CN105514796A - 一种新型高重频短脉冲ld激光器及其工作过程 - Google Patents

Abstract

一种新型高重频短脉冲LD激光器及其工作过程，该激光器包括两路大小相等的正负高压电源、两路脉冲信号、两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；其工作过程为：设控制信号频率均为f，两路信号相位差为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，使激光管发射频率为2f的激光脉冲本发明在脉冲功率不变的前提下，频率实现了加倍提高；采用多个开关、正负高压电源以及钳位二极管，避免了两个充放电电路间的互相影响；与传统方案相比，所需元件性能指标基本不变，易于实现。

Description

一种新型高重频短脉冲LD激光器及其工作过程

技术领域

本发明属于激光发射技术领域，具体涉及一种新型高重频短脉冲LD激光器及其工作过程。

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

针对传统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新型高重频短脉冲LD激光器及其工作过程，本发明在传统RC充电电路的基础上，采用两路电源在两路信号下分别供电，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沿时间，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：

一种新型高重频短脉冲LD激光器，包括正高压电源1和负高压电源2，正高压电源1正极为正电压，负高压电源2正极为负电压，两者电压大小相等；正高压电源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12的控制；第一储能元件5另一端分别与第一钳位二极管8的正极和激光二极管16的负极相连；负高压电源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6一端和第二模拟开关13一端相连；第二模拟开关13另一端接地，开关状态受第二脉冲信号14的控制；第二储能元件6另一端分别与第二钳位二极管10的负极和第三限流电阻15的一端相连，第三限流电阻15的另一端与激光二极管16的正极相连；

第一储能元件5的充电回路依次经过第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8；第二储能元件6的充电回路依次经过第二高压电源2、第二钳位二极管10、第二储能元件6和第二限流电阻9；第一储能元件5的放电回路依次经过第一储能元件5、第一高速模拟开关11、第二钳位二极管10、第三限流电阻15、激光二极管16；第二储能元件6的放电回路依次经过第二储能元件6、第三限流电阻15、激光二极管16、第一钳位二极管8、第二模拟开关13。

所述第三限流电阻15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。

上述新型高重频短脉冲LD激光器的工作过程，包括如下步骤：

步骤1：初始化系统，打开正高压电源1和负高压电源2，此时第一脉冲信号12和第二脉冲信号14尚未输入，第一模拟开关11和第二模拟开关13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12、第二脉冲信号14，12比14相位超前π，并保持稳定；

步骤3：在第一脉冲信号12的作用下，第一模拟开关11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、第二钳位二极管10、第三限流电阻15和激光二极管16回路，第一储能元件5快速放电，使得激光二极管发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；第一储能元件5放电过程中，因为第二脉冲信号14为低电平，第二模拟开关13断开，第二储能元件6的放电回路是断开的，故第二储能元件6不参与放电；

步骤4：第二脉冲信号14比第一脉冲信号12滞后T/2到达，此时，第二模拟开关13闭合，所在支路接通，因为第二储能元件6连接的是负高压，故依次经过第二储能元件6、第三限流电阻15、激光二极管16、第一钳位二极管8和第二模拟开关13回路，第二储能元件6快速放电，使得激光二极管发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，因为第一脉冲信号12为低电平，第一模拟开关11断开，第一储能元件5的放电回路是断开的，故第一储能元件5不参与放电；可以认为激光管两侧电路的工作状态互不影响；

步骤5：在相邻的两个第一脉冲信号12之间的时间间隔T内，第一储能元件5完成充电；重复步骤3和步骤4的放电过程，第一储能元件5和第二储能元件6交替循环，独立放电；对激光管而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，实现了脉冲频率的加倍。

本发明提出的一种新型的高重频短脉冲LD激光器的设计方案，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；二是采用了两路信号分别控制两个高速模拟开关，并搭配以正负高压电源，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是本发明新型高重频短脉冲LD激光器发射电路原理图。

图2是本发明新型高重频短脉冲LD激光器控制信号示意图。

图3是本发明新型高重频短脉冲LD激光器工作流程图。

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：

本实施方式是在原有RC充放电方式的基础上，引入两路电源联合供电，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。

如图1所示，本发明一种新型高重频短脉冲LD激光器，包括正高压电源1和负高压电源2，正高压电源1正极为正电压，负高压电源2正极为负电压，两者电压大小相等；正高压电源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12的控制；第一储能元件5另一端分别与第一钳位二极管8的正极和激光二极管16的负极相连；负高压电源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6一端和第二模拟开关13一端相连；第二模拟开关13另一端接地，开关状态受第二脉冲信号14的控制；第二储能元件6另一端分别与第二钳位二极管10的负极和第三限流电阻15的一端相连，第三限流电阻15的另一端与激光二极管16的正极相连；

第一储能元件5的充电回路依次经过第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8；第二储能元件6的充电回路依次经过第二高压电源2、第二钳位二极管10、第二储能元件6和第二限流电阻9；第一储能元件5的放电回路依次经过第一储能元件5、第一高速模拟开关11、第二钳位二极管10、第三限流电阻15、激光二极管16；第二储能元件6的放电回路依次经过第二储能元件6、第三限流电阻15、激光二极管16、第一钳位二极管8、第二模拟开关13。

