CN102610998B - 一种脉冲激光器驱动装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种脉冲激光器驱动装置，包括驱动供电模块和激光器模块，所述驱动供电模块包括供电电源单元和脉冲产生单元；所述供电电源单元用于为所述激光器模块和脉冲产生单元供电；所述脉冲产生单元用于产生所需脉冲参数的电脉冲；所述激光器模块包括脉冲电平转换单元、脉冲电流开关和脉冲激光器；所述脉冲电平转换单元用于将所述脉冲产生单元产生的电脉冲升高至所需电平以满足所述脉冲电流开关的驱动要求；所述脉冲电流开关用于驱动所述脉冲激光器；所述供电电源单元通过供电导线分别与所述脉冲电平转换单元和脉冲激光器相连；所述脉冲产生单元通过同轴电缆与脉冲电平转换单元相连。本发明能够延长短脉冲激光器驱动距离和改善驱动质量。

Description

一种脉冲激光器驱动装置

技术领域

本发明涉及光电子、微电子及半导体激光技术领域中的激光器驱动技术，特别是涉及一种脉冲激光器驱动装置。

背景技术

脉冲工作的半导体激光器已在众多领域得到了广泛应用。在许多应用领域，激光脉冲需要短至数十纳秒至数纳秒量级，甚至更低，如激光雷达、激光测距、激光气体检测、物理学研究中的激光激发和探测等等。此类应用有别于传统的在高速连续调制状态下的通讯类激光器应用。在短脉冲工作条件下，一般需要对激光器提供较大的脉冲驱动电流，瞬态功耗很大，，但由于占空比一般较小，因此平均功耗一般并不大。对于一些特殊类型的半导体激光器，如量子级联激光器，由于其驱动电压也较高，平均功耗会相应增加，但仍保持在较低水平。

对于此类短脉冲状态工作的半导体激光器，目前已发展出了有别于传统通讯类激光器的相应驱动装置，如图1所示，其主要构成是：驱动装置和短脉冲激光器3分别构成相应的模块，其间经由特殊的驱动电缆连接。此种方法的要点在于：和常规的通讯激光器采用电脉冲直接驱动或调制不同，短脉冲激光器是采用电流开关对连接于激光器上的直流电源进行开关控制，而此电流开关则由脉冲电信号驱动。短脉冲激光器3的驱动电流大小由直流电源控制，而其脉冲参数则由电流开关控制。采用此种驱动方式，短脉冲激光器的驱动模块中就包含了供电电源单元11、脉冲产生单元12、脉冲电平转换单元21、脉冲电流开关22以及对应的滤波储能电容5和6等，有时还会加入脉冲电流波形监控接口等，激光器模块中则只包含短脉冲激光器本身(其他控温和功率监控等装置不在本发明讨论之列)。激光器模块和驱动模块间采用特殊的电缆4连接。在此种驱动方式下，由于激光器本身的阻抗较低，对双极型激光器一般仅数欧姆甚至更低，对单极型激光器一般也在十欧姆以下，并且其阻抗数值是不固定的，这就给驱动带来了很大困难，普通的50欧姆同轴电缆在此情况下是无法直接使用的，采用增加匹配电阻等方式则会严重影响驱动效率。对双极型激光器，可以采用特殊定制的甚低阻抗带状线(阻抗一般在一欧姆以下)作为连接电缆，对于大电流短脉冲的驱动要求，此种带状线对驱动质量会带来较大影响，常会引起脉冲波形变差(上升和下降时间延长、脉冲展宽、前沿后沿过冲振铃等等)，特别是在脉冲甚短的情况下。带状线的长度也受到严格限制，一般需在30-50cm以内，太长则波形明显劣化。对于实际应用，这种带状线由于不能随意弯折很不方便，连接器等也不易相配，特别是在许多实际应用中需要体积较大的驱动模块和激光器本身拉开一段距离，如激光器需安装在光路中，而驱动模块需安装在较远的电控柜中，这就给系统安排带来极大困难。对单极型激光器，由于其阻抗一般要高于双极型激光器，由于阻抗严重失配在很多情况下采用带状线驱动波形常劣化到无法应用，因此需要根据具体器件定制特殊阻抗的驱动电缆。由于器件的阻抗有可能在很大范围内变化，因此此种电缆通用性较差，针对不同器件的互换性差，且成本也高，使用不便，其长度也需限制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够延长短脉冲激光器驱动距离和改善驱动质量的脉冲激光器驱动装置。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种脉冲激光器驱动装置，包括驱动供电模块和激光器模块，所述驱动供电模块包括供电电源单元和脉冲产生单元；所述供电电源单元用于为所述激光器模块和脉冲产生单元供电；所述脉冲产生单元用于产生所需脉冲参数的电脉冲；所述激光器模块包括脉冲电平转换单元、脉冲电流开关和脉冲激光器；所述脉冲电平转换单元用于将所述脉冲产生单元产生的电脉冲升高至所需电平以满足所述脉冲电流开关的驱动要求；所述脉冲电流开关用于驱动所述脉冲激光器；所述供电电源单元通过供电导线分别与所述脉冲电平转换单元和脉冲激光器相连；所述脉冲产生单元通过同轴电缆与脉冲电平转换单元相连。

