CN111896102B - 一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路及方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路及方法。该电路包括采样与放大单元、阈值电压剔除单元、光能量获得单元、极性变换单元、预警单元和控制单元。通过采用采样与放大单元实时采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压后依次经过阈值电压剔除单元、光能量获得单元和极性变换单元的处理，得到某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量，再通过预警单元根据预先设置的半导体激光器的激光能量设定值判断出该半导体激光器的激光能量是否超标。该电路体积小、成本低，可以直接设置在半导体激光器中，解决了现有半导体激光设备不易将功率计或能量计直接集成到其内部的问题。

Description

一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路及方法
技术领域
本公开涉及一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，同时也涉及相应的预警方法，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
半导体激光器在使用时，在很多场合下都需要实时检测并判断其输出的激光脉冲能量是否超出激光脉冲能量设定值，若超出激光脉冲能量设定值，需要及时进行报警，以便及时关断半导体激光器。
现有技术中，通常采用功率计或能量计测量半导体激光器输出的激光脉冲能量，并判断该激光脉冲能量是否超出激光脉冲能量设定值。这些方法的好处是测量结果准确、真实、可靠，但功率计或能量计的体积较大且成本较高，而且存在和控制电路通信的问题，需要半导体激光设备本身有足够的空间进行安装，而现有的半导体激光设备（包括但不限于半导体激光美容设备和半导体激光加工设备等）在很多情况下，存在不易直接将功率计或能量计安装到其内部的问题。如果将功率计或能量计安装在半导体激光设备的外部，不仅增加了半导体激光设备的体积，还影响了其整体上的美观性。
发明内容
本公开所要解决的首要技术问题在于提供一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路。
本公开所要解决的另一技术问题在于提供一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警方法。
为了实现上述目的，本公开采用下述技术方案：
根据本发明实施例的第一方面，提供一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，包括采样与放大单元、阈值电压剔除单元、光能量获得单元、极性变换单元、预警单元和控制单元，所述采样与放大单元一方面连接外部的半导体激光器的恒流驱动电路，另一方面连接所述阈值电压剔除单元，所述阈值电压剔除单元连接所述光能量获得单元，所述光能量获得单元分别连接所述极性变换单元与所述控制单元，所述极性变换单元、所述控制单元分别连接所述预警单元；
所述采样与放大单元，用于采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压；
所述阈值电压剔除单元，用于消除采样电压中的半导体激光器的阈值电压，得到半导体激光器的激光功率电压值；
所述光能量获得单元，用于根据半导体激光器的激光功率电压值，获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量；
所述预警单元，用于根据控制单元设置的半导体激光器的激光能量设定值，判断某一时间段的半导体激光器的光脉冲能量是否超标。
其中较优地，所述采样与放大单元，包括采样电阻、第一电阻、第二电阻、同相运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第一电压跟随器；所述采样电阻的一端分别连接所述恒流驱动电路的输出端与所述第一电阻的一端，所述采样电阻的另一端接地，所述第一电阻的另一端连接所述同相运算放大器的正相输入端，所述同相运算放大器的反相输入端与地之间串联所述第二电阻，所述同相运算放大器的反相输入端与输出端之间并联所述第三电阻，所述同相运算放大器的输出端与所述第一电压跟随器的正相输入端之间串联所述第四电阻，所述第一电压跟随器的反相输入端与输出端之间并联所述第五电阻。
其中较优地，所述第一电阻的阻值等于所述第二电阻与所述第三电阻并联后的阻值。
其中较优地，所述阈值电压剔除单元，包括阈值电压调节模块和阈值电压剔除模块，所述阈值电压调节模块连接所述阈值电压剔除模块，所述阈值电压剔除模块连接所述第一电压跟随器的输出端。
其中较优地，所述阈值电压调节模块包括电位器、第二十二电阻、第二电压跟随器和第六电阻；所述电位器的一端连接电源电压，所述电位器的中间端分别连接所述第二十二电阻的一端、所述第二电压跟随器的正相输入端，所述电位器的余下端及所述第二十二电阻的另一端分别接地，所述第二电压跟随器的反相输入端与输出端之间并联所述第六电阻。
