CN111244752B - 一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法 - Google Patents

一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法 Download PDF

Info

Publication number
CN111244752B
CN111244752B CN202010080022.9A CN202010080022A CN111244752B CN 111244752 B CN111244752 B CN 111244752B CN 202010080022 A CN202010080022 A CN 202010080022A CN 111244752 B CN111244752 B CN 111244752B
Authority
CN
China
Prior art keywords
laser
storage capacitor
charging
energy storage
pulse
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202010080022.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN111244752A (zh
Inventor
邱剑
刘克富
陈志文
颜颖颖
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Fudan University
Original Assignee
Fudan University
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fudan University filed Critical Fudan University
Priority to CN202010080022.9A priority Critical patent/CN111244752B/zh
Publication of CN111244752A publication Critical patent/CN111244752A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN111244752B publication Critical patent/CN111244752B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0427—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying modulation to the laser
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
    • G01S7/48—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S17/00
    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G01S7/4814—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements of transmitters alone
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
    • H01S5/00—Semiconductor lasers
    • H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
    • H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
    • H01S5/0428—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying pulses to the laser

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Condensed Matter Physics & Semiconductors (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Optics & Photonics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Semiconductor Lasers (AREA)

Abstract

本发明涉及半导体激光器的驱动模块及驱动方法、激光雷达及其驱动方法。该驱动模块包括储能电容、充电电感、单向导通元件，以及调节开关管。储能电容用于向半导体激光器提供瞬时大电流，半导体激光器响应于瞬时大电流而发射激光脉冲。充电电感电性连接充电电源，用于向储能电容充电。单向导通元件设于储能电容与充电电感之间，朝储能电容的方向电性导通。调节开关管配置为通过改变其导通时长来调节充电电感向储能电容提供的充电电流，从而调节储能电容端的电压值以调节激光脉冲的激光功率。本发明能够用于简化驱动电路的结构，并提升激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制速度，从而实现激光雷达的小型化，以及激光脉冲的峰值功率及脉宽的快速调制。

