CN101393072B

CN101393072B - 脉冲半导体激光器测试设备用电源驱动装置

Info

Publication number: CN101393072B
Application number: CN 200810232182
Authority: CN
Inventors: 陈胜石; 宁子立; 杜高社; 薛常佳; 赵琳; 张晓辉; 周丽华
Original assignee: 205TH INSTITUTE OF CHINA NORTH INDUSTRIES
Current assignee: 205TH INSTITUTE OF CHINA NORTH INDUSTRIES
Priority date: 2008-11-10
Filing date: 2008-11-10
Publication date: 2010-06-02
Anticipated expiration: 2028-11-10
Also published as: CN101393072A

Abstract

本发明公开了一种脉冲半导体激光器测试设备用电源驱动装置，包括驱动模块和安装组件。其主要技术内容是，驱动模块中的供电功能由电池组、可调DC-DC变换器和储能滤波电路实现；驱动模块中的驱动功能由脉冲信号发生电路和带有毛刺尖峰抑制电路的激光器驱动电路实现；被检半导体激光器与驱动模块之间的电连接是通过可导电的安装组件以机械连接方式实现的。本发明不仅能够提供30A～100A的驱动电流，可对峰值功率在100～300W的脉冲半导体激光器进行驱动，而且较好地克服了在大功率脉冲激光器性能检测中，含线性电源的现有驱动装置所存在的体积大、尖峰和毛刺电流影响大、焊接激光器导致的静电危害等问题，有较好的应用前景。

Description

脉冲半导体激光器测试设备用电源驱动装置

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，主要涉及一种可对脉冲半导体激光器性能参数进行检测的测试设备，尤其涉及这种测试设备用于驱动被检大功率半导体激光器的一种电源驱动装置。

背景技术

脉冲半导体激光器和普通半导体激光器相比，具有体积小，效率高，寿命长等优点。目前在激光通信、激光雷达、激光制导、激光测距等各个领域得到广泛应用。近年来国产半导体激光器技术的日趋成熟，峰值功率在100W以上的大功率半导体激光器已经在市场出现，广受工程应用者的亲睐。

在半导体激光器使用前，需要对其激光性能参数进行检测，看是否满足使用要求。由于半导体激光器和其它的电子产品不同，在性能测试时需要给被检半导体激光器提供特定的电源驱动。然而，随着国产脉冲半导体激光器技术的不断发展，其输出功率峰值也由几十瓦增大到100W以上，因此，在脉冲半导体激光器性能检测的实际应用中，测试设备中的电源驱动装置也遇到以下新问题：

1、由于100W以上的脉冲半导体激光器需要40A以上的稳定驱动电流来驱动，如果仍采用峰值功率在几十瓦的脉冲半导体激光器的驱动模式，即由线性电源和开关管构成的电源驱动装置进行驱动，那么线性电源的体积和重量将会增大好几倍，而且价格也相当昂贵。

2、由于脉冲半导体激光器为半导体器件，具有半导体材料的基本特性即反向电压不稳定时容易击穿的特性。对于几十瓦的脉冲半导体激光器而言，由于激光器所要求的驱动电流比较小，因此目前通用的驱动电路中寄生电感产生的电流尖峰和毛刺还不至于影响到激光器的性能。然而对于100W以上的大功率脉冲半导体激光器而言，驱动电路中的这些电流尖峰和毛刺对激光器的性能影响就是致命的。

3、无论是几十瓦还是100W以上的脉冲半导体激光器一般都工作在高频环境下，静电对它会造成很大的伤害。然而，在目前的测试中，电源驱动装置与被检脉冲半导体激光器之间是采用焊接方式来实现两者的电连接。这样，在检测前的焊接操作过程中，电烙铁上的静电很容易损坏昂贵的激光器，而且在焊接过程中，人体的静电也有可能给激光器带来不利后果。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，为脉冲半导体激光器性能测试设备提供一种可以驱动100W～300W的脉冲半导体激光器的电源驱动装置，该电源驱动装置不仅可以抑制电路中的尖峰、毛刺对被检激光器的性能影响，同时在实施测试时，还无需与被检激光器之间进行焊接。