其中较优地，所述阈值电压剔除模块，包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、减法器、第十一电阻、第十二电阻和第三电压跟随器；所述第七电阻的一端连接所述第二电压跟随器的输出端，所述第七电阻的另一端分别连接所述第九电阻的一端、所述减法器的反相输入端，所述第九电阻的另一端分别连接所述第十一电阻的一端、所述减法器的输出端，所述第八电阻的一端连接所述第一电压跟随器的输出端，所述第八电阻的另一端分别连接所述第十电阻的一端、所述减法器的正相输入端，所述第十电阻的一另端接地，所述第十一电阻的另一端连接所述第三电压跟随器的正相输入端，所述第三电压跟随器的反相输入端与输出端之间并联所述第十二电阻。
其中较优地，所述第七电阻与所述第十一电阻的阻值相等，所述第九电阻与所述第十电阻的阻值相等。
其中较优地，所述光能量获得单元包括第十三电阻、第十四电阻、积分运算放大器、电容、第十五电阻、模拟开关和第十六电阻；所述第十三电阻的一端连接所述第三电压跟随器的输出端，所述第十三电阻的另一端分别连接所述积分运算放大器的反相输入端、所述电容的一端以及所述第十五电阻的一端，所述第十五电阻的另一端连接所述模拟开关的常开端，所述模拟开关的输入端连接所述控制单元，所述模拟开关的电源电压端与接地端相应的连接电源电压及地线，所述积分运算放大器的正相输入端与地之间串联所述第十四电阻，所述积分运算放大器的输出端分别连接所述电容的另一端、所述模拟开关的公共端以及所述第十六电阻的一端。
其中较优地，在每一次获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量之前，所述控制单元控制所述模拟开关的常开端与其公共端导通，使所述电容在每次充电之前，提前将电荷全部泄放。
其中较优地，所述极性变换单元包括反相运算放大器、第十七电阻和第十八电阻，所述反相运算放大器的反相输入端与输出端之间串联所述第十七电阻，所述反相运算放大器的正相输入端与地线之间串联第十八电阻。
其中较优地，所述预警单元包括比较器、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻和数模转换器；所述比较器的正相输入端通过所述第十九电阻连接所述反相运算放大器的输出端，所述比较器的反相输入端通过所述第二十电阻连接所述数模转换器的一个输出端，所述比较器的输出端通过所述第二十一电阻连接所述控制单元，所述数模转换器的串行时钟端和串行数据端分别连接所述控制单元，所述数模转换器的地址端和接地端分别连接地，所述数模转换器的电源端和参考端分别连接电源电压。
根据本发明实施例的第二方面，提供一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警方法，应用于上述的预警电路，包括如下步骤：
采样与放大单元采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压；
阈值电压剔除单元剔除放大后的采样电压中的半导体激光器的阈值电压，得到半导体激光器的激光功率电压值；
光能量获得单元根据半导体激光器的激光功率电压值，获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量；
预警单元根据控制单元设置的半导体激光器的激光能量设定值，判断某一时间段的半导体激光器的光脉冲能量是否超标。
本公开利用在特定的温度环境下，半导体激光器的激光输出功率与流过半导体激光器的电流成线性关系这一特点，采用采样与放大单元实时采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压后依次经过阈值电压剔除单元、光能量获得单元和极性变换单元的处理，得到某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量，通过预警单元根据预先设置的半导体激光器的激光能量设定值判断出该半导体激光器的激光能量是否超标。该预警电路的体积小、成本低，可以直接设置在半导体激光器的控制电路中，解决了现有半导体激光设备很难将体积大、成本高的功率计或能量计等集成到其内部的问题。
附图说明
图1为本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路的原理框图；
图2为本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路中，采样与放大单元的电路原理图；
图3为本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路中，阈值电压剔除单元的电路原理图；
图4为本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路中，光能量获得单元的电路原理图；
图5为本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路中，极性变换单元的电路原理图；
图6为本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路中，预警单元的电路原理图；
图7为本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警方法的流程图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本公开的技术内容做进一步的详细说明。