Description

一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法
技术领域
本发明涉及半导体激光器的驱动技术，尤其涉及一种半导体激光器的驱动模块、一种半导体激光器的驱动方法、一种采用该驱动模块调节探测距离的激光雷达，以及该激光雷达的驱动方法。
背景技术
在激光雷达探测领域，激光脉冲的峰值功率和脉宽直接影响其探测范围和探测精度。目前，用于激光雷达探测领域的激光光源需要提供1-25ns脉宽、大于100W的峰值功率。
对同一种半导体激光器而言，激光器输出的激光脉冲的峰值功率和脉宽主要取决于其驱动电路。此外，针对不同的应用场景及不同的探测距离，激光雷达探测系统对激光光源还有不同的峰值功率和脉宽需求，需要对激光器的峰值功率和脉宽实现快速调制。这就对激光器驱动电路提出了很高的要求。
然而，现有的激光雷达普遍存在驱动电路结构复杂、峰值功率及脉宽调制速度慢，以及峰值功率及脉宽调制范围小的缺陷。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本领域亟需一种半导体激光器的驱动技术，用于简化驱动电路的结构，并提升激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制速度，从而实现激光雷达的小型化，以及激光脉冲的峰值功率及脉宽的快速调制。
发明内容
以下给出一个或多个方面的简要概述以提供对这些方面的基本理解。此概述不是所有构想到的方面的详尽综览，并且既非旨在指认出所有方面的关键性或决定性要素亦非试图界定任何或所有方面的范围。其唯一的目的是要以简化形式给出一个或多个方面的一些概念以为稍后给出的更加详细的描述之序。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种半导体激光器的驱动模块、一种半导体激光器的驱动方法、一种采用该驱动模块调节探测距离的激光雷达，以及该激光雷达的驱动方法，用于简化驱动电路的结构，并提升激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制速度，从而实现激光雷达的小型化，以及激光脉冲的峰值功率及脉宽的快速调制。更进一步地，在本发明的一些实施例中，还可以优选地增大激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制范围。
本发明提供的上述半导体激光器的驱动模块，包括储能电容、充电电感、单向导通元件，以及开关管。所述储能电容用于向所述半导体激光器提供瞬时大电流，所述半导体激光器响应于所述瞬时大电流而发射激光脉冲。所述充电电感电性连接充电电源，用于向所述储能电容充电。所述单向导通元件设于所述储能电容与所述充电电感之间，朝所述储能电容的方向电性导通。所述开关管配置为通过改变其导通时长来调节所述充电电感向所述储能电容提供的充电电流，从而调节所述储能电容端的电压值以调节所述激光脉冲的激光功率。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述半导体激光器可以为激光雷达的激光发射单元，用于向待测目标发射激光脉冲。所述开关管可以配置为响应于所述激光雷达的激光接收单元无法从所述待测目标接收到反射激光，提升所述导通时长以增大所述充电电流，从而提升所述储能电容端的电压值以增大所述激光脉冲的功率。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述开关管可以串接于所述储能电容向所述半导体激光器供电的供电回路，并与所述充电电感构成充电电流调节回路。响应于所述开关管导通，所述储能电容可以向所述半导体激光器提供瞬时大电流以产生所述激光脉冲，所述充电电感上的电流值将随导通时长而提升。响应于所述开关管关断，所述充电电感可以以关断时刻的电流值为初始电流值向所述储能电容充电，所述充电电感上的电流值将随关断时长而降低，从而在所述储能电容端产生对应于目标激光功率的电压值。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述储能电容可以为小容值电容器。所述小容值电容器储存的电能适应于所述激光脉冲的激光功率。在所述导通时长内，所述小容值电容器储存的电能将全部提供给所述半导体激光器以产生所述激光脉冲。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述开关管为调节开关管，将所述充电电感接地以构成充电电流调节回路。所述驱动模块还可以包括放电开关管。所述放电开关管可以串接于所述储能电容向所述半导体激光器供电的供电回路。响应于所述放电开关管导通，所述储能电容可以向所述半导体激光器提供瞬时大电流以产生所述激光脉冲。响应于所述调节开关管导通，所述充电电感上的电流值将随所述调节开关管的导通时长而提升。响应于所述放电开关管和所述调节开关管关断，所述充电电感可以以关断时刻的电流值为初始电流值向所述储能电容充电，所述充电电感上的电流值将随所述放电开关管和所述调节开关管的关断时长而降低，从而在所述储能电容端产生对应于目标激光功率的电压值。通过使用调节开关管将充电电感接地，能够在调节充电电流时避免大电流流过半导体激光器，从而克服半导体激光器的最大工作电流对充电电流的限制，以进一步增大激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制范围。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述储能电容可以为大容值电容器。所述大容值电容器储存的部分电能可以在所述放电开关管的导通时长内提供给所述半导体激光器以产生所述激光脉冲。
