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半导体激光器电源设计技术汇总
作者: 发布于:06-19

  自从激光被发明以后,各种的应用随即发展起来,但真正能应用在消费性电子产品是在半导体激光(或称激光二极,LaserDiodeLD)发明之后,特别是在1977年发明的面射型激光(VCSEL),因为半导体激光具有轻巧、电光转换效益高、低消耗功率、寿命长、及易由电流来控制其光输出功率、且调制频率可达10GHz以上等特性。这些特性使它可广泛应用于资讯处理、光纤通讯、家电用品等民生消费电子产品上,未来半导体激光将带动另一波的光电消费性电子产业。以下介绍半导体激光器在电源设计中的一些方案。
1.半导体激光管LD的电源设计
  半导体激光管(LD)和普通二极管采用不同工艺,但电压和电流特性基本相同。在工作点时,小电压变化会导致激光管电流变化较大。此外电流纹波过大也会使得激光器输出不稳定。二极管激光器对它的驱动电源有十分严格的要求;输出的直流电流要高、电流稳定及低纹波系数、高功率因数等。随着激光器的输出功率不断加大,需要高性能大电流的稳流电源来驱动。为了保证半导体激光器正常工作,需要对其驱动电源进行合理设计。并且随着高频、低开关阻抗的OSFET技术的发展,采用以MOSFET为核心的开关电源出现,开关电源在输出大电流时,纹波过大的问题得到了解决。

2.半导体激光器的开关电源纹波抑制研究
  本文提出开关电源纹波的定义,分析开关电源纹波产生的原因,并提出几种抑制纹波的方法。最后针对一款特殊开关电源,论述了开关电源的输出稳定性问题。该电源输出电流为10A,输出电压为12V,主要用于驱动半导体激光器。为减小输出电流纹波,提高激光功率稳定性,研究分析了几种抑制纹波的方法,包括滤波法,多路叠加法等。该电源的设计采用主、副电源的思路,从主电源采集纹波信号反馈给副电源的控制端,从而使主副电源输出叠加后保持较小的输出纹波。通过实验验证该方法可以使纹波系数保持在1%,使得性能有所提高。

3.高亮度半导体激光器拓展新波长
  半导体激光器技术的不断发展使其应用日益广泛,同时越来越多的应用都要求半导体激光器简单易用,这使光纤耦合半导体激光器模块广受青睐。为了更好地满足应用需求,在设计高亮度半导体激光器模块时,必须要考虑一些重要的设计规则,特别是当这些模块的输出波长为非标准波长时。这些设计考量主要涉及以下几方面:
  原则上,最低衍射极限光束参数乘积(BPP)与波长成正比,也就是说,随着波长(λ)的增加激光打标机,光束质量会逐渐变差。光纤耦合模块需要一个特定的光束参数乘积,这意味着可以耦合到一根光纤中的发射体(emitter)的数量,会随着波长的平方因子(λ-2)而减少。例如,在1940nm时可以耦合到指定纤芯中的发射体的数量,要比在970nm时减少4倍。
通常慢轴发散角会随着波长的增加而增加,这意味着慢轴准直透镜(SAC)的焦距必须合适,以避免由于SAC造成的能量损失。

4.高功率半导体激光器的波长稳定技术
  高功率半导体激光器系统作为发展成熟的激光光源,在材料加工和固体激光器泵浦领域具有广泛应用。尽管高功率半导体具备转换效率高、功率高、可靠性强、寿命长、体积小以及成本低等诸多优点,但是光谱亮度相对较差则是一个不容忽视的缺点。半导体激光器bar条典型的光谱带宽大约是3~6nm,而且峰值波长会受工作电流和工作温度的影响而发生漂移。

5.实现智能控制的半导体激光器电源设计
  由于具有体积小、重量轻等特点,半导体激光器(LD)在信息、通讯、医疗等领域得到日益广泛的应用,且与电子器件结合实现单片光电子集成。但是LD容易受到过电压、电流或静电荷的冲击而损坏,其电源的研究愈来愈受到人们的重视。若电源输出电压或电流波形质量不高,又缺乏有效保护,将导致激光器性能下降或造成损坏,因此要设计性能优良的电源来保证LD安全稳定地工作。

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