CN108695683A - 量子级联激光器驱动源电路 - Google Patents

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樊仲维
王江
张锦川
常慧
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    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0427—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying modulation to the laser

Abstract

本发明公开了一种量子级联激光器驱动源电路，包括恒流驱动模块和高频脉冲调制模块，恒流驱动模块输出恒定电流至高频脉冲调制模块，高频脉冲调制模块对输入的恒定电流进行高频脉冲调制，最终以高频脉冲电流形式驱动量子级联激光器，产生单模连续可调谐的中红外激光。量子级联激光器驱动源电路的高频脉冲调制模块包括功率电感线圈和高速功率MOS管，功率电感线圈用于限制高频脉冲电流的浪涌尖峰，高速功率MOS管用于控制量子级联激光器的关闭和导通。本发明适用在高频率、大占空比脉冲恒流驱动的应用场合简化了电路设计，提高工作频率，提高反馈电路的稳定性，提高控制电流的精度。

Description

量子级联激光器驱动源电路
技术领域
本发明涉及激光器技术领域，尤其涉及一种高重复频率脉冲恒流脉冲量子级联激光器驱动源电路。
背景技术
量子级联激光器(QCL)因其近室温操作和单模连续调谐等优点，逐渐成为理想的高分辨率中红外光源，在中波红外对抗、气体检测、医疗、化学、石油冶炼等众多领域有着广泛的潜在应用。在基于量子级联激光器的应用系统中，驱动电路的脉冲宽度决定激光器的线宽，从而会影响中波红外的对抗干扰效果以及探测的灵敏度。因此，研究量子级联激光器的驱动电路对于加速激光器的应用推广，具有重要的研究价值和应用前景。
与传统LD类似，量子级联激光器也是电流驱动的器件，输出光强随驱动电流变化而变化，因此量子级联激光器驱动电路的本质是脉冲恒流源电路。现有的脉冲量子级联激光器驱动技术主要有两种：一种是电容器储能、运放负反馈控制的恒流驱动，另一种是电容器储能、高速MOS斩波模式的电压型驱动技术。
第一种是基于运算放大器负反馈控制的恒流驱动源，它的优点是幅度可精确调节，但是由于是高频高速脉冲信号，对反馈系统的运算放大器要求必须是宽带宽高速运放，但是具有很高的带宽在高频反馈系统受寄生参数影响大，很容易形成自激或振荡，严重时会烧毁激光器，这对价格高昂的量子级联激光器是一种极大的威胁。
第二种是基于高速MOS管电压型驱动源，它的优点是电路结构比较简单，可以实现高速、窄脉冲电流输出。缺点是没有形成电流闭环控制，输出电流值难以精确控制。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明提供一种量子级联激光器驱动源电路，用于解决采用运算放大器对高频脉冲进行调制时形成自激或振荡的问题以及输出电流值难以精确控制的问题。
(二)技术方案
本发明提供一种量子级联激光器驱动源电路，包括恒流驱动模块和高频脉冲调制模块，恒流驱动模块输出恒定电流至高频脉冲调制模块，高频脉冲调制模块对输入的恒定电流进行高频脉冲调制得到高频脉冲电流，该高频脉冲电流驱动量子级联激光器产生单模连续可调谐的中红外激光，其中：所述高频脉冲调制模块包括功率电感线圈和高速功率MOS管，功率电感线圈，串联于恒流驱动模块和量子级联激光器之间，用于限制高频脉冲电流的浪涌尖峰；高速功率MOS管，并联于量子级联激光器两端，用于控制量子级联激光器的关闭和导通。
其中，所述高速功率MOS管，采用射频MOS管，射频MOS管的导通和断开时间均小于3ns。
其中，所述高频脉冲信号，其频率大于10MHz，其高占空比大于50％。
其中，所述恒流驱动模块包括恒流充电电路、电流采样电路、I/V转换电路和综合控制电路；
恒流充电电路，用于给功率电感线圈提供储存能量；
电流采样电路，用于对功率电感线圈充电电流的采样；
I/V转换电路，用于对充电电流信号转换成电压信号；
综合控制电路，用于对I/V转换电路输入的电压信号，与基准信号进行差值对比，通过比例积分运算后负反馈控制恒流充电电路的充电电流。
其中，该量子级联激光器驱动源电路采用恒流反馈设计。
其中，该量子级联激光器驱动源电路采用恒流反馈设计，具体为：
恒流充电电路输出恒定电流；
电流采样电路对恒流充电电路输出给功率电感线圈的恒定电流实时采样；
采样信号经I/V转换电路形成电压信号输入至综合控制电路；综合控制电路对输入的电压信号进行差值、放大、微分、积分处理等运算，将结果反馈给恒流充电电路，实现恒流输出。
其中，所述差值处理为，综合控制电路对输入的电压信号与综合控制电路内部的基准电压信号比较，形成差值信号。
