CN105449514A - 基于rc电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程 - Google Patents

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Abstract

基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程，该电路包括两个高压电源、四路脉冲信号、四个受脉冲信号控制的高速模拟开关、两个钳位二极管、两个储能元件、两个去耦电容、两个充电限流电阻、一个放电限流电阻以及一个激光二极管；设控制信号频率均为f，但左右两路的信号相位差为π；在控制信号作用下，两个储能元件交替放电，放电间隔T/2，使激光二极管发射频率为2f的激光脉冲；本发明的创新之处在于：一是在脉冲功率不变的前提下，频率实现了加倍提高；二是采用多个开关，避免了两个充放电电路间的互相影响；三是与传统方案相比，所需元件性能指标基本不变，易于实现。

Description

基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程
技术领域
本发明属于激光发射技术领域，具体涉及一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程。
背景技术
半导体激光器(SemiconductorLaser),也称作激光二极管(LaserDiode)，简称LD，是利用半导体中的电子跃迁，引起光子受激发射，而产生的光振荡和光放大等器件的总称。
半导体激光器与其它类型的激光器相比，具有以下优点：转换的效率高；频率范围广；调制方便；驱动电源电压比较低。
半导体激光器在很多领域都得到广泛应用。半导体激光器广泛应用在激光通讯、激光制导跟踪、激光雷达、激光测距、激光武器模拟、激光瞄准与告警、激光探潜、激光制自武器等军事领域；在工业生产过程中,大功率半导体激光器可用于激光打孔、切割、焊接、钎焊、划片、打标、激光材料表面硬化处理、激光烧结、热压成型等方面；此外,半导体激光器在矿业、建筑业、基础学科研究、宇航等方面也有广泛的应用。半导体激光器的功率与电流和温度有关。如果要提高半导体激光器的性能，主要有两个途径:一是采用新的半导体技术，二是提高半导体激光电源的性能指标。
半导体激光电源是半导体激光器的重要组成部分,它随着激光器的发展而不断发展。固体激光器最初采用直流电源经过限流电阻给储能电容器充电,即RC充电方式。其缺点是只适用于低频率及电源充电效率不高的场合。随着新型激光装置的不断发展,对激光器提出了高效率、高重复频率、低成本和高可靠性的要求。LC恒流充电电路能够满足在低频大能量工作条件下的激光装置,其特点是以恒定电流给储能电容器充电,既提高了充电效率又提高了电源稳定性。为了满足高重复频率的激光装置,研制出了直流LC谐振充电电路。它有效地解决了激光电源在高频下工作的充电效率问题,缺点是体积和重量不能明显地减少。为了进一步减小体积和重量并提高充电效率,人们又把开关电源技术引入激光器电源中。随着电子技术的发展,电子开关的电路从快速晶体管，到自行关断的功率场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管电路,激光电源的性能也不断提高，适应领域也不断扩大。
发明内容
针对原有激光脉冲电路频率和功率难以同时提升，脉宽不易进一步降低的问题，本发明的目的在于提供一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程，本发明在传统RC充放电电路的基础上，采用多重信号下两个储能电路联合供电的方案，并采用了高速模拟开关，例如高速开关mos管等，在保证原有方案功率不变的前提下，既能实现频率加倍，又能降低脉宽和上升时间，从而提高了激光脉冲发射电路的性能。
为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：
一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路,包括第一高压电源1和第二高压电源2，两者电压相等；第一高压电源1负极接地，正极分别与第一去耦电容3正极板和第一限流电阻7一端相连；第一去耦电容3负极板接地，第一限流电阻7另一端分别与第一储能元件5一端和第一模拟开关11一端相连；第一模拟开关11另一端接地，开关状态受第一脉冲信号13的控制；第一储能元件5另一端分别与第一钳位二极管8的正极和第二模拟开关12的一端相连，第二模拟开关12的开关状态受第二脉冲信号14的控制；第二高压电源2负极接地，正极分别与第二去耦电容4正极板和第二限流电阻9一端相连；第二去耦电容4负极板接地，第二限流电阻9另一端分别与第二储能元件6一端和第三模拟开关15一端相连；第三模拟开关15另一端接地，开关状态受第三脉冲信号17的控制；第二储能元件6另一端分别与第二钳位二极管10的正极和第四模拟开关16的一端相连，第四模拟开关16的开关状态受第四脉冲信号18的控制；第二模拟开关12的另一端和第四模拟开关16的另一端分别与激光二极管20的负极和第三限流电阻19的一端依次相连，第三限流电阻19的另一端接地；