为解决现有的半导体激光设备将功率计或能量计直接集成到其内部时存在的体积大、成本高以及附加通信不易等问题，本公开实施例提供了一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路。该预警电路利用在特定的温度下，半导体激光器的激光输出功率与流过半导体激光器的电流成线性关系这一特点，实时采样流过半导体激光器的电流，并对该电流进行一系列的处理后，得到某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量，并与预先设置的半导体激光器的激光能量设定值进行比较，从而判断出该半导体激光器的激光能量是否超标，若超标，则及时进行预警。
其中，半导体激光器的激光输出功率
Figure 107142DEST_PATH_IMAGE001
表示为：
Figure 250547DEST_PATH_IMAGE002
（1）
上式中，
Figure 928653DEST_PATH_IMAGE003
表示流过半导体激光器的电流；
Figure 848330DEST_PATH_IMAGE004
表示半导体激光器的阈值电流；
Figure 764333DEST_PATH_IMAGE005
表示斜率效率。根据公式（1）可以得到流过半导体激光器的电流
Figure 813061DEST_PATH_IMAGE003
，具体表示为：
Figure 509621DEST_PATH_IMAGE006
(2)
例如，对于一个典型40W的单一半导体激光器阵列（又称巴条），其工作电压约1.7～2.0V，半导体激光器的阈值电流
Figure 403628DEST_PATH_IMAGE004
约为5A，阈值电流
Figure 908559DEST_PATH_IMAGE004
以上，每增加1A电流，半导体激光器的激光输出功率
Figure 689039DEST_PATH_IMAGE001
增加1.2A，即斜率效率为1.2W/A。因此，当流过半导体激光器的电流
Figure 545000DEST_PATH_IMAGE003
为35A时，半导体激光器的激光输出功率Po=1.2*(35-5)=36W。
如图1所示，本公开实施例提供的一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路中，包括采样与放大单元1、阈值电压剔除单元2、光能量获得单元3、极性变换单元4、预警单元5和控制单元6，采样与放大单元1一方面连接外部的半导体激光器的恒流驱动电路，另一方面连接阈值电压剔除单元2，阈值电压剔除单元2连接光能量获得单元3，光能量获得单元3分别连接极性变换单元4与控制单元6，极性变换单元4、控制单元6分别连接预警单元5。
采样与放大单元1，用于采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压。
阈值电压剔除单元2，用于消除采样电压中的半导体激光器的阈值电压，得到半导体激光器的激光功率电压值。
光能量获得单元3，用于根据半导体激光器的激光功率电压值，获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量；
预警单元5，用于根据控制单元设置的半导体激光器的激光能量设定值，判断某一时间段的半导体激光器的光脉冲能量是否超标。
如图2所示，采样与放大单元1包括采样电阻RH1、第一电阻R14、第二电阻R17、同相运算放大器U1A、第三电阻R18、第四电阻R16、第五电阻R19和第一电压跟随器U1B；采样与放大单元1各部分连接关系如下：采样电阻RH1的一端分别连接半导体激光器的恒流驱动电路的输出端与第一电阻R14的一端，采样电阻RH1的另一端接地，第一电阻R14的另一端连接同相运算放大器U1A的正相输入端，同相运算放大器U1A的反相输入端与地之间串联第二电阻R17，同相运算放大器U1A的反相输入端与输出端之间并联第三电阻R18，同相运算放大器U1A的输出端与第一电压跟随器U1B的正相输入端之间串联第四电阻R16，第一电压跟随器U1B的反相输入端与输出端之间并联第五电阻R19。
通过采样电阻RH1采样流过半导体激光器的电流，根据采样的流过半导体激光器的电流与采样电阻RH1，得到与采样的流过半导体激光器的电流对应的半导体激光器的采样电压，该采样电压通过同相运算放大器U1A放大预设倍数后，得到放大后的采样电压Vif。该放大后的采样电压Vif表示为：
Figure 39435DEST_PATH_IMAGE007
（3）
上式中，
Figure 930031DEST_PATH_IMAGE008
，表示同相运算放大器U1A的放大倍数，第二电阻R17与第三电阻R18决定同相运算放大器U1A的放大倍数，第二电阻R17与第三电阻R18根据半导体激光器的采样电压所需放大的倍数而定。RH1为采样电阻阻值，
Figure 822026DEST_PATH_IMAGE003
表示流过半导体激光器的电流。
将公式（2）带入公式（3），可得：
Figure 962020DEST_PATH_IMAGE009
（4）
上式中，由于β、RH1和k均为固定值，因此可以看作为常数，可以令
Figure 728988DEST_PATH_IMAGE010
、
Figure 5248DEST_PATH_IMAGE011
，故此上式可写为：
Figure 330794DEST_PATH_IMAGE012
（5）
