一種半導體激光驅動電源的研究設計

蹇治權

摘要：本文提出了一種新的半導體激光器驅動電源的設計方法，研制出一種紋波小，穩定性高，工作溫度恒定，輸出功率穩定并可調節的半導體激光器驅動電源，具有很好的應用前景。

關鍵詞：半導體激光器? 驅動電源 紋波

引言

隨著機器人技術的飛速發展，機器人視覺系統的研究和開發已經成為了智能機器人領域的一個非常重要的研究課題，并獲得了迅速的發展。機器人視覺系統需要一種高穩定性的準直相干光束，光束的質量將直接影響系統的質量。由于機器人視覺系統具有結構緊湊等特點，一般選用半導體激光器作為相干光源[1]。半導體激光器相對于常用的氣體激光器有著體積小、重量輕、價格便宜、性能穩定等優點，而且半導體激光器的輸出功率可以調節和控制，因此半導體激光器在實際應用中更多的取代了氣體激光器，在光纖通訊、測量、激光打印以及條形碼掃描等領域發揮了極為重要的作用[2]，并在物體表面形貌測量等新興研究領域有著更加廣泛的應用[3][4]。研究和改進半導體激光器的性能，使之達到氣體激光器的標準，已經成為國內外研究的熱點問題[5]。

半導體激光驅動電源的性能要求

1.電源輸出電流

電流的變化會改變半導體材料的折射率，從激光器輸出功率與注入電流的關系曲線中我們也可以看到，當注入電流發生變化時，激光器的輸出功率線性變化。因此，半導體激光器對電源的第一個要求是注入穩定的電流或者提供穩定的電壓。 要使得注入電流穩定，就要在電源電路的設計中盡量降低紋波系數，濾除電路中的交流分量，消除電源電路中存在的噪聲和紋波干擾。如果電源中出現浪涌，不但會對激光器的輸出造成影響，還會損壞半導體激光器，因此消除浪涌也是激光器驅動電源設計中一個重要環節。

2.溫度變化

溫度的變化也會影響激光器的輸出功率，還會縮短激光器的工作壽命。因此，我們還要設計一個溫度控制裝置，使半導體激光器在恒溫下工作。

半導體激光驅動電源的設計

1系統框架設計

半導體激光器驅動電源主要包括輸入濾波電路，前級AC-DC電路，后級DC-DC電路，輸出濾波電路，控制電路4個部分。圖1為驅動電源的系統框圖。

該電路前面部分為常規開關電源的整流和濾波環節，采用二極管組成電橋將變壓器輸出端的交流電轉換成直流電，然后通過穩壓芯片將電壓穩定在我們所需要的范圍，再利用一個LC型濾波網絡來消除電路中的紋波。

2濾波電路設計

驅動電源中輸出濾波網絡不但可以減小電路中存在的紋波，還能進一步消除浪涌對激光器的損害，選用常見的LC濾波電路，圖2為LC濾波電路的原理圖：

LC濾波器的傳遞函數為：

該網絡是一個二階振蕩環節，當頻率大于其轉折頻率時，信號開始衰減，所以選擇合適的濾波器轉折頻率至關重要。

3 控制電路設計

半導體激光器對其驅動電源的輸出電流紋波參數十分敏感，需要對其主要電路拓撲結構的控制算法進行改進。采用定電流（Constant Current， CC）帶定電壓（Constant Voltage， CV）控制。CC帶CV控制有兩條控制環路，分別是電感電流環和輸出電壓環，CC環和CV環交替工作。

結論

簡要介紹了半導體激光器對其驅動電源的相關性能要求，結合國內外相關技術和激光器自身特性，設計了一套具有良好的穩定性的驅動電源，在傳統的定電壓控制上加入了定電流控制，確保整個系統的輸出電流的穩定性，保障半導體激光器的運行可靠性。

參考文獻

1? 戴士杰，崔慶華，岳宏，蔡鶴皋.? 新型機器人視覺系統準直相干光束的獲取.? 紅外與激光工程， 2002， 31（5）：437-440

2? 王佳，? 俞信.? 自由空間光通信技術的研究現狀和發展方向綜述.? 光學技術， 2005， 31（2）： 259-265

3? X.? Z.? Wang，? O.? Sasakietal.? Measurement? of? Small? Vibration? Amplitudes? of? a Rough Surface by an Interferometer with a Self-pumped Phase-conjugate Mirror [J]. Appl. Opt.， 2000（39）： 4593-4597

4? X.? Z.? Wang，? O.? Sasakietal.? Sinusoidal? Phase-modulating? Fizeau? Interferometer Using a Self-pumped Phase-conjugate for Surface Profile Measurements [J]. Opt. Eng.， 1994（33）： 2670-2674

5? 郎佳紅，? 顧彪，徐茵，秦福文.? GaN 基材料半導體激光器綜述.? 激光技術，

2003， 27（4）： 321-327