第一储能元件5的充电回路由第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8组成；第二储能元件6的充电回路由第二高压电源2、第二限流电阻9、第二储能元件6和第二钳位二极管10组成；第一储能元件5的放电回路由第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12组成；第二储能元件6的放电回路由第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20、第四模拟开关16组成。
所述第三限流电阻19的电阻值远小于第一限流电阻7和第二限流电阻9的电阻值。
上述一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，其工作过程如下：
步骤1：初始化系统，打开第一高压电源1和第二高压电源2，此时第一脉冲信号13、第二脉冲信号14、第三脉冲信号17和第四脉冲信号18尚未输入，第一模拟开关11、第二模拟开关12、第三模拟开关15和第四模拟开关16均处于断开状态，第一储能元件5和第二储能元件6完成充电过程；
步骤2：加载第一脉冲信号13和第二脉冲信号14,使第一模拟开关11和第二模拟开关12闭合，所在支路接通，依次经过第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12，第一储能元件5快速放电，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；因为此时第三脉冲信号17和第四脉冲信号18为低电平，第三模拟开关15和第四模拟开关16是断开状态，因此第一储能元件5放电不受第二储能元件6的影响；
步骤3：第一储能元件5完成第一次放电后，第一模拟开关11和第二模拟开关12随之断开，两个相邻的第一脉冲信号13时间间隔为T，在下一个第一脉冲信号13到达之前，第一储能元件5在时间T内完成充电，且不受第二储能元件6的影响，第一储能元件5和第二储能元件6充电过程也是独立的；
步骤4：第三脉冲信号17和第四脉冲信号18比第一脉冲信号13和第二脉冲信号14滞后T/2到达，此时，第三模拟开关15和第四模拟开关16闭合，所在支路接通，依次经过第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20和第四模拟开关16，第二储能元件6快速放电，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，第一脉冲信号13和第二脉冲信号14为低电平，第一模拟开关11和第二模拟开关12是断开状态，因此第二储能元件6放电也不受第一储能元件5的影响；
步骤5：由以上分析可知，第一储能元件5、第二储能元件6的充放电是独立的；不断重复步骤2、3和4的充放电过程，第一储能元件5、第二储能元件6交替循环完成充放电；对激光二极管而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，实现了脉冲周期减半，频率加倍。
本发明提出的一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路的设计方案，充分兼顾了功率、频率和脉宽等因素，对于已有电路所存在的问题进行了针对性的解决；其创新之处在于：一是克服了传统方案频率和功率不能兼顾的矛盾，引入两路充放电电路分别作用于激光二极管，在保证脉冲功率不变的情况下，激光脉冲的频率实现了加倍提高；二是采用了四路信号分别控制四个高速模拟开关，从原理上消除了两个充放电电路间的互相影响，使得两路电源能够按照既定方案，既互相协调，同时又独立工作；三是与传统方案相比，所需元件性能指标基本不变，易于实现，有很高的实用价值。
附图说明
图1是本发明电路原理图。
图2是本发明控制信号示意图。
图3是本发明电路工作流程图。
具体实施方式
现结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：
本发明在原有RC充放电电路的基础上，采用多重信号下两个储能电路联合供电的方案，在不降低功率的前提下，实现激光脉冲频率的加倍。
如图1所示，本发明一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，包括第一高压电源1和第二高压电源2，两者电压相等；第一高压电源1负极接地，正极分别与第一去耦电容3正极板和第一限流电阻7一端相连；第一去耦电容3负极板接地，第一限流电阻7另一端分别与第一储能元件5一端和第一模拟开关11一端相连；第一模拟开关11另一端接地，开关状态受第一脉冲信号13的控制；第一储能元件5另一端分别与第一钳位二极管8的正极和第二模拟开关12的一端相连，第二模拟开关12的开关状态受第二脉冲信号14的控制；第二高压电源2负极接地，正极分别与第二去耦电容4正极板和第二限流电阻9一端相连；第二去耦电容4负极板接地，第二限流电阻9另一端分别与第二储能元件6一端和第三模拟开关15一端相连；第三模拟开关15另一端接地，开关状态受第三脉冲信号17的控制；第二储能元件6另一端分别与第二钳位二极管10的正极和第四模拟开关16的一端相连，第四模拟开关16的开关状态受第四脉冲信号18的控制；第二模拟开关12的另一端和第四模拟开关16的另一端分别与激光二极管20的负极和第三限流电阻19的一端依次相连，第三限流电阻19的另一端接地；
第一储能元件5的充电回路由第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8组成；第二储能元件6的充电回路由第二高压电源2、第二限流电阻9、第二储能元件6和第二钳位二极管10组成；第一储能元件5的放电回路由第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12组成；第二储能元件6的放电回路由第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20和第四模拟开关16组成。
本发明一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路的工作过程，包括如下步骤：
步骤1：初始化系统
打开第一高压电源1和第二高压电源2，此时第一脉冲信号13、第二脉冲信号14、第三脉冲信号17和第四脉冲信号18尚未输入，第一模拟开关11、第二模拟开关12、第三模拟开关15和第四模拟开关16均处于断开状态，第一储能元件5经第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8回路完成充电，第二储能元件6经第二高压电源2、第二限流电阻9、第二储能元件6和第二钳位二极管10回路完成充电；对于充电电流而言，激光二极管20处于反向截止状态，因此没有电流通过激光二极管20所在支路；
步骤2：第一储能元件5放电
加载第一脉冲信号13和第二脉冲信号14,使第一模拟开关11和第二模拟开关12闭合，所在支路接通，依次经过第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12，第一储能元件5放电；又因为第三限流电阻19远小于第一限流电阻7的值，因此第一储能元件5放电速度要比充电速度快得多，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；因为此时第三脉冲信号17和第四脉冲信号18为低电平，第三模拟开关15和第四模拟开关16是断开状态，因此第一储能元件5放电不受第二储能元件6的影响；
实际电路中，考虑到高速模拟开关的闭合仍需要一定时间，以及同一型号器件之间参数的偏差，第二脉冲信号14和第四脉冲信号18的脉宽均要略大于第一脉冲信号13和第三脉冲信号17，也即第二模拟开关12和第四模拟开关16要分别比第一模拟开关11和第三模拟开关15提前闭合，目的是保证在放电开始时，激光二极管20所在支路已经处于充分闭合的状态，以避免第二模拟开关12和第四模拟开关16的闭合滞后对储能元件的放电造成影响，进而影响到脉冲的波形；
步骤3：第一储能元件5充电
第一储能元件5完成第一次放电后，第一模拟开关11和第二模拟开关12随之断开，两个相邻的第一脉冲信号13时间间隔为T，在下一个第一脉冲信号13到达之前，第一储能元件5在时间T内完成充电，充电方式和步骤1中的描述相同；第一模拟开关11和第二模拟开关12的断开，保证了两个充放电电路的相互隔离，使第一储能元件5充电不受第二储能元件6的影响；
步骤4：第二储能元件6放电
第三脉冲信号17和第四脉冲信号18比第一脉冲信号13和第二脉冲信号14滞后T/2到达，此时，第三模拟开关15和第四模拟开关16闭合，所在支路接通，依次经过第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20和第四模拟开关16，第二储能元件6反向放电；又因为第三限流电阻19远小于第二限流电阻9的值，因此第二储能元件6放电速度要比充电速度快得多，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，第一脉冲信号13和第二脉冲信号14为低电平，第一模拟开关11和第二模拟开关12是断开状态，因此第二储能元件6放电也不受第一储能元件5的影响；
步骤5：第二储能元件6充电
第二储能元件6完成第一次放电后，第三模拟开关15和第四模拟开关16随之断开，两个相邻的第三脉冲信号17时间间隔为T，在下一个第三脉冲信号17到达之前，第二储能元件6在时间T内完成充电，充电方式和步骤1中的描述相同；由步骤3的分析可知，第二储能元件6充电也不受第一储能元件5影响；
步骤6：循环交替充放电
由以上分析可知，第一储能元件5和第二储能元件6的充放电是独立的；不断重复步骤2、3、4和5的充放电过程，第一储能元件5和第二储能元件6交替循环完成充放电；对激光二极管20而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，在保证单次放电的峰值功率不变的前提下，实现了脉冲的周期减半，频率加倍。

Claims (3)

1.一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，其特征在于：包括第一高压电源(1)和第二高压电源(2)，两者电压相等；第一高压电源(1)负极接地，正极分别与第一去耦电容(3)正极板和第一限流电阻(7)一端相连；第一去耦电容(3)负极板接地，第一限流电阻(7)另一端分别与第一储能元件(5)一端和第一模拟开关(11)一端相连；第一模拟开关(11)另一端接地，开关状态受第一脉冲信号(13)的控制；第一储能元件(5)另一端分别与第一钳位二极管(8)的正极和第二模拟开关(12)的一端相连，第二模拟开关(12)的开关状态受第二脉冲信号(14)的控制；第二高压电源(2)负极接地，正极分别与第二去耦电容(4)正极板和第二限流电阻(9)一端相连；第二去耦电容(4)负极板接地，第二限流电阻(9)另一端分别与第二储能元件(6)一端和第三模拟开关(15)一端相连；第三模拟开关(15)另一端接地，开关状态受第三脉冲信号(17)的控制；第二储能元件(6)另一端分别与第二钳位二极管(10)的正极和第四模拟开关(16)的一端相连，第四模拟开关(16)的开关状态受第四脉冲信号(18)的控制；第二模拟开关(12)的另一端和第四模拟开关(16)的另一端分别与激光二极管(20)的负极和第三限流电阻(19)的一端依次相连，第三限流电阻(19)的另一端接地；
第一储能元件(5)的充电回路由第一高压电源(1)、第一限流电阻(7)、第一储能元件(5)和第一钳位二极管(8)组成；第二储能元件(6)的充电回路由第二高压电源(2)、第二限流电阻(9)、第二储能元件(6)和第二钳位二极管(10)组成；第一储能元件(5)的放电回路由第一储能元件(5)、第一模拟开关(11)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第二模拟开关(12)组成；第二储能元件(6)的放电回路由第二储能元件(6)、第三模拟开关(15)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第四模拟开关(16)组成。
2.根据权利要求1所述的基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，其特征在于：所述第三限流电阻(19)的电阻值远小于第一限流电阻(7)和第二限流电阻(9)的电阻值。
3.权利要求1所述基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路的工作过程，其特征在于：包括如下步骤：
步骤1：初始化系统，打开第一高压电源(1)和第二高压电源(2)，此时第一脉冲信号(13)、第二脉冲信号(14)、第三脉冲信号(17)和第四脉冲信号(18)尚未输入，第一模拟开关(11)、第二模拟开关(12)、第三模拟开关(15)和第四模拟开关(16)均处于断开状态，第一储能元件(5)和第二储能元件(6)完成充电过程；
步骤2：加载第一脉冲信号(13)和第二脉冲信号(14),使第一模拟开关(11)和第二模拟开关(12)闭合，所在支路接通，依次经过第一储能元件(5)、第一模拟开关(11)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第二模拟开关(12)，第一储能元件(5)快速放电，使得激光二极管(20)发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；因为此时第三脉冲信号(17)和第四脉冲信号(18)为低电平，第三模拟开关(15)和第四模拟开关(16)是断开状态，因此第一储能元件(5)放电不受第二储能元件(6)的影响；
步骤3：第一储能元件(5)完成第一次放电后，第一模拟开关(11)和第二模拟开关(12)随之断开，两个相邻的第一脉冲信号(13)时间间隔为T，在下一个第一脉冲信号(13)到达之前，第一储能元件(5)在时间T内完成充电，且不受第二储能元件(6)的影响，第一储能元件(5)和第二储能元件(6)充电过程也是独立的；
步骤4：第三脉冲信号(17)和第四脉冲信号(18)比第一脉冲信号(13)和第二脉冲信号(14)滞后T/2到达，此时，第三模拟开关(15)和第四模拟开关(16)闭合，所在支路接通，依次经过第二储能元件(6)、第三模拟开关(15)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第四模拟开关(16)，第二储能元件(6)快速放电，使得激光二极管(20)发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，第一脉冲信号(13)和第二脉冲信号(14)为低电平，第一模拟开关(11)和第二模拟开关(12)是断开状态，因此第二储能元件(6)放电也不受第一储能元件(5)的影响；
步骤5：由以上分析可知，第一储能元件(5)、第二储能元件(6)的充放电是独立的；不断重复步骤2、3和4的充放电过程，第一储能元件(5)、第二储能元件(6)交替循环完成充放电；对激光二极管(20)而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，实现了脉冲周期减半，频率加倍。
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