CN110783813B - 一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置、发射系统及驱动方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置、发射系统和驱动方法。一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置包括：栅极驱动单元和全桥电路；其中：栅极驱动单元，用于将输入到栅极驱动单元的信号进行放大，放大到足以驱动后级全桥电路中的MOSFET；全桥电路，其由PMOSFET和NMOSFET组成，用于将栅极驱动单元的输出信号再次进行放大，产生激光驱动信号，所述激光驱动信号足以驱动激光二极管。本发明能够利用常用的、性能较弱的、价格低廉的栅极驱动器和全桥电路这类常用器件，替代专用的、性能较强的、价格较高的栅极驱动器和功率器件组合，具有成本低和性价比较高的优点。

Description

一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置、发射系统及驱动方法

技术领域

本发明关于激光器驱动技术领域，尤其涉及一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置、发射系统及驱动方法。

背景技术

激光是20世纪以来继核能、电脑、半导体之后，人类的又一重大发明，被称“最快的刀”，“最准的尺”、“最亮的光”。纳秒激光是激光的一种，其特征在于其输出的光是脉冲光，光脉冲的持续时间在纳秒级别。纳秒级激光技术在军工、制造、医疗、汽车等领域得到了广泛的应用，纳秒激光可以用于激光雷达、激光制导、激光测距、激光打标、激光手术刀和激光美容等场合。

传统纳秒窄脉冲激光的驱动电路的设计，需要用到专用的、性能较强的、价格较高的栅极驱动器和功率器件组合，通过栅极驱动器驱动功率器件，产生大电流的纳秒级脉冲，功率器件作为激光驱动的开关控制输出的脉冲。在传统的纳秒窄脉冲激光的驱动电路中，对栅极驱动器性能的需求很高，这决定了传统纳秒光脉冲的发射方案成本高昂，性价比低。

目前亟需设计一种低成本的纳秒窄脉冲激光驱动电路及纳秒窄脉冲激光系统，实现低成本纳秒激光光源的量产化。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置、发射系统及驱动方法，能有效降低纳秒激光光源的生产成本，实现低成本量产化。

根据本发明的一个发明目的，提供一种纳秒窄脉冲激光的驱动装置，该纳秒窄脉冲激光驱动装置包括栅极驱动单元和全桥电路，其中：栅极驱动单元用于将输入到栅极驱动单元的信号进行放大，放大到足以驱动后级全桥电路中的MOSFET；栅极驱动单元包括第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，第一栅极驱动器和第二栅极驱动器中至少包含功率放大电路；全桥电路与栅极驱动单元相连，全桥电路用于将栅极驱动单元的输出信号再次进行放大，产生激光驱动信号，激光驱动信号足以驱动激光二极管；全桥电路的两个桥臂有PMOSFET和NMOSFET组成，全桥电路的桥臂分别与第一栅极驱动器和第二栅极驱动器相连。在本发明中，全桥电路的两个桥臂采用PMOSFET和NMOSFET组成，无论全桥电路的两个桥臂输入高电平或者低电平，全桥都不会出现短路现象，有利于提高全桥电路的寿命，增强纳秒窄脉冲激光驱动装置的稳定性。

本发明还提供一种纳秒窄脉冲激光发射系统，包括输入信号单元，栅极驱动单元，全桥电路和激光二极管。其中，输入信号单元用于产生第一输入信号和第二输入信号，第二输入信号较第一输入信号延时dt，其中延时dt为纳秒级；栅极驱动单元，其与输入信号单元相连，栅极驱动单元用于将输入信号单元的输入信号进行放大，栅极驱动单元包括第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，第一栅极驱动器和第二栅极驱动器中至少包含功率放大电路；全桥电路，其与栅极驱动单元相连，全桥电路用于将栅极驱动单元的输出信号再次进行放大，产生激光驱动信号，产生的激光驱动信号足以驱动激光二极管，全桥电路的两个桥臂由PMOSFET和NMOSFET组成，全桥电路的桥臂分别与第一栅极驱动器和第二栅极驱动器相连；激光二极管，其与全桥电路相连，激光二极管用于将电能转化为光能，产生激光脉冲信号。在该纳秒窄脉冲激光发射系统中，一个输入信号周期内，只有dt的时间中激光二极管处于导通状态，激光脉冲信号的脉冲宽度为dt。本发明中采用两个低速的输入信号产生较高速度的光脉冲输出信号，利用常用器件栅极驱动器和全桥电路取代专用的、性能较强的、价格较高的栅极驱动器和功率器件组合，降低了成本，且能满足高可靠性。