所述激光器模块中还配置有第一电容；所述第一电容连接在所述供电电源单元与脉冲电平转换单元相连的供电导线上，用于为所述脉冲电平转换单元滤波和储能。

所述激光器模块中还配置有第二电容；所述第二电容连接在所述供电电源单元与脉冲激光器相连的供电导线上，用于为所述脉冲激光器储能。

所述脉冲电平转换单元，脉冲电流开关、第一电容和第二电容采用表面贴装方式装配在驱动印刷电路板上。

所述同轴电缆与供电导线组成复合电缆。

所述同轴电缆的特性阻抗为50欧姆。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

本发明中的驱动模块和激光模块间可以采用由普通的50欧姆同轴电缆和常规导线构成的连接电缆相连，连接电缆长度可以增加至10m以上，脉冲驱动质量可以显著改善且不受连接电缆长度变化的影响。本发明可以显著改善对短脉冲激光器的脉冲驱动质量，降低对连接驱动模块和激光模块间的电缆的特殊要求，并使其长度可以显著增加，最大限度地降低此方面应用的难度要求，促进技术的进步。

本发明既适用于双极型激光二极管(LD)，也适用量子级联激光器(QCL)，还可应用于需要短脉冲电流工作的发光二极管(LED)。推而广之，对二极管激光器泵浦的脉冲固体激光器(DPSSL)及光纤激光器(DPFL)等也有良好的应用效果。除发光器件外，此种方法也适用于需要有短脉冲电流驱动的半导体电子器件和电真空器件等。装置的驱动电压、驱动电流和脉冲参数等不受驱动方式的限制，可以根据具体器件选择合适的数值和范围，采用相同的原理和构造还可以拓展到阵列驱动型式，具有很好的普适性和通用性，可以用相当灵活的方式实现。

附图说明

图1是现有技术中脉冲激光器驱动装置结构示意图；

图2是本发明的结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

如图2所示，本发明包括驱动供电模块1和激光器模块2，间经由包括普通50欧姆同轴电缆及普通导线构成的复合电缆4连接。

驱动供电模块1仅由供电电源单元11和脉冲产生单元12构成。供电电源单元11包括系统所需的三组不同电压：其一是为激光器供电的可调直流电压，其输出电压在零至上百伏间可调；此路电源可根据激光器的种类、驱动要求和驱动脉冲参数有不同的电压电流设定。其二是为脉冲电平转换单元供电的12V固定电压(可在9-15V间选定)，只需较小电流；此路选取12V电压是为了满足有高速增强型MOSFET构成的电流开关驱动的需要，增强型MOSFET要在较高的驱动电压下才能充分导通并保证高速度。此两路电压需要连接至激光器模块中，由于工作在短脉冲低占空比状态，平均电流较低，对连接导线并无特殊要求。其三是为脉冲产生单元供电的5V固定电压(可在5-15V间选定)，也只需较小电流。脉冲产生单元12包含在驱动供电模块中。此脉冲产生单元可由常规小规模TTL集成电路构成，也可采用其他类型的集成电路或分立元件构成，其作用是产生所需脉冲参数的电脉冲。当采用常规5V供电电压的小规模TTL集成电路时，输出脉冲即为TTL电平(约3V)，最短脉冲宽度可达约20ns，脉冲宽度和重复频率均可根据要求设成固定值、分档调节或连续可调。