优选地，在本发明的一些实施例中，所述放电开关管和所述调节开关管可以同时导通，所述放电开关管的导通时长不大于所述调节开关管的导通时长。
可选地，在本发明的一些实施例中，所述放电开关管可以配置为通过改变其导通时长来调节所述激光脉冲的脉冲宽度。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种半导体激光器的驱动方法。
本发明提供的上述半导体激光器的驱动方法，包括步骤：以电性连接充电电源的充电电感向储能电容充电；以设于所述储能电容与所述充电电感之间，并朝所述储能电容的方向电性导通的单向导通元件阻止电荷流回所述充电电感；以完成充电的储能电容向所述半导体激光器提供瞬时大电流，所述半导体激光器响应于所述瞬时大电流而发射激光脉冲；以及通过改变开关管的导通时长来调节所述充电电感向所述储能电容提供的充电电流，从而调节所述储能电容端的电压值以调节所述激光脉冲的激光功率。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种激光雷达。
本发明提供的上述激光雷达包括激光发射单元、上述任意一种驱动模块、激光接收单元，以及处理模块。所述激光发射单元用于向待测目标发射激光脉冲。所述驱动模块用于驱动所述激光发射单元。所述激光接收单元用于从所述待测目标接收反射激光。所述处理模块配置为根据所述激光脉冲的发射时刻与所述反射激光的接收时刻的时间差确定所述待测目标的距离，并调节所述激光脉冲的激光功率以探测不同距离的待测目标。
根据本发明的另一方面，本文还提供了一种激光雷达的驱动方法。
本发明提供的上述激光雷达的驱动方法，包括步骤：以电性连接充电电源的充电电感向储能电容充电；以设于所述储能电容与所述充电电感之间，并朝所述储能电容的方向电性导通的单向导通元件阻止电荷流回所述充电电感；以完成充电的储能电容向所述激光雷达的激光发射单元提供瞬时大电流，所述激光发射单元响应于所述瞬时大电流而向待测目标发射激光脉冲；以及通过改变调节开关管的导通时长来调节所述充电电感向所述储能电容提供的充电电流，从而调节储能电容端的电压值以调节所述激光脉冲的激光功率。
附图说明
在结合以下附图阅读本公开的实施例的详细描述之后，能够更好地理解本发明的上述特征和优点。在附图中，各组件不一定是按比例绘制，并且具有类似的相关特性或特征的组件可能具有相同或相近的附图标记。
图1示出了根据本发明的一个实施例提供的半导体激光器的驱动模块的电路示意图。
图2A示出了根据本发明的一个实施例提供的开关管Q1的导通时长与开关管Q1关断时刻储能电容端A的电压值的对应关系。
图2B示出了根据本发明的一个实施例提供的开关管Q1的导通时长与半导体激光器LD发出的激光脉冲的峰值功率的对应关系。
图3示出了根据本发明的一个优选的实施例提供的半导体激光器的驱动模块的电路示意图。
图4A示出了根据本发明的一个实施例提供的由储能电容C1向半导体激光器LD供电的示意图。
图4B示出了根据本发明的一个实施例提供的充电电感L1向地端短路放电的示意图。
图4C示出了根据本发明的一个实施例提供的由充电电感L1向储能电容C1充电的示意图。
图5示出了根据本发明的一个实施例提供的半导体激光器的驱动方法的流程示意图。
附图标记
U1 充电电源；
L1 充电电感；
D1 二极管；
C1 储能电容；
Q1 开关管；
Q2 调节开关管；
Q3 放电开关管；
LD 半导体激光器；
A 储能电容端；
501-504 半导体激光器的驱动方法的步骤。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。虽然本发明的描述将结合优选实施例一起介绍，但这并不代表此发明的特征仅限于该实施方式。恰恰相反，结合实施方式作发明介绍的目的是为了覆盖基于本发明的权利要求而有可能延伸出的其它选择或改造。为了提供对本发明的深度了解，以下描述中将包含许多具体的细节。本发明也可以不使用这些细节实施。此外，为了避免混乱或模糊本发明的重点，有些具体细节将在描述中被省略。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
另外，在以下的说明中所使用的“上”、“下”、“左”、“右”、“顶”、“底”、“水平”、“垂直”应被理解为该段以及相关附图中所绘示的方位。此相对性的用语仅是为了方便说明之用，其并不代表其所叙述的装置需以特定方位来制造或运作，因此不应理解为对本发明的限制。
能理解的是，虽然在此可使用用语“第一”、“第二”、“第三”等来叙述各种组件、区域、层和/或部分，这些组件、区域、层和/或部分不应被这些用语限定，且这些用语仅是用来区别不同的组件、区域、层和/或部分。因此，以下讨论的第一组件、区域、层和/或部分可在不偏离本发明一些实施例的情况下被称为第二组件、区域、层和/或部分。