其中，所述的恒流反馈设计为电流闭环设计。
(三)有益效果
本发明提供一种量子级联激光器驱动源电路，与现有技术相比，具有以下有益效果：
(1)本发明的量子级联激光器驱动源电路，采用功率电感线圈，功率电感器本质上就属于电流型器件，根据电感电流不能跃变的属性(见公式1)，电感器储能型电流源电路在高频(高于1MHz)、大占空比脉冲恒流驱动的应用场合有其独有的优势，根据原理图可知，不必担心高频脉冲电流的过冲、振荡及反冲问题，只要保证流入功率电感器的输入电流保持恒定即可，也就是需要直流负反馈保证流经电感器上的电流维持恒定，这就大大简化了反馈回路的设计，并保证输出脉冲电流的恒定，进而实现对于电流的精确控制。
(2)本发明的量子级联激光器驱动源电路，采用射频功率MOS管作为高速开关器件，通过控制射频功率MOS管的高速通断动作，以实现对量子级联激光器的高速脉冲电流驱动，完成对激光器的高速调制。
附图说明
图1是本发明的量子级联激光器驱动源电路图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的量子级联激光器驱动源电路图，如图1所述，量子级联激光器驱动源电路，包括恒流驱动模块和高频脉冲调制模块，恒流驱动模块输出恒定电流至高频脉冲调制模块，高频脉冲调制模块对恒定输出电流进行高频脉冲调制，最终以高频脉冲电流形式驱动量子级联激光器，用于产生单模连续可调谐的中红外激光；
其中，高频脉冲调制模块包括功率电感线圈和高速功率MOS管；功率电感线圈，串联于恒流驱动模块和量子级联激光器之间，用于限制高频脉冲电流的浪涌尖峰。
采用功率电感线圈，功率电感器本质上就属于电流型器件，根据电感电流不能跃变的属性(见公式1)，电感器储能型电流源电路在高频(高于1MHz)、大占空比脉冲恒流驱动的应用场合有其独有的优势，根据原理图可知，不必担心高频脉冲电流的过冲、振荡及反冲问题，只要保证流入功率电感器的输入电流保持恒定即可，也就是需要直流负反馈保证流经电感器上的电流维持恒定，这就大大简化了反馈回路的设计，并保证输出脉冲电流的恒定，进而实现对于电流的精确控制。
高速功率MOS管，并联于量子级联激光器两端，接收高频脉冲信号，高速功率MOS管导通，量子级联激光器短路，激光器关闭；高速功率MOS管断开，功率电感线圈电流通过量子级联激光器激光器，激光器导通发光。高速功率MOS管，采用射频MOS管，射频MOS管的导通和断开时间均小于3ns。高频脉冲信号，其频率大于10MHz，其高占空比大于50％。
采用射频功率MOS管作为高速开关器件，通过控制射频功率MOS管的高速通断动作，以实现对量子级联激光器的高速脉冲电流驱动，完成对激光器的高速调制。
恒流驱动模块包括恒流充电电路、电流采样电路、I/V转换电路和综合控制电路；其中，恒流充电电路，用于给功率电感线圈提供储存能量；电流采样电路，用于对功率电感线圈充电电流的采样；I/V转换电路，用于对充电电流信号转换成电压信号；综合控制电路，用于对I/V转换电路输入的电压信号，与基准信号进行差值对比，通过比例积分运算后负反馈控制恒流充电电路的充电电流。
同时，该量子级联激光器驱动源电路将高速脉冲电流采样反馈的思想转换为恒流反馈设计，该恒流反馈设计系为电流闭环设计，具体包括：恒流充电电路输出恒定电流；电流采样电路对恒流充电电路输出给功率电感线圈的恒定电流实时采样；采样信号经I/V转换电路形成电压信号输入至综合控制电路；综合控制电路对电压信号进行差值、放大、微分、积分处理等运算，将结果反馈给恒流充电电路，实现恒流输出。
更具体地反馈处理为，通常，外部供电为恒定电压源供电，恒流充电电路从外部恒定电压源取电，通过功率变换技术实现恒定电流输出，提供给功率电感线圈，实现功率电感线圈储能；在恒流充电电路与功率电感线圈之间串联大功率精密电流采样电阻，实现对恒流充电电路为功率电感线圈充电电流的实时采样(即上述电流采样电路)，该采样信号经过电流放大器，实现电流/电压变换，形成综合控制电路易于识别和处理的电压信号(即I/V转换电路)，I/V转换电路形成的电压信号输入综合控制电路，与综合控制电路内部的基准电压信号比较，形成差值信号，经过对差值信号的比例放大、微分、积分处理等运算后，结果反馈给恒流充电电路中的功率控制变换器，实现自动恒流输出的效果。
常规的高速脉冲电流驱动电路，需要对高速脉冲电流采样、反馈，此时，采用运算放大器对高频脉冲进行调制时形成自激或振荡的问题。本发明中，仅需要对恒流充电电路输出的恒流供电进行采样、反馈，保证流入功率电感线圈的电流恒定，电感的物理特性是，其内部流过的电流值不能发生跃变，所以只要保证流入电感1端的电流恒定，那么流出电感的电流(2端)也是恒定的，并且和流入端电流相等，在此情况下通过高速开关快速地断开和闭合，如图1所示，
开关断开时，有I1＝0，I2＝I0；
开关闭合时，有I1＝I0，I2＝0；