如图3所示，本发明一种新型高重频短脉冲LD激光器的工作过程，包括如下步骤：

步骤1：初始化系统

打开正高压电源1和负高压电源2，此时第一脉冲信号12和第二脉冲信号14尚未输入，第一模拟开关11和第二模拟开关13均处于断开状态。第一储能元件5经正高压电源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、第二钳位二极管10、第二储能元件6和第二限流电阻9回路完成充电；对于充电电流而言，激光二极管16处于反向截止状态，因此没有电流通过激光二极管16所在支路；

步骤2：第一储能元件5放电

加载第一脉冲信号12,使模拟开关11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、第二钳位二极管10、第三限流电阻15和激光二极管16回路，第一储能元件5放电；又因为第三限流电阻15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，使得激光二极管发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；第一储能元件5放电过程中，因为第二脉冲信号14为低电平，第二模拟开关13断开，第二储能元件6的放电回路是断开的，故第二储能元件6不参与放电；

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随之断开，两个相邻的第一脉冲信号12时间间隔为T，在下一个第一脉冲信号12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；

步骤4：第二储能元件6放电

如图2所示，第二脉冲信号14比第一脉冲信号12滞后T/2到达，此时，第二模拟开关13闭合，所在支路接通，因为第二储能元件6连接的是负高压，故依次经过第二储能元件6、第三限流电阻15、激光二极管16、第一钳位二极管8、第二模拟开关13回路，第二储能元件6放电；又因为第三限流电阻15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，使得激光二极管发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；第二储能元件6放电过程中，因为第一脉冲信号12为低电平，第一模拟开关11断开，第一储能元件5的放电回路是断开的，故第一储能元件5不参与放电；

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，第二模拟开关13随之断开，两个相邻的第二脉冲信号14时间间隔为T，在下一个第二脉冲信号14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；

步骤6：循环交替充放电

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、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16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)

1.一种新型高重频短脉冲LD激光器，其特征在于：包括正高压电源(1)和负高压电源(2)，正高压电源(1)正极为正电压，负高压电源(2)正极为负电压，两者电压大小相等；正高压电源(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(12)的控制；第一储能元件(5)另一端分别与第一钳位二极管(8)的正极和激光二极管(16)的负极相连；负高压电源(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)一端和第二模拟开关(13)一端相连；第二模拟开关(13)另一端接地，开关状态受第二脉冲信号(14)的控制；第二储能元件(6)另一端分别与第二钳位二极管(10)的负极和第三限流电阻(15)的一端相连，第三限流电阻(15)的另一端与激光二极管(16)的正极相连；

第一储能元件(5)的充电回路依次经过第一高压电源(1)、第一限流电阻(7)、第一储能元件(5)和第一钳位二极管(8)；第二储能元件(6)的充电回路依次经过第二高压电源(2)、第二钳位二极管(10)、第二储能元件(6)和第二限流电阻(9)；第一储能元件(5)的放电回路依次经过第一储能元件(5)、第一高速模拟开关(11)、第二钳位二极管(10)、第三限流电阻(15)、激光二极管(16)；第二储能元件(6)的放电回路依次经过第二储能元件(6)、第三限流电阻(15)、激光二极管(16)、第一钳位二极管(8)、第二模拟开关(13)。

2.根据权利要求1所述的一种新型高重频短脉冲LD激光器，其特征在于：所述第三限流电阻(15)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所述一种新型高重频短脉冲LD激光器的工作过程，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：初始化系统，打开正高压电源(1)和负高压电源(2)，此时第一脉冲信号(12)和第二脉冲信号(14)尚未输入，第一模拟开关(11)和第二模拟开关(13)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(12)和第二脉冲信号(14)，第一脉冲信号(12)比第二脉冲信号(14)相位超前π，并保持稳定；

步骤3：在第一脉冲信号(12)的作用下，第一模拟开关(11)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)、第二钳位二极管(10)、第三限流电阻(15)和激光二极管(16)回路，第一储能元件(5)快速放电，使得激光二极管发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；第一储能元件(5)放电过程中，因为第二脉冲信号(14)为低电平，第二模拟开关(13)断开，第二储能元件(6)的放电回路是断开的，故第二储能元件(6)不参与放电；

步骤4：第二脉冲信号(14)比第一脉冲信号(12)滞后T/2到达，此时，第二模拟开关(13)闭合，所在支路接通，因为第二储能元件(6)连接的是负高压，故依次经过第二储能元件(6)、第三限流电阻(15)、激光二极管(16)、第一钳位二极管(8)和第二模拟开关(13)回路，第二储能元件(6)快速放电，使得激光二极管发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，因为第一脉冲信号(12)为低电平，第一模拟开关(11)断开，第一储能元件(5)的放电回路是断开的，故第一储能元件(5)不参与放电；激光管两侧电路的工作状态互不影响；

步骤5：在相邻的两个第一脉冲信号(12)之间的时间间隔T内，第一储能元件(5)完成充电；重复步骤3和步骤4的放电过程，第一储能元件(5)和第二储能元件(6)交替循环，独立放电；对激光管而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，实现了脉冲频率的加倍。