如上所述，现有的激光雷达普遍存在驱动电路结构复杂、峰值功率及脉宽调制速度慢，以及峰值功率及脉宽调制范围小的缺陷。
为了克服现有技术存在的上述缺陷，本发明提供了一种半导体激光器的驱动模块、一种半导体激光器的驱动方法、一种采用该驱动模块调节探测距离的激光雷达，以及该激光雷达的驱动方法，用于简化驱动电路的结构，并提升激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制速度，从而实现激光雷达的小型化，以及激光脉冲的峰值功率及脉宽的快速调制。更进一步地，在本发明的一些实施例中，还可以优选地增大激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制范围。
请参考图1，图1示出了根据本发明的一个实施例提供的半导体激光器的驱动模块的电路示意图。
如图1所示，在本发明的一些实施例中，半导体激光器的驱动模块可以包括储能电容C1、充电电感L1、单向导通元件D1，以及开关管Q1。
上述储能电容C1可以预先充电，以用于向半导体激光器LD提供瞬时大电流。在一些实施例中，半导体激光器LD包括但不限于激光二极管。该半导体激光器LD可以响应于该瞬时大电流的供电而发射激光脉冲。此时，半导体激光器LD正向偏置，可以在电路结构中等效为短路状态。
上述充电电感L1可以电性连接充电电源U1，以用于向储能电容C1充电。在一些实施例中，充电电源U1可以选用常规的直流充电电源。通过设置上述储能电容C1，以先使用充电电源U1向储能电容C1进行预充电，再由储能电容C1向半导体激光器LD提供瞬时大电流的供电方式，可以有效地克服常规的直流充电电源U1普遍存在的瞬时功率不足的缺陷，从而避免充电电源U1在放电时出现输出电压明显下降的问题。本领域的技术人员可以理解，上述瞬时大电流是相应于充电电源U1的充电电流（约为1mA~100mA）而言的大电流，可以达到10A~100A的范围。
上述单向导通元件D1可以设于储能电容C1与充电电感L1之间，并朝向储能电容C1的方向电性导通。在一些实施例中，单向导通元件D1可以选用二极管。通过设置上述单向导通元件D1，可以在允许充电电感L1向储能电容C1充电的前提下，阻止储能电容C1上储存的电荷反向流回充电电感L1，从而为储能电容端A的电压值大于充电电源U1输出端的电压值提供可能性，以便实现储能电容端A的升压控制。
上述开关管Q1配置为通过改变其导通时长来调节充电电感L1向储能电容C1提供的充电电流，从而实现调节储能电容端A的电压值以调节激光脉冲的激光功率的效果。在一些实施例中，开关管Q1包括但不限于金属-氧化物半导体场效应晶体管（Metal-Oxide-Semiconductor Field-Effect Transistor，MOSFET）、绝缘栅双极型晶体管（InsulatedGate Bipolar Transistor，IGBT）、双极结型晶体管（Bipolar Junction Transistor，BJT）及其他固态开关管。在一些实施例中，开关管Q1可以配置一个反向并联的二极管，用于防止开关管Q1受反向电压击穿而损坏。
在一些实施例中，本发明提供的上述半导体激光器的驱动模块可以应用于激光雷达。该激光雷达可以包括激光发射单元（即上述半导体激光器LD）、上述驱动模块、激光接收单元，以及处理模块。该激光发射单元LD可以用于向待测目标发射激光脉冲。该驱动模块可以用于驱动激光发射单元LD。该激光接收单元可以用于从待测目标接收反射激光。该处理模块可以配置为根据激光脉冲的发射时刻与反射激光的接收时刻的时间差，确定待测目标到激光雷达的距离；并通过调节激光脉冲的激光功率来探测不同距离的待测目标。
具体来说，在一些实施例中，开关管Q1可以配置为先以预设的基准导通时长t0导通，驱动激光发射单元LD向待测目标发射基准功率P0的激光脉冲。响应于激光接收单元无法从待测目标接收到反射激光，开关管Q1可以提升其导通时长以增大充电电流，从而提升储能电容端A的电压值以增大激光脉冲的功率。在一些优选的实施例中，若激光接收单元仍无法从待测目标接收到反射激光，开关管Q1还可以进一步提升其导通时长以进一步增大充电电流，从而进一步提升储能电容端A的电压值以进一步增大激光脉冲的功率。开关管Q1可以循环该操作，直到激光接收单元从待测目标接收到反射激光，再由处理模块根据激光脉冲的发射时刻与反射激光的接收时刻的时间差来确定待测目标到激光雷达的距离。
在一些实施例中，开关管Q1的开通与关断可以由处理模块控制执行。也就是说，开关管Q1的导通时长可以由激光雷达的处理模块根据不同的探测距离需求而自由地设定和调整。在一些实施例中，处理模块可以采用现场可编程逻辑门阵列（Field ProgrammableGate Array，FPGA）向开关管Q1的触发极提供触发信号，以控制开关管Q1的开通与关断，从而设定并调整其导通时长。
如图1所示，在本发明的一些实施例中，开关管Q1可以串接于储能电容C1向半导体激光器LD供电的供电回路，并与充电电感L1构成充电电流调节回路。
响应于开关管Q1导通，储能电容C1将向半导体激光器LD提供瞬时大电流以产生激光脉冲。此时，半导体激光器LD正向偏置，可以在电路结构中等效为短路状态。充电电感L1将通过充电电流调节回路向地端放电，其电流值将随开关管Q1的导通时长而提升。因此，需要在充电电感L1上的电流达到半导体激光器LD最大工作电流（或最大功率）前，关断开关管Q1以防止半导体激光器LD的过流损坏。