优选地，在本发明的纳秒窄脉冲激光发射系统中，第一输入信号和第二输入信号为电压数字信号。

优选地，在本发明的纳秒窄脉冲激光发射系统中，第一输入信号和第二输入信号为矩形波信号。

优选地，在本发明的纳秒窄脉冲激光发射系统中，第二输入信号由第一输入信号通过RC电路或者器件延时产生。

优选地，在本发明的纳秒窄脉冲激光发射系统中，激光二极管包含下列之一：垂直腔面发射激光器、面射型激光二极管、边射型激光二极管。

优选地，在本发明的纳秒窄脉冲激光发射系统中，激光脉冲信号的脉冲宽度为第二输入信号相较于第一输入信号的延时dt。

本发明还提供一种纳秒窄脉冲激光驱动方法，该纳秒窄脉冲激光驱动方法包含以下步骤：激光驱动信号生成步骤，将两个输入信号分别输入两个栅极驱动器，两个输入信号之间的延时为dt，栅极驱动器将接收到的输入信号进行放大，产生两个放大后的信号能驱动后级全桥电路中的MOSFET；将栅极驱动器的放大信号分别输入到全桥电路的两个桥臂，通过全桥电路产生激光驱动信号，所述激光驱动信号足以驱动激光二极管；输出步骤，将所述激光驱动信号输出到激光二极管。

附图说明

图1为纳秒窄脉冲激光的发射系统示意图。

具体实施方式

本发明将详细描述一些实施例如下。然而，除了所揭露的实施例外，本发明的范围并不受该些实施例的限定，乃以其后的申请专利范围为准。而为了提供更清楚的描述及使该项技艺的普通人员能理解本发明的发明内容，图示内各部分并没有依照其相对的尺寸进行绘图，某些尺寸或其他相关尺度的比例可能被凸显出来而显得夸张，且不相关的细节部分并没有完全绘出，以求图示的简洁。

如图1中所示，图1为本发明一实施例的纳秒窄脉冲激光发射系统的示意图。该纳秒窄脉冲激光发射系统包输入信号单元01，栅极驱动单元02，全桥电路03和激光二极管04。

输入信号单元01中包含第一输入信号01-1和第二输入信号01-2，第一输入信号01-1与第二输入信号01-2频率、波形和幅度均相同，第二输入信号01-2相对于第一输入信号01-1有时间为dt的延时。第二输入信号01-2可以由第一输入信号01-1延时产生，该延时通过RC电路实现，或者通过其他器件的器件延时实现，如通过逻辑门延时产生或者通过D型触发器级联。在本实施例中，第一输入信号01-1和第二输入信号01-2均为矩形波。

栅极驱动单元02中包含第一栅极驱动器02-1和第二栅极驱动器02-2，第一栅极驱动器02-1和 栅极驱动器02-2中均至少包含功率放大电路，用于将输入的信号进行放大。其中，第一输入信号01-1输入第一栅极驱动器02-1，第二输入信号01-2输入第二栅极驱动器02-2，第一栅极驱动器02-1和第二栅极驱动器02-2分别将第一输入信号01-1和第二输入信号01-2放大到足以驱动后级全桥电路中的MOSFET（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，金属-氧化物半导体场效应晶体管）。

全桥电路03用于将栅极驱动单元02的输出信号再次进行放大，产生激光驱动信号，该激光驱动信号足以驱动后级的激光二极管。全桥电路03由PMOS管Q1，NMOS管Q2，PMOS管Q3和NMOS管Q4组成。桥臂上的4个场效应管相当于四个开关，P型管在栅极为低电平时导通，高电平时关闭；N型管在栅极为高电平时导通，低电平时关闭。当第一栅极驱动器02-1输入高电平，第二栅极驱动器02-2输入低电平时，Q2和Q3导通，Q1和Q4关闭，此时，负载端B点的电位高于A点电位；当第一栅极驱动器02-1输入低电平，第二栅极驱动器02-2输入高电平时，Q1和Q4导通，Q2和Q3关闭，此时，负载端A点的电位高于B点的电位；当第一栅极驱动器02-1和第二栅极驱动器02-2均输入低电平时，此时Q1和Q3导通，Q2和Q4关闭，负载端A点和B点均为高电位，此时没有电流流动；当第一栅极驱动器02-1和第二栅极驱动器02-2均输入低电平时，Q2和Q4导通，Q1和Q3关闭，负载端A点和B点均为低电位，此时没有电流流动。根据以上分析可知，此全桥电路的优点在于，无论第一栅极驱动器02-1和第二栅极驱动器02-2输入高电平或者低电平，全桥都不会出现短路现象。

激光二极管04用于将电能转化为光能，用于产生纳秒窄脉冲激光。在图1中，只有当A点处于高电位，B点处于低电位时，激光二极管处于导通状态，此时能将电能转化为光能。其中激光二极管04可以为垂直腔面发射激光器(VCSEL, vertical cavity surfaceemitting laser)、面射型激光(SEL)二极管或边射型激光(EEL, edge emitting laser)二极管。

在工作过程时，第一输入信号01-1和第二输入信号01-2分别输入第一栅极驱动器02-1和第二栅极驱动器02-2，其中第二输入信号01-2相较于第一输入信号01-1延时dt的时间。第一栅极驱动器02-1和第二栅极驱动器02-2在第一输入信号01-1和第二输入信号01-2输入之后，产生了两个放大的驱动信号，两个放大的驱动信号延时为dt，将两个放大后的驱动信号输出给全桥电路03的两个桥臂。全桥电路03将输入的两个经过放大的驱动信号再次放大，在激光二极管04的阳极A点和阴极B点形成足以驱动激光二极管的电信号。只有当阳极A点处于高电位，阴极B点处于低电位时，激光二极管才能将电能转化为光能。由全桥电路的性质可知，只有当第一栅极驱动器02-1输入低电平，第二栅极驱动器02-2输入高电平时，Q1和Q4导通，Q2和Q3关闭，此时阳极A点处于高电位，阴极B点处于低电位。在一个时间周期内，只有dt的时间使得第一栅极驱动器02-1输入低电平，第二栅极驱动器02-2输入高电平，即激光二极管04阳极A点的电压只有在dt的时间内比阴极B点的电压高，从而使得激光二极管04在一个信号周期内只有dt的时间内能够发射出激光。此时，我们将能得到脉冲宽度为dt的光脉冲输出信号。

通过本发明设计的纳秒窄脉冲激光系统，可以利用信号的延时作用，使用较低速度的输入信号01-1和01-2来产生较高速度的光脉冲输出信号，本发明中采用的栅极驱动器和全桥电路均为常用器件，具有成本低，性价比高的特点。本发明采用常规器件能达到高可靠性，低成本的纳秒窄脉冲激光发射电路的设计需求。由于本发明中未采用专用的、性能较强的、价格较高的栅极驱动器和功率器件组合，成功降低了纳秒光脉冲发射电路的成本，为纳秒窄脉冲激光光源的量产化提供可靠的驱动方案。

本发明还包括一种纳秒窄脉冲激光的驱动方法，包括以下步骤：驱动信号生成步骤，将两个输入信号分别输入两个栅极驱动器，两个输入信号之间的延时为dt，栅极驱动器将接收到的输入信号进行放大，产生两个放大后的信号分别输入到全桥电路的两个桥臂，通过全桥电路产生激光驱动信号；输出步骤，将所述激光驱动信号输出到激光二极管。

以上所述仅是本发明的优选实施例而已，并非对本发明做任何形式上的限制，虽然本发明已以优选实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案的范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本实用发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (7)

1.一种纳秒窄脉冲激光发射系统，其特征在于，包括：

输入信号单元，用于产生第一输入信号和第二输入信号，所述第二输入信号较第一输入信号延时dt，所述延时dt为纳秒级；

栅极驱动单元，所述栅极驱动单元与所述输入信号单元相连；所述栅极驱动单元用于将输入信号单元的输入信号进行放大；所述栅极驱动单元包括第一栅极驱动器和第二栅极驱动器，所述第一栅极驱动器和第二栅极驱动器中至少包含功率放大电路；

全桥电路，所述全桥电路与所述栅极驱动单元相连；所述全桥电路用于将栅极驱动单元的输出信号再次进行放大，产生激光驱动信号，所述激光驱动信号足以驱动激光二极管；所述全桥电路的两个桥臂由PMOSFET和NMOSFET组成；所述全桥电路的桥臂分别与第一栅极驱动器和第二栅极驱动器相连；

激光二极管，所述激光二极管与所述全桥电路相连；所述激光二极管用于将电能转化为光能，产生激光脉冲信号。

2.如权利要求1中的纳秒窄脉冲激光发射系统，其特征在于，所述第一输入信号和第二输入信号为电压数字信号。

3.如权利要求1或2中的纳秒窄脉冲激光发射系统，其特征在于，所述第一输入信号和第二输入信号为矩形波信号。

4.如权利要求1中的纳秒窄脉冲激光发射系统，其特征在于，所述第二输入信号由第一输入信号通过RC电路或者器件延时产生。

5.如权利要求1中的纳秒窄脉冲激光发射系统，其特征在于，所述激光二极管包含下列之一：垂直腔面发射激光器、面射型激光二极管、边射型激光二极管。

6.如权利要求1中的纳秒窄脉冲激光发射系统，其特征在于，所述激光脉冲信号的脉冲宽度为第二输入信号相较于第一输入信号的延时dt。

7.一种纳秒窄脉冲激光驱动方法，其特征在于，包含以下步骤：

激光驱动信号生成步骤，将两个输入信号分别输入两个栅极驱动器，两个输入信号之间的延时为dt，栅极驱动器将接收到的输入信号进行放大，产生两个放大后的信号能驱动后级全桥电路中的MOSFET；将栅极驱动器的放大信号分别输入到全桥电路的两个桥臂，通过全桥电路产生激光驱动信号，所述激光驱动信号足以驱动激光二极管；

输出步骤，将所述激光驱动信号输出到激光二极管。

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