由此可见，经过同相运算放大器U1A放大后的采样电压Vif包含有半导体激光器的阈值电流成分K3*Ith，由于半导体激光器高于其自身固有的阈值电流之上的电流才是有效的，即半导体激光器高于其自身固有的阈值电流之上的电流才能使得其可以输出激光能量。故此为得到确切的半导体激光器的激光功率电压Vi，有必要将半导体激光器的阈值电流部分从上式中剔除。
由于半导体激光器的输出功率大小与流过该半导体激光器的电流相关，即半导体激光器输出功率越大，流过该半导体激光器的电流越大，为了减小采样电阻RH1上消耗的功耗，需要保证采样电阻RH1的阻值与流过该半导体激光器的电流成反比。通常情况下，采样电阻RH1上消耗的功耗一般不宜超过5W，因此采样电阻RH1的阻值的选取可以根据流过该半导体激光器的电流与采样电阻RH1上消耗的功耗而定。
为了保证同相运算放大器U1A可以正常工作，需要使得第一电阻R14的阻值等于第二电阻R17与第三电阻R18并联后的阻值。并且，第五电阻R19的设置可以更好地保证同相运算放大器U1B工作更稳定。此外，由于第一电压跟随器U1B的正相输入端会有输入电容，因此在第一电压跟随器U1B的正相输入端串联第四电阻R16，可以防止管脚直接相连引起的不稳定。
为了防止经过同相运算放大器U1A放大后的采样电压Vif受同相运算放大器U1A的内阻的影响，采用第一电压跟随器U1B对放大后的采样电压Vif进行阻抗变换，并起到隔离前后级的作用。
如图3所示，阈值电压剔除单元2包括阈值电压调节模块21和阈值电压剔除模块22，阈值电压调节模块21连接阈值电压剔除模块22，阈值电压剔除模块22连接第一电压跟随器U1B的输出端。
阈值电压调节模块21，用于向阈值电压剔除模块22提供半导体激光器的阈值电压，该半导体激光器的阈值电压为公式（5）中放大后的采样电压Vif包含的半导体激光器的阈值电压K3*Ith。如图3所示，阈值电压调节模块21，包括电位器W1、第二十二电阻R2、第二电压跟随器U2A和第六电阻R6；阈值电压调节模块21各部分连接关系如下：电位器W1的一端连接电源电压VCC，电位器W1的中间端分别连接第二十二电阻R2的一端、第二电压跟随器U2A的正相输入端，电位器W1的余下端及第二十二电阻R2的另一端分别接地，第二电压跟随器U2A的反相输入端与输出端之间并联第六电阻R6。通过调节电位器W1，使得第二电压跟随器U2A输出半导体激光器的阈值电压
Figure 895768DEST_PATH_IMAGE013
。其中，第二电压跟随器U2A的作用同第一电压跟随器U1B，在此不再赘述。
阈值电压剔除模块22用于消除采样电压Vif中的半导体激光器的阈值电压
Figure 138530DEST_PATH_IMAGE014
，得到半导体激光器的激光功率电压Vi并进行阻抗变换。如图3所示，阈值电压剔除模块22包括第七电阻R7、第八电阻R11、第九电阻R5、第十电阻R13、减法器U2B、第十一电阻R10、第十二电阻R3和第三电压跟随器U3A；阈值电压剔除模块22各部分连接关系如下：第七电阻R7的一端连接第二电压跟随器U2A的输出端，第七电阻R7的另一端分别连接第九电阻R5的一端、减法器U2B的反相输入端，第九电阻R5的另一端分别连接第十一电阻R10的一端、减法器U2B的输出端，第八电阻R11的一端连接第一电压跟随器U1B的输出端，第八电阻R11的另一端分别连接第十电阻R13的一端、减法器U2B的正相输入端，第十电阻R13的一另端接地，第十一电阻R10的另一端连接第三电压跟随器U3A的正相输入端，第三电压跟随器U3A的反相输入端与输出端之间并联第十二电阻R3。通过减法器U2B分别接收采样与放大单元1输出的放大后的采样电压Vif、阈值电压调节模块21输出的半导体激光器的阈值电压
Figure 597193DEST_PATH_IMAGE014
，从而将放大后的采样电压Vif中的半导体激光器的阈值电压
Figure 627728DEST_PATH_IMAGE014
剔除，得到半导体激光器的激光功率电压Vi。具体地说，将放大后的采样电压Vif减去半导体激光器的阈值电压
Figure 539053DEST_PATH_IMAGE014
，得到半导体激光器的激光功率电压
Figure 585506DEST_PATH_IMAGE015
即第三电压跟随器U3A输出的半导体激光器的激光功率电压
Figure 898676DEST_PATH_IMAGE016
和激光器输出光功率成线性比例关系。第三电压跟随器U3A的作用同第一电压跟随器U1B，第十一电阻R10的作用同第一电阻R14、第四电阻R16,在此不再赘述。
其中，为了保证减法器U2B可以输出准确的半导体激光器的激光功率电压Vi，需要使得第七电阻R7与第十一电阻R11的阻值相等，第九电阻R5与第十电阻R13的阻值相等。
如图4所示，光能量获得单元3包括第十三电阻R8、第十四电阻R12、积分运算放大器U5A、电容C8、第十五电阻R1、模拟开关U4和第十六电阻R9；光能量获得单元3各部分连接关系如下：第十三电阻R8的一端连接第三电压跟随器U3A的输出端，第十三电阻R8的另一端分别连接积分运算放大器U5A的反相输入端、电容C8的一端以及第十五电阻R1的一端，第十五电阻R1的另一端连接模拟开关U4的常开端NO，模拟开关U4的输入端连接控制单元6，模拟开关U4的电源电压端VCC与接地端相应的连接电源电压及地线，积分运算放大器U5A的正相输入端与地之间串联第十四电阻R12，积分运算放大器U5A的输出端分别连接电容C8的另一端、模拟开关U4的公共端COM以及第十六电阻R9的一端。