CN103094833A - 基于雪崩晶体管的半导体激光器脉冲驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明属于半导体激光器技术领域，具体为一种基于雪崩晶体管的脉冲半导体激光器驱动电路。其组成包括：外置的高压可调直流电源，由激光二极管、储能电容器、雪崩晶体管组成的充放电回路，可编程延时器，雪崩晶体管驱动电路；充放电回路中，雪崩晶体管的发射极通过取样电阻接地，集电极连接储能电容器，储能电容器另一端连接激光二极管负极，激光二极管正极接地；本发明采用电容经过雪崩管快速对激光二极管放电的方式产生快的驱动电流得到快的光脉冲，脉冲电流上升沿小于5ns，脉宽20ns至1us，峰值10A至100A连续可调。在电路中包含精密延时器件，适用于需要精确同步的多路触发装置中。

Description

基于雪崩晶体管的半导体激光器脉冲驱动电路

技术领域

本发明属于半导体激光器技术领域，具体涉及一种基于雪崩晶体管的半导体激光器脉冲驱动电路，该电路可用于驱动半导体激光器（激光二极管）为光导开关触发提供能量。

背景技术

近年来，在脉冲功率领域的多路开关的同步触发技术已成为脉冲功率技术发展的一个重要方向。2003年美国圣地亚实验室公开了一种新的多路触发技术，一个重要的方向即为基于光导半导体开关（PCSS）的多路同步触发技术。在光导半导体开关（PCSS）的多路触发装置中，既要保证各路触发光脉冲有很好的同步性，又要为光导半导体开关提供合适的触发能量。目前一般使用大功率激光器配合光纤传输建立激光触发系统，该系统可以实现光能量的同步传输，但需要一整套的外围设备来配合工作，成本高昂，回路优化配合困难，不方便进行参数调整。激光二极管体积小，成本低，输出能量和激光波形容易调制，其作为光导半导体开关（PCSS）的驱动源有着广泛的应用前景。

半导体激光器安装工作方式分为连续和脉冲两种，连续工作是指其工作电流为恒定直流；脉冲工作是指其工作在脉冲电流下，脉冲电流峰值可达数百安培，脉宽可低至几十纳秒，重复频率从单次（1赫兹）到几千赫兹可调，在脉冲工作模式下，半导体激光器可以输出很大的瞬时功率，但平均功率并不高，很适合于代替激光器来驱动光导半导体开关。

半导体激光器驱动电源核心为高性能的储能电容器和快速响应的高稳定脉冲电流开关器件。为了获得快速的电流上升沿和稳定触发延时，一般采用射频功率场效应晶体管或双极型晶体管作为电流开关。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够获得快速的电流上升沿和稳定触发延时的半导体激光器脉冲驱动电路。

本发明提供的半导体激光器脉冲驱动电路，使用雪崩晶体管作为电流开关的脉冲激光驱动电源，利用晶体管内部载流子发生雪崩击穿时电流急剧上升的特点，使得半导体激光器在纳秒的时间内获得几十至上百安培的电流。半导体激光器发射的光脉冲是由驱动电源产生的电脉冲直接调制得到的，可以在半导体激光器上得到上升沿小于5ns，脉宽100ns至1us，电流峰值10A至100A连续可调的驱动电流。

 本发明提供的基于雪崩晶体管的半导体激光器驱动电路，其组成包括：外置的高压可调直流电源1，由激光二极管5、储能电容器4、雪崩晶体管3组成的充放电回路2，可编程延时器7，雪崩晶体管驱动电路8；充放电回路2中，雪崩晶体管3的发射极通过取样电阻接地，集电极连接储能电容器4，储能电容器4另一端连接激光二极管5负极，激光二极管5正极接地；高压可调直流电源1与充放电回路2连接；可编程延时器7与雪崩晶体管驱动电路8连接，雪崩晶体管驱动电路8与充放电回路2中的雪崩晶体管3连接；其中：可编程延时器7通过驱动板上脉冲输入端子6输入触发脉冲，可编程延时器7用来补偿系统的延时以确保各路光信号同步输出，具体而言，可编程延时器7通过内部产生精密锯齿波，实现25ns到6.25us的精确延时，雪崩晶体管驱动电路8为雪崩晶体管3提供发生雪崩所需的冲击电流，所述激光二极管5采用储能电容器4经雪崩晶体管3直接放电驱动。