为解决上述技术问题，本发明提供的电源驱动装置包括焊接在同一驱动模块上的电池组、可调DC-DC变换器、脉冲信号发生电路、信号选择开关、脉冲整形放大电路、激光器驱动电路、储能滤波电路，所述电池组提供的直流电压经过所述可调DC-DC变换器变换成测试所需的稳定直流电压；所述激光器驱动电路含有场效应管和分流电阻，其功能是为被检脉冲半导体激光器提供脉冲式驱动电流；所述脉冲信号发生电路功能是产生固定频率的驱动信号；所述信号选择开关的功能是实现所述脉冲信号发生电路与外部驱动信号源之间的切换；所述脉冲整形放大电路的功能是将所述脉冲信号发生电路产生的驱动信号或外部驱动信号源输出的驱动信号整形为脉宽在50～200ns之间可调的脉冲信号并送入场效应管的栅极；储能滤波电路含有无极性储能电容和高频滤波电容且两者并联，储能滤波电路在所述场效应管关闭时，由所述可调DC-DC变换器的输出电压充电，在所述场效应管导通时，向所述激光器驱动电路放电；测试时，被检脉冲半导体激光器接在所述分流电阻和场效应管的漏极之间。

根据本发明，所述的激光器驱动电路还包括毛刺尖峰抑制电路，该电路含有电感、二极管和RC高频滤波电路，电感和二极管均并联在场效应管的栅极和源极之间且二极管的正极与源极相连，RC高频滤波电路则接在场效应管的漏极和源极之间。

根据本发明，还包括含有安装架、正极铜块、负极铜块的激光器安装组件，所述的安装支架由导电材料制作且其上设有激光器安装孔，所述负极铜块设有插针孔，正极铜块和负极铜块均固连在所述驱动模块的同一个侧面，且正极铜块通过一引线与所述分流电阻相连，负极铜块通过另一引线与所述场效应管的漏极相连；测试时，被检脉冲半导体激光器放置在所述安装支架的安装孔中，激光器的正极与安装孔接触，而负极针则插到负极铜块的插针孔中，所述安装支架和正极铜块通过螺钉固连。

本发明的有益效果体现在以下几个方面。

(一)本发明的供电部分由电池、大范围可调DC-DC变换器和储能滤波电路构成，其电流输出不受外界电源条件约束；此外，激光器驱动电路中采用了场效应管，与传统的晶体管相比更容易实现窄脉冲大电流驱动。因此本发明能够提供30A～100A的驱动电流，可对峰值功率在100～300W的脉冲半导体激光器进行驱动。与直接采用线性电源的现有技术相比，本发明具有体积小、无须外接电源、驱动电流可调的优点。

(二)本发明在激光器驱动电路中还增加了由电感、二极管和RC高频滤波电路构成的毛刺尖峰抑制电路，不仅可以有效地抑制场效应管在脉冲信号驱动时产生的电流尖峰(毛刺)，同时还能有效滤除电路中寄生电感产生的电流尖峰和毛刺。

(三)本发明通过采用可导电的激光器安装组件，使被检激光器与本发明之间只需简单的机械连接而无需焊接就可实现两者之间的电连接。由此很好地解决了因焊接可能对被检激光器造成的损坏，同时也方便了被检激光器的安装与更换。

(四)本发明通过信号选择开关可以将驱动模块内部的固定频率信号发生器切换为外部驱动信号源，用外部驱动信号源输出的变频信号对特定用途的被检脉冲激光器实施电流驱动，从而扩大了本发明的使用范围。

附图说明

图1是本发明大功率脉冲半导体激光器电源驱动装置的组成框图。

图2是图1中所示的驱动模块的电路示意图。

图3是本发明中驱动模块与激光器安装台的连接关系示意图。

具体实施方式

下面结合附图及优选实施例对本发明作进一步的详述。

正如图1所示，本发明电源驱动装置的优选实施例由驱动模块和激光器安装组件构成。驱动模块上焊接有电池组U1、可调DC-DC变换器U2、脉冲信号发生电路、信号选择开关、脉冲整形放大电路U5、激光器驱动电路U6、储能滤波电路U7。