响应于开关管Q1关断，充电电感L1将利用线圈上储存的磁能，以关断时刻的电流值I0为初始电流值向储能电容C1充电。随着充电电感L1上储存的磁能充入储能电容C1以转换为电能，充电电感L1上的电流值将随关断时长而逐渐降低。在关断时长足够的情况下，充电电感L1上的电流值将最终归零，并在储能电容端A产生对应于目标激光功率的电压值。此时，在二极管D1的作用下，储能电容端A的电压值可能大于充电电源U1输出端的电压值，以便于在电容值较小的小容值电容器上储存足以适应于一个激光脉冲的激光功率的电能。
在一些实施例中，储能电容C1可以选用1nF的小容值电容器；充电电感L1可以选用10μH的电感元件；充电电源U1可以选用输出电压为30V的直流电压源；半导体激光器LD可以选用型号为SPL DS90A_3的激光二极管，其标称最大功率为130W。小容值电容器C1可以在开关管Q1的导通时长内，将其储存的全部电能提供给半导体激光器LD以产生激光脉冲。通过改变开关管Q1的导通时长，可以调节充电电感L1上的电流值以改变其储存的磁能，从而调节完成充电后储能电容端A的电压值以调节半导体激光器LD发出的激光脉冲的峰值功率。
请参考图2A和图2B，图2A示出了根据本发明的一个实施例提供的开关管Q1的导通时长与开关管Q1关断时刻储能电容端A的电压值的对应关系。图2B示出了根据本发明的一个实施例提供的开关管Q1的导通时长与半导体激光器LD发出的激光脉冲的峰值功率的对应关系。
如图2A和2B所示，在一个实施例中，对应于开关管Q1在一个脉冲中的导通时长为60ns，开关管Q1关断时刻储能电容端A的电压值约为60V。相应地，半导体激光器LD发出的激光脉冲的峰值功率约为122W。激光脉冲的脉宽约为2.05ns。在另一个实施例中，对应于开关管Q1在一个脉冲中的导通时长为70ns，开关管Q1关断时刻储能电容端A的电压值约为62V。相应地，半导体激光器LD发出的激光脉冲的峰值功率约为127W。激光脉冲的脉宽正相关于激光脉冲的峰值功率而有所增大。如此，依次递增开关管Q1在一个脉冲中的导通时长，可以逐个获取对应的储能电容端A的电压值UA和对应的激光脉冲的峰值功率P。
通过对各导通时长t、电压值UA和峰值功率P进行曲线拟合，可获得各变量之间的对应关系。例如：各导通时长t与峰值功率P之间的对应关系：当60ns<t<120ns时，P=0.277t+105.232；当t >120ns时，激光器LD功率饱和，即调节达到最大范围，P=138W。
在一些实施例中，基于上述对应关系，激光雷达可以响应于其激光接收单元无法从待测目标接收到反射激光，而增大开关管Q1的导通时长t以提升充电电感L1在开关管Q1关断时刻的电流值I0（即提升充电电感L1的线圈上储存的磁能），从而通过提升开关管Q1关断时刻储能电容端A的电压值UA来调节半导体激光器LD发出的激光脉冲的峰值功率P。如此循环该操作，直到激光接收单元从待测目标接收到反射激光，再由处理模块根据激光脉冲的发射时刻与反射激光的接收时刻的时间差来确定待测目标到激光雷达的距离。
本领域的技术人员可以理解，上述1nF的小容值电容器只是本发明提供的一个实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。可选地，在其他实施例中，上述小容值电容器也可以选用任何能在其工作电压范围内，高效地储存并提供发出一个激光脉冲所需电能的任意容值的电容器。
本领域的技术人员还可以理解，图1所示的驱动模块的电路结构只是本发明提供的一个实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种便于公众实施的具体方案，而非用于限制本发明的保护范围。
优选地，在另一个实施例中，还提供了一种可以自由调节激光脉冲脉宽的驱动模块的电路结构。该驱动模块可以不受半导体激光器LD最大工作电流（或最大功率）的限制，进一步提升充电电感L1上的电流值以增大激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制范围。
请参考图3，图3示出了根据本发明的一个优选的实施例提供的半导体激光器的驱动模块的电路示意图。
如图3所示，在本发明的一些实施例中，半导体激光器的驱动模块可以包括储能电容C1、充电电感L1、单向导通元件D1、调节开关管Q2，以及放电开关管Q3。调节开关管Q2将充电电感L1直接接地以构成充电电流调节回路，从而使充电电感L1上的电流绕过半导体激光器LD以避免其过流损坏。放电开关管Q3串接于储能电容C1向半导体激光器LD供电的供电回路，用于控制储能电容C1是否向半导体激光器LD供电以发射激光脉冲。在一些实施例中，调节开关管Q2和放电开关管Q3可以分别配置一个反向并联的二极管，用于防止调节开关管Q2和放电开关管Q3受反向电压击穿而损坏。
请进一步参考图4A-4C，图4A示出了根据本发明的一个实施例提供的由储能电容C1向半导体激光器LD供电的示意图。图4B示出了根据本发明的一个实施例提供的充电电感L1向地端短路放电的示意图。图4C示出了根据本发明的一个实施例提供的由充电电感L1向储能电容C1充电的示意图。