本发明中，充放电回路2中，雪崩晶体管3的发射极的接地端连接电流测量端子9，电流测量端子9与示波器连接，用于电流波形观测。

本发明中，通过调整高压可调直流电源1的电压可以改变激光二极管5的输出能量；

本发明中，电流测量端子9输出阻抗为50欧姆，由SMA端子连接同轴电缆引出至示波器做电流波形观测。

本发明所用的技术方案具有以下优点：

（1）本发明可以驱动工作电流10-100A的激光二极管；

（2）本发明可以在激光二极管上获得上升时间不大于5ns，幅度达到80A的脉冲电流；

（3）本发明采用精密延时装置来保证多路工作时的同步性；

（4）本发明整体结构紧凑，整个电路可以被安置在印刷电路板上。

附图说明

图1是本发明的电路结构图。

图2是本发明的电路布局图。

图3是激光二极管上得到的电流波形示意图。

图中标号：1、高压可调直流电源，2、充放电回路，3、雪崩晶体管，4、储能电容器，5、激光二极管，6、触发信号输入端子，7、可编程精密延时器，8、雪崩晶体管驱动电路，9、电流测量端子。

具体实施方式

下面结合图例和具体实施方式对本发明做进一步说明。

图1是基于雪崩晶体管电流开关的脉冲激光驱动电源模块电路结构框图，其利用了晶体管内部载流子发生雪崩击穿时电流急剧上升的特点，可以在激光二极管上得到快速的电流上升沿。直流源通过二极管D对储能电容4充电，为雪崩晶体管3提供电压偏置，使其处于临界状态，当触发信号到来时，3内部载流子发生雪崩，电容4经过雪崩管3快速通过激光二极管5放电。激光二极管发射的光脉冲是由驱动电源产生的电脉冲直接调制得到的，电流上升沿小于5ns，脉宽20ns至1us，通过调节直流电源的输出电压可使激光二极管电流峰值10A至100A连续可调。为了保证多路光导开关的同步触发，这里加入可编程延时器7，用来补偿多个驱动模块上触发信号和雪崩建立时间的微小差别。

参阅图2，电路板最上方从左至右分别为触发信号输入端子、电源输入端子、电流检测端子，电路板最下方凸出部分连接激光二极管。电路板上的标号：U3为可编程延时器，U2、T1等构成雪崩管驱动电路，T2为雪崩晶体管。在电路布局中，将储能电容器和雪崩晶体管分别放置于电路板同一位置的上下两面，尽可能减少大电流回路。

参阅图3，其展示了输出电流的典型波形，上升时间5ns，脉宽30ns，电流峰值78A

除此之外，在实际使用时，激光二极管安装在驱动电路板下方，激光二极管发光面向下照射光导开关表面，整个装置通过支架固定在光学平移台上，便于调整激光二极管和光导开关的相对位置。

上述实施例仅是本发明的一个优选方案，并非用以限定本发明的实质技术内容范围，本发明的实质技术内容是广义地定义于申请的权利要求范围中，任何他人完成的技术实体或方法，若是与申请的权利要求范围所定义的完全相同，也或是一种等效的变更，均将被视为涵盖于该权利要求范围之中。

Claims (3)

1. 一种基于雪崩晶体管的半导体激光器脉冲驱动电路，其特征在于组成包括：外置的高压可调直流电源（1），由激光二极管（5）、储能电容器（4）、雪崩晶体管（3）组成的充放电回路（2），可编程延时器（7），雪崩晶体管驱动电路（8）；所述充放电回路（2）中，雪崩晶体管（3）的发射极通过取样电阻接地，集电极连接储能电容器（4），储能电容器（4）另一端连接激光二极管（5）负极，激光二极管（5）正极接地；高压可调直流电源（1）与充放电回路（2）连接；可编程延时器（7）与雪崩晶体管驱动电路（8）连接，雪崩晶体管驱动电路（8）与充放电回路（2）中的雪崩晶体管（3）连接；其中：可编程延时器（7）通过驱动板上脉冲输入端子（6）输入触发脉冲，可编程延时器（7）通过内部产生精密锯齿波，实现25ns到6.25us的精确延时，雪崩晶体管驱动电路（8）为雪崩晶体管（3）提供发生雪崩所需的冲击电流，所述激光二极管（5）采用储能电容器（4）经雪崩晶体管（3）直接实现放电驱动。

2. 根据权利要求书1所述的基于雪崩晶体管的半导体激光器脉冲驱动电路，其特征在于充放电回路（2）中，雪崩晶体管（3）的发射极的接地端连接电流测量端子（9），电流测量端子（9）与示波器连接，用于电流波形观测。

3. 根据权利要求书2所述的基于雪崩晶体管的半导体激光器脉冲驱动电路，其特征在于电流测量端子（9）输出阻抗为50欧姆，由SMA端子连接同轴电缆引出至示波器做电流波形观测。

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