根据图2所示，电池组U1、可调DC-DC变换器U2和储能滤波电路U7构成了本实施例的供电部分，其功能是为被检激光器LD提供脉冲驱动电流。电池组U1采用四节并联的12V干电池，其功能是为可调DC-DC变换器U2和方波信号发生器U3供电。可调DC-DC变换器U2为大范围升压DC变换器，它可将电池组U1提供的12V直流电压输入转换成在25～100V范围内的稳定直流电压输出，可调DC-DC变换器U2的输出将根据被检激光器LD的驱动电流参数来调整。储能滤波电路U7含有并联的无极性大容值储能电容C3和高频滤波电容C2，其功能是为被检激光器LD提供瞬间工作的大驱动电流，其范围在30A～100A。储能电容C3采用容值为100000μF的无极性钽电容，当本发明工作在最大驱动电流100A、放电周期200ns时，被检激光器上的压降可以控制在0.5V左右，即电流的浮动为1A左右，精度为1％，满足了被检激光器的恒流要求。高频滤波电容C2的作用是滤除电池组U1和可调DC-DC变换器U2电路中所产生的高频交流信号，高频滤波电容C2采用容值为10000pF的铝电解电容。由于本发明的供电部分采用了可调DC-DC变换器和储能电容，所以电流输出不受外界电源条件约束，并且可输出30～100A左右的脉冲驱动电流。脉冲信号发生电路U3的功能是为激光器驱动电路U6提供相应的驱动信号，一般为固定频率信号发生电路。在本优选实施例中，脉冲信号发生电路U3选用方波信号发生器，该方波信号发生器U3为常用电路，它由555计数器和固定阻值电阻制作而成，能够产生频率为2KHz的方波信号。当信号选择开关K1与固定频率信号发生器U3接通时，可对重复频率在2KHz以内的被检半导体激光器LD提供测试用的驱动信号。但是，对于一些特殊用途的被检半导体激光器LD而言，固定频率信号发生器U3提供的脉冲信号是无法满足被检激光器LD的性能检测要求，需要特殊的驱动信号。例如，对用于激光通信中的脉冲半导体激光器LD进行检测时，要求驱动信号为变频脉冲编码信号，此时，脉冲信号发生电路U3就由外部的信号发生源U4替代，并通过信号选择开关K1实现脉冲信号发生电路U3与外部驱动信号源U4之间的切换。脉冲整形放大电路U5的功能是将脉冲信号发生电路输出的方波信号或者是由外部驱动信号源输入的驱动信号变换为50ns～200ns ns级窄脉冲15V电压信号去驱动场效应管Q1，该脉冲整形电路U5也为常用电路，是由四二输入与非门4011和可变电阻器所制作而成。激光器驱动电路U6含有场效应管Q1、分流电阻R1和毛刺尖峰抑制电路。分流电阻R1选用功率为0.5瓦、阻值为0.2欧姆的高精度大功率陶瓷电阻，在该电阻R1的两端接示波器可对提供给被检激光器LD的驱动电流进行实时监视。场效应管Q1的型号为AFR540，其栅极与脉冲整形放大电路U5的输出端连接，漏极依次通过被检激光器LD和分流电阻R1与储能滤波电路U7的正极连接，源极(接地极)与储能滤波电路U7的负极连接并接地。当脉冲整形放大电路U5输出的脉冲信号为低电平时，场效应管Q1关闭，可调DC-DC变换器U2输出的直流电压对储能电容C3进行充电并使储能电容C3两端的电压与可调DC-DC变换器U2的输出电压相等；当脉冲整形放大电路U5输出的脉冲信号为高电平时，场效应管Q1导通，储能电容C3迅速放电驱动被检激光器LD直到场效应管Q1关闭。场效应管Q1与传统的晶体管相比，更容易实现窄脉冲大驱动电流。毛刺尖峰抑制电路含有电感L、二极管D和由电阻R2和电容C1构成的高频滤波电路，电感L和二极管D均并联在场效应管Q1的栅极和源极之间，高频滤波电路则接在场效应管Q1的漏极和源极之间。当脉冲整形放大电路U5输出的脉冲信号的高电平要加到场效应管Q1栅极时，由于电感L可以有效抑制突变电流和二极管D反向截止的特性，使得15V电压可不损耗地加到场效应管Q1的栅极，而且脉冲前沿为2ns左右，使场效应管Q1迅速导通；当脉冲信号由高电平转变为低电平的时候，由于电感L抑制突变电流和二极管D正向导通的功能，使得场效应管Q1的栅极电压不会突然降为零，有效的抑制了电流毛刺和反向击穿电压的产生；此外，即使电路中产生了毛刺和尖峰电流，那么接在场效应管Q1漏极和源极之间的高频滤波电路也能以放电方式将其滤除，由此避免对被检激光器LD造成伤害。

