這使光纖耦合半導體激光器模塊廣受青睞。為了更好地滿足應用需求，在設計高亮度半導體激光器模塊時，必須要考慮一些重要的設計規則，特別是當這些模塊的輸出波長為非標準波長時。這些設計考量重要涉及以下幾方面：

原則上，最低衍射極限光束參數乘積(Bpp)與波長成正比，也就是說，隨著波長(λ)的新增激光打標機，光束質量會逐漸變差。光纖耦合模塊要一個特定的光束參數乘積，這意味著可以耦合到一根光纖中的發射體(emitter)的數量，會隨著波長的平方因子(λ-2)而減少。例如，在1940nm時可以耦合到指定纖芯中的發射體的數量，要比在970nm時減少4倍。

通常慢軸發散角會隨著波長的新增而新增，這意味著慢軸準直透鏡(SAC)的焦距必須合適，以防止由于SAC造成的能量損失。

關于輸出非標準波長的半導體激光器巴條，其快軸方向的發散角可達到90°，因此要使用具有高數值孔徑和高質量的快速軸準直透鏡(FAC)。

必須要考慮光學元件自身的損耗。特別是當波長超過2200nm時，由于羥基(OH)伸縮會導致大量水吸收。目前幾乎微型光學元件使用的所有材料激光打標機，都會發生這種水吸收現象。

表1給出了各種光纖耦合半導體激光器模塊(見圖1)所能實現的輸出功率。

4.高功率半導體激光器的波長穩定技術

高功率半導體激光器系統作為發展成熟的激光光源，在材料加工和固體激光器泵浦領域具有廣泛應用。盡管高功率半導體具備轉換效率高、功率高、可靠性強、壽命長、體積小以及成本低等諸多優點，但是光譜亮度相對較差則是一個不容忽視的缺點。半導體激光器bar條典型的光譜帶寬大約是3～6nm，而且峰值波長會受工作電流和工作溫度的影響而發生漂移。