激光器模块2包括脉冲电平转换单元21，脉冲电流开关22，对应的滤波和储能电容5和6及脉冲激光器3，脉冲电平转换单元21的作用是将脉冲产生单元产生的脉冲信号(如TTL脉冲)升高至所需电平(如10V)，并有一定的电容负载驱动能力，以满足电流开关的驱动要求。此脉冲电平转换单元由双极型分立元件构成已保证足够的电容负载驱动能力。如果前述的脉冲产生单元的输出电平较高，或TTL电平可以直接驱动电流开关(已有低驱动电压的增强型MOSFET产品出现)，则此脉冲电平转换单元也可不进行转换。脉冲电流开关22用增强型高速MOSFET构成，要求其有较小的导通电阻、足够的电流容量(满足脉冲电流要求且有足够裕度)和耐压(满足驱动电压要求且有一定裕度)以及足够快的上升和下降时间，具体需要根据所驱动激光器选定。由于激光器工作在短脉冲较低占空比状态，选用的MOSFET又有很低的导通电阻，平均功耗较低，因此对其功耗和散热并无苛刻要求。此模块中配有与两路电源对应的滤波和储能电容，电容5为脉冲电平转换单元的滤波和储能电容，由于此单元所需瞬态电流较小，但脉冲速度很高，因此小容量的高频电容即可满足要求。电容6是直接为短脉冲激光器3供电的储能电容，由于短脉冲激光器所需瞬态电流甚大，脉冲速度很高，因此需采用容量足够，且高频特性优良的电容器，需根据具体脉冲参数仔细选取。脉冲电平转换单元、脉冲电流开关及对应的滤波储能电容可以采用表面贴装方式装配在甚小尺寸的驱动印刷电路板上，滤波储能电容可以用多个至数十个较小容量的高频表面贴装电容并联，采取分布式的方法安装在驱动印刷电路板上以保证优良的高频性能和维持足够小的印刷板尺寸。由于此驱动印刷电路板尺寸甚小，可以将其与短脉冲激光器芯片或封装器件一起安装在激光器模块内部的合适位置，驱动印刷电路板和短脉冲激光器芯片或封装器件之间采用最短的导线直接连接，以达到最佳高频脉冲性能。

驱动供电模块中产生的高质量脉冲电信号是采用普通特性阻抗50欧姆的同轴电缆传输至激光器模块的，其输入端是脉冲产生单元，输出端是脉冲电平转换单元。这两个单元本身的输出或输入阻抗均可设计成50欧姆或与50欧姆相当接近，也可以从外部很方便地精确匹配至标准的50欧姆阻抗，因此作为传输线的50欧姆同轴电缆可以保证极高的传输质量，并且在相当长的长度(如数十米)下仍维持较高的传输质量。因此采用此发明的方法就从根本上解决了前述困难。在此发明的装置中仅需一根50欧姆同轴电缆和两根细导线即可构成所需的复合电缆(电源导线可由同轴电缆外导体构成回路)，50欧姆同轴电缆有众多规格供选择，可采用细软规格的，这样构成的复合电缆可随意弯折且长度不受限制，给实际应用带来很大方便。实际上此种复合电缆有现成的类似产品(包含更多导线)可资直接利用，也有配套的连接器可供选用。此发明的方法及其装置中短脉冲激光器与电流开关的连接已达最佳状态，高质量脉冲的较长距离传输问题也已解决，因此相对于传统连接方式其驱动质量可得到显著改善。

Claims (6)

1.一种脉冲激光器驱动装置，包括驱动供电模块(1)和激光器模块(2)，其特征在于，所述驱动供电模块(1)包括供电电源单元(11)和脉冲产生单元(12)；所述供电电源单元(11)用于为所述激光器模块(2)和脉冲产生单元(12)供电；所述脉冲产生单元(12)用于产生所需脉冲参数的电脉冲；所述激光器模块(2)包括脉冲电平转换单元(21)、脉冲电流开关(22)和脉冲激光器(3)；所述脉冲电平转换单元(21)用于将所述脉冲产生单元(12)产生的电脉冲升高至所需电平以满足所述脉冲电流开关(22)的驱动要求；所述脉冲电流开关(22)用于驱动所述脉冲激光器(3)；所述供电电源单元(11)通过供电导线分别与所述脉冲电平转换单元(21)和脉冲激光器(3)相连；所述脉冲产生单元(12)通过同轴电缆与脉冲电平转换单元(21)相连。

2.根据权利要求1所述的脉冲激光器驱动装置，其特征在于，所述激光器模块(2)中还配置有第一电容(5)；所述第一电容(5)连接在所述供电电源单元(11)与脉冲电平转换单元(21)相连的供电导线上，用于为所述脉冲电平转换单元(21)滤波和储能。

3.根据权利要求2所述的脉冲激光器驱动装置，其特征在于，所述激光器模块(2)中还配置有第二电容(6)；所述第二电容(6)连接在所述供电电源单元(11)与脉冲激光器(3)相连的供电导线上，用于为所述脉冲激光器(3)储能。

4.根据权利要求3所述的脉冲激光器驱动装置，其特征在于，所述脉冲电平转换单元(21)，脉冲电流开关(22)、第一电容(5)和第二电容(6)采用表面贴装方式装配在驱动印刷电路板上。

5.根据权利要求1-4中任一权利要求所述的脉冲激光器驱动装置，其特征在于，所述同轴电缆与供电导线组成复合电缆(4)。

6.根据权利要求5所述的脉冲激光器驱动装置，其特征在于，所述同轴电缆的特性阻抗为50欧姆。

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