根据图3所示，激光器安装组件含有安装架B3、正极铜块B7、负极铜块B8、绝缘块B6、紧固螺钉B2和沉头螺钉B5。安装架B3的材料为铝板，且其上设有激光器安装螺孔和连接孔，激光器安装螺孔的大小是根据被检激光器LD的外形尺寸而定的。正极铜块B7设有螺纹孔。负极铜块B8设有插针孔和锁定螺孔，正极铜块B7和负极铜块B8均焊接在驱动模块B1的同一个侧面，且正极铜块B7、负极铜块B8分别通过引线与激光驱动电路中的分流电阻R1、场效应管Q1的漏极相连。测试时，被检激光器LD与安装架B3的安装螺孔配合，激光器LD的正极与安装螺孔接触，而激光器LD的负极针则插到负极铜块B8的插针孔中并通过由锁定螺孔伸进的紧固螺钉锁定；沉头螺钉则拧入安装架B3的连接孔和正极铜块B6的螺纹孔；安装架B3的底部通过绝缘块B6放在测试装置的底座上。这样，被检激光器LD与本发明的驱动装置之间就不存在焊接，不仅可防止因焊接给被检激光器LD带来的静电影响，而且被检激光器LD的安装与拆换非常方便。

Claims

1.一种脉冲半导体激光器测试设备用电源驱动装置，包括激光器驱动电路[U6]、脉冲信号发生电路[U3]、脉冲整形放大电路[U5]，其特征在于：还包括电池组[U1]、可调DC-DC变换器[U2]、信号选择开关[K]、储能滤波电路[U7]，所述电池组[U1]、可调DC-DC变换器[U2]、脉冲信号发生电路[U3]、信号选择开关[K]、脉冲整形放大电路[U5]和激光器驱动电路[U6]焊接在同一驱动模块上；所述电池组[U1]提供的直流电压经过所述可调DC-DC变换器[U2]变换成测试所需的稳定直流电压；所述激光器驱动电路[U6]含有场效应管[Q1]和分流电阻[R1]，其功能是为被检脉冲半导体激光器[LD]提供脉冲式驱动电流；所述脉冲信号发生电路[U3]的功能是产生固定频率的驱动信号；所述信号选择开关[K]的功能是实现所述脉冲信号发生电路与外部驱动信号源之间的切换；所述脉冲整形放大电路[U5]的功能是将所述脉冲信号发生电路[U3]产生的驱动信号或外部驱动信号源[U4]输入的驱动信号整形为脉宽在50～200ns之间可调的脉冲信号并送入场效应管[Q1]的栅极；储能滤波电路[U7]含有无极性储能电容[C3]和高频滤波电容[C2]且两者并联，储能滤波电路[U7]在所述场效应管[Q1]关闭时，由所述可调DC-DC变换器[U2]的输出电压充电，在所述场效应管[Q1]导通时，向所述激光器驱动电路[U6]放电；测试时，被检脉冲半导体激光器[LD]接在所述分流电阻[R1]和场效应管[Q1]的漏极之间。

2.根据权利要求1和所述的脉冲半导体激光器测试设备用电源驱动装置，其特征在于：所述的激光器驱动电路[U6]还包括毛刺尖峰抑制电路，该电路含有电感[L]、二极管[D]和RC高频滤波电路，电感[L]和二极管[D]均并联在场效应管[Q1]的栅极和源极之间且二极管[D]的正极与源极相连，RC高频滤波电路则接在场效应管[Q1]的漏极和源极之间。

3.根据权利要求1或2所述的脉冲半导体激光器测试设备用电源驱动装置，其特征在于：还包括含有安装架[B3]、正极铜块[B7]、负极铜块[B8]的激光器安装组件，所述的安装架[B3]由导电材料制作且其上设有激光器安装孔，所述负极铜块[B8]设有插针孔，正极铜块[B7]和负极铜块[B8]均固连在所述驱动模块[B1]的同一个侧面，且正极铜块[B7]通过一引线与所述分流电阻[R1]相连，负极铜块[B8]通过另一引线与所述场效应管[Q1]的漏极相连；测试时，被检脉冲半导体激光器[LD]放置在所述安装支架[B3]的安装孔中，激光器[LD]的正极与安装孔接触，而负极针则插到负极铜块[B8]的插针孔中，所述安装支架[B3]和正极铜块[B7]通过螺钉[B5]固连。