如图4A所示，在一些实施例中，响应于放电开关管Q3导通，储能电容C1可以向半导体激光器LD提供瞬时大电流以产生激光脉冲。此时，半导体激光器LD正向偏置，可以在电路结构中等效为短路状态。驱动模块可以通过关断放电开关管Q3来自由地截止激光脉冲。也就是说，在本实施例中，可以通过改变放电开关管Q3的导通时长来自由地调节激光脉冲的脉冲宽度。
如图4B所示，在一些实施例中，响应于调节开关管Q2导通，充电电感L1的一端电性连接直流电源U1，另一端电性接地。充电电感L1上的电流值将随调节开关管Q2的导通时长而逐渐提升。直到充电电感L1上储存的磁能足以为储能电容C1充电到需要的目标电压值，再关断调节开关管Q2以结束充电电流的调节步骤。通过改变调节开关管Q2的导通时长，可以调节充电电感L1上的电流值以改变其储存的磁能，从而调节完成充电后储能电容端A的电压值以调节半导体激光器LD发出的激光脉冲的峰值功率。由于在调节过程中，充电电流直接从调节开关管Q2流向地端而不经过半导体激光器LD，充电电流的电流值不受半导体激光器LD最大工作电流（或最大功率）的限制，而可以在充电电感L1和调节开关管Q2的工作范围内任意地提升，从而进一步增大激光脉冲的峰值功率及脉宽的调制范围。
如图4C所示，在一些实施例中，响应于放电开关管Q3和调节开关管Q2同时关断，充电电感L1将利用线圈上储存的磁能，以关断时刻的电流值I0为初始电流值向储能电容C1充电。随着充电电感L1上储存的磁能充入储能电容C1以转换为电能，充电电感L1上的电流值将随放电开关管Q3和调节开关管Q2的关断时长而降低。在关断时长足够的情况下，充电电感L1上的电流值将最终归零，并在储能电容端A产生对应于目标激光功率的电压值。此时，在二极管D1的作用下，储能电容端A的电压值可能大于充电电源U1输出端的电压值，以便于在储能电容C1上储存足以稳定地供应一个激光脉冲的激光功率的电能。
在一些实施例中，储能电容C1可以选用几十μF量级的大容值电容器（例如：47μF）；充电电感L1可以选用10μH的电感元件；充电电源U1可以选用输出电压为30V的直流电压源；半导体激光器LD可以选用型号为SPL DS90A_3的激光二极管，其标称最大功率为130W。大容值电容器C1可以在放电开关管Q3的导通时长内，将其储存的小部分电能提供给半导体激光器LD以产生激光脉冲。通过选用容值足够大的储能电容C1，可以任意地改变放电开关管Q3的导通时长来获取具有相同脉冲宽度的激光脉冲。此外，通过选用容值足够大的储能电容C1，在每次放电过程中储能电容C1上的电压将几乎不会下降，从而可以稳定地向半导体激光器LD供应一个激光脉冲的激光功率的电能以产生峰值功率稳定的激光脉冲。
本领域的技术人员可以理解，上述几十μF量级的大容值电容器只是本发明提供的一个优选的实施例，主要用于清楚地展示本发明的构思，并提供一种能够产生峰值功率稳定的激光脉冲的优选方案，而非用于限制本发明的保护范围。可选地，在其他实施例中，上述储能电容C1也可以选用其他容值的电容器以实现基本的供电效果。
在一些实施例中，可以采用同时导通放电开关管Q3和调节开关管Q2，并设置放电开关管Q3导通时长不大于调节开关管Q2导通时长的方式，确保不会出现调节开关管Q2先关断而放电开关管Q3仍导通的情况，以避免充电电感L1上过大的电流流经半导体激光器LD而使其过流损坏。
尽管在上述实施例中，将半导体激光器的驱动方法描述为：先向半导体激光器LD提供瞬时大电流以发射激光脉冲；同时通过改变调节开关管Q2的导通时长来调节充电电感L1向储能电容C1提供的充电电流，以调节激光脉冲的激光功率；再使用充电电感L1以该充电电流为初始电流对储能电容C1充电，以获得对应于目标激光功率的激光脉冲。但是，本领域的技术人员应当理解，本发明提供的上述驱动方法并不受这些动作的次序所限。因为根据一个或多个实施例，一些动作可按不同次序发生和/或与来自本文中图示和描述或本文中未图示和描述但本领域技术人员可以理解的其他动作并发地发生。
请参考图5，图5示出了根据本发明的一个实施例提供的半导体激光器的驱动方法的流程示意图。
如图5所示，在另一些实施例中，上述半导体激光器的驱动方法也可以按照以下次序来进行：
501：以电性连接充电电源U1的充电电感L1向储能电容C1充电；
502：以设于储能电容C1与充电电感L1之间，并朝储能电容C1的方向电性导通的单向导通元件D1阻止电荷流回充电电感L1；
503：以完成充电的储能电容C1向半导体激光器LD提供瞬时大电流，以使该半导体激光器LD响应于瞬时大电流而发射激光脉冲；以及
504：通过改变开关管Q1或Q2的导通时长来调节充电电感L1向储能电容C1提供的充电电流，从而调节储能电容端A的电压值以调节激光脉冲的激光功率。
本领域的技术人员可以理解，上述半导体激光器的驱动方法可以配合上述任意一个实施例所提供的半导体激光器的驱动器来实施。相应地，该驱动方法也可以具备上述任意一个实施例所提供的驱动器的技术特征，并能取得相应的技术效果。
提供对本公开的先前描述是为使得本领域任何技术人员皆能够制作或使用本公开。对本公开的各种修改对本领域技术人员来说都将是显而易见的，且本文中所定义的普适原理可被应用到其他变体而不会脱离本公开的精神或范围。由此，本公开并非旨在被限定于本文中所描述的示例和设计，而是应被授予与本文中所公开的原理和新颖性特征相一致的最广范围。