在整个开关过程中，均有：I0＝I充
所以，只要保证流入电感线圈的电流I充恒定，就能实现高速脉冲恒定电流驱动。
本发明利用电感内电流不能跃变的物理原理，采用大功率电感储能，
高速功率MOS管斩波原理，实现高速恒流脉冲QCL驱动源的技术方案设计。
图中，可调电压源模块电路通过电流采样电路给功率电感器充电，使功率电感器内部电流维持恒定的电流值；另外，外部输入高频脉冲信号控制高速MOS管(此处采用射频MOS管，保证MOS管的导通和断开时间均小于3ns)，实现MOS管的快速通断，在MOS管导通时，功率电感线圈2端(输出端)对地近似短路，电感输出电流I0全部转移到高速MOS管，此时有I1＝I0，I2＝0，QCL激光器支路无电流流过，实现激光器关闭，在MOS管断开时，功率电感线圈电流转移到QCL激光器支路，此时有I1＝0，I2＝I0，实现QCL激光器导通发光。在整个开关转换过程中，功率电感线圈中流经的电流变化可根据电感电路基本公式计算如下：
式1中：
ΔV＝V1-V2 (2)
MOS管导通时V2近似等于0，功率电感器充电储能，dT1为MOS管导通时间，电流增加：
MOS管断开时V2等于QCL激光器工作电压值V3，功率电感器对激光器放电，2为激光器出光时间，电流减少：
电路稳定工作时有：ΔI1＝ΔI2 (5)
可以根据QCL激光器自适应电压V3，脉冲持续时间dT2，输出电流允许波动值ΔI，选取合适电感值的功率电感器。
在电流反馈回路中，功率电感器线圈中电流虽然有高频电流波动，但是电流波动范围均在QCL激光器允许的电流波动范围之内，所以此处的电流取样及处理电路均可以按照高精度直流反馈处理，对比高频脉冲电流反馈电路，大大降低了电路的设计难度，同时又采用了高精度的电流闭环反馈，保证了输出电流的控制精度。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种量子级联激光器驱动源电路，包括恒流驱动模块和高频脉冲调制模块，恒流驱动模块输出恒定电流至高频脉冲调制模块，高频脉冲调制模块对输入的恒定电流进行高频脉冲调制得到高频脉冲电流，该高频脉冲电流驱动量子级联激光器产生单模连续可调谐的中红外激光，其中：
所述高频脉冲调制模块包括功率电感线圈和高速功率MOS管，功率电感线圈，串联于恒流驱动模块和量子级联激光器之间，用于限制高频脉冲电流的浪涌尖峰；高速功率MOS管，并联于量子级联激光器两端，用于控制量子级联激光器的关闭和导通。
2.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动源电路，其中，所述高速功率MOS管，采用射频MOS管，射频MOS管的导通和断开时间均小于3ns。
3.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动源电路，其中，所述高速功率MOS管控制量子级联激光器的关闭和导通，具体包括：
高速功率MOS管导通，量子级联激光器短路，激光器关闭；
高速功率MOS管断开，功率电感线圈电流通过量子级联激光器激光器，激光器导通发光。
4.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动源电路，其中，所述高频脉冲信号，其频率大于10MHz，其高占空比大于50％。
5.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动源电路，所述恒流驱动模块包括恒流充电电路、电流采样电路、I/V转换电路和综合控制电路，其中：
恒流充电电路，用于给功率电感线圈提供储存能量；
电流采样电路，用于对功率电感线圈充电电流的采样；
I/V转换电路，用于对充电电流信号转换成电压信号；
综合控制电路，用于对I/V转换电路输入的电压信号，与基准信号进行差值对比，通过比例积分运算后负反馈控制恒流充电电路的充电电流。
6.根据权利要求1所述的量子级联激光器驱动源电路，其中，该量子级联激光器驱动源电路采用恒流反馈设计。
7.根据权利要求6所述的量子级联激光器驱动源电路，其中，该量子级联激光器驱动源电路采用恒流反馈设计，具体为：
恒流充电电路输出恒定电流；
电流采样电路对恒流充电电路输出给功率电感线圈的恒定电流实时采样；
采样信号经I/V转换电路形成电压信号输入至综合控制电路；综合控制电路对输入的电压信号进行差值、放大、微分、积分处理等运算，将结果反馈给恒流充电电路，实现恒流输出。
8.根据权利要求7所述的量子级联激光器驱动源电路，其中，所述差值处理为，综合控制电路对输入的电压信号与综合控制电路内部的基准电压信号比较，形成差值信号。
9.根据权利要求7所述的量子级联激光器驱动源电路，其中，所述的恒流反馈设计为电流闭环设计。
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