Claims (5)

1.一种半导体激光器的驱动模块，其特征在于，包括：
储能电容，用于向所述半导体激光器提供瞬时大电流，所述半导体激光器响应于所述瞬时大电流而发射激光脉冲；
充电电感，电性连接充电电源，用于向所述储能电容充电；
单向导通元件，设于所述储能电容与所述充电电感之间，朝所述储能电容的方向电性导通；以及
开关管，串接于所述储能电容向所述半导体激光器供电的供电回路，与所述充电电感构成充电电流调节回路，并被配置为通过改变单脉冲的导通时长来调节所述充电电感在对应脉冲向所述储能电容提供的充电电流，从而调节所述储能电容在对应脉冲的电压值，以调节对应的激光脉冲的激光功率，其中，
响应于所述开关管导通，所述储能电容向所述半导体激光器提供瞬时大电流以产生所述激光脉冲，所述充电电感上的电流值随导通时长而提升，
响应于所述开关管关断，所述充电电感以关断时刻的电流值为初始电流值向所述储能电容充电，所述充电电感上的电流值随关断时长而降低，从而在所述储能电容端产生对应于目标激光功率的电压值。
2.如权利要求1所述的驱动模块，其特征在于，所述半导体激光器为激光雷达的激光发射单元，用于向待测目标发射激光脉冲，
所述开关管配置为响应于所述激光雷达的激光接收单元无法从所述待测目标接收到反射激光，提升所述导通时长以增大所述充电电流，从而提升所述储能电容端的电压值以增大所述激光脉冲的功率。
3.如权利要求1所述的驱动模块，其特征在于，所述储能电容为小容值电容器，所述小容值电容器储存的电能适应于所述激光脉冲的激光功率，在所述导通时长内全部提供给所述半导体激光器以产生所述激光脉冲。
4.一种半导体激光器的驱动方法，其特征在于，包括：
以电性连接充电电源的充电电感向储能电容充电；
以设于所述储能电容与所述充电电感之间，并朝所述储能电容的方向电性导通的单向导通元件阻止电荷流回所述充电电感；
以完成充电的储能电容向所述半导体激光器提供瞬时大电流，所述半导体激光器响应于所述瞬时大电流而发射激光脉冲；以及
通过改变开关管在单脉冲的导通时长来调节所述充电电感在对应脉冲向所述储能电容提供的充电电流，从而调节所述储能电容在对应脉冲的电压值，以调节对应的激光脉冲的激光功率，其中，
响应于所述开关管导通，所述储能电容向所述半导体激光器提供瞬时大电流以产生所述激光脉冲，所述充电电感上的电流值随导通时长而提升，
响应于所述开关管关断，所述充电电感以关断时刻的电流值为初始电流值向所述储能电容充电，所述充电电感上的电流值随关断时长而降低，从而在所述储能电容端产生对应于目标激光功率的电压值。
5.一种激光雷达，其特征在于，包括：
激光发射单元，用于向待测目标发射激光脉冲；
如权利要求1-3中任一项所述的驱动模块，用于驱动所述激光发射单元；
激光接收单元，用于从所述待测目标接收反射激光；以及
处理模块，配置为根据所述激光脉冲的发射时刻与所述反射激光的接收时刻的时间差确定所述待测目标的距离，并调节所述激光脉冲的激光功率以探测不同距离的待测目标。
CN202010080022.9A 2020-02-04 2020-02-04 一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法 Active CN111244752B (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010080022.9A CN111244752B (zh) 2020-02-04 2020-02-04 一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202010080022.9A CN111244752B (zh) 2020-02-04 2020-02-04 一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN111244752A CN111244752A (zh) 2020-06-05
CN111244752B true CN111244752B (zh) 2023-05-30

Family

ID=70871450

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202010080022.9A Active CN111244752B (zh) 2020-02-04 2020-02-04 一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN111244752B (zh)

Families Citing this family (8)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN111751802B (zh) * 2020-07-27 2021-07-13 北京工业大学 一种光子级自适应高灵敏度空间微弱目标探测系统及探测方法
WO2022042548A1 (zh) * 2020-08-24 2022-03-03 上海禾赛科技有限公司 电源单元、包括其的发射装置及控制方法
CN112098978B (zh) * 2020-09-14 2024-03-26 哈工大机器人（合肥）国际创新研究院 提高tof相机激光器导通速度、降低驱动功耗的系统及方法
CN112955777A (zh) * 2021-02-07 2021-06-11 深圳阜时科技有限公司 发光裸片、发射模组、感测装置和电子设备
CN113252139A (zh) * 2021-06-28 2021-08-13 北京锐达仪表有限公司 调整发射信号波形的导波雷达物位计
CN113725724B (zh) * 2021-09-01 2024-02-27 上海沛塬电子有限公司 一种激光脉冲发射集成电路模组、制造方法及系统
WO2024004458A1 (ja) * 2022-06-29 2024-01-04 ローム株式会社 発光素子駆動回路、および発光装置
CN116499717A (zh) * 2023-06-27 2023-07-28 成都沃达惠康科技股份有限公司 一种基于激光晶体的测试系统

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
GB2286483A (en) * 1994-02-04 1995-08-16 Chung Hyung Dong High power, pulsed laser diode driver incorporating low impedance storage capacitor
CN101588014A (zh) * 2009-06-02 2009-11-25 上海华魏光纤传感技术有限公司 一种窄脉冲大电流半导体激光器驱动电路
CN202276062U (zh) * 2011-11-02 2012-06-13 吉林市江机民科实业有限公司 一种电量控制脉冲激光驱动器
CN103474873A (zh) * 2013-09-06 2013-12-25 中国科学院半导体研究所 一种窄脉宽的大功率半导体激光器驱动电路
CN109391006A (zh) * 2018-11-14 2019-02-26 深圳市速腾聚创科技有限公司 供能电路以及激光雷达装置

Also Published As

Publication number Publication date
CN111244752A (zh) 2020-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CN111244752B (zh) 一种激光雷达、半导体激光器的驱动模块及驱动方法
US10777967B2 (en) Pulsed laser diode drivers and methods
US10903621B2 (en) Circuit for driving a laser and method therefor
US8278896B2 (en) Switching power supply device
US6972548B2 (en) Pulse frequency modulated voltage regulator capable of prolonging a minimum off-time
US7391165B2 (en) Discharge lamp lighting control device
EP3367519B1 (en) System for driving a pulsed laser diode pump
US20040252087A1 (en) Drive device and drive method for light emitting display panel
US9667022B1 (en) Distributed laser power architecture for laser diode arrays
KR101905343B1 (ko) 저입력 및 저출력 리플을 갖는 벅 컨트롤러를 사용하는 플로팅 출력 전압 부스트 벅 조절기
CN109391006A (zh) 供能电路以及激光雷达装置
US6674247B1 (en) Efficient photographic flash
KR101400475B1 (ko) 전류원의 시간지연 기능을 갖는 엘이디 구동회로
US9420675B2 (en) Driver circuit for a flash tube
CA2523177A1 (en) Step-down controller circuit
US20160135260A1 (en) Switching circuit for light-emitting diode
KR101942494B1 (ko) 하이브리드 제어 타입의 교류 직접 구동 엘이디 장치
US11310882B2 (en) Circuit for generating a DC voltage supply and a driver circuit using the DC voltage supply circuit
WO2014186776A1 (en) Charge pump-based circuitry for bjt power supply
US10560018B2 (en) Modulated power supply
CN105659699B (zh) 电路布置、发光二极管组装以及用于激励光电组件的方法
KR101545253B1 (ko) 계자 방전 저항 없는 발전기의 출력 전압 제어 장치
US20230417881A1 (en) Light Emitting Device
Yuan et al. A new interleaved pulsed power converter topology with improvement of response speed
CN117202458A (zh) 调光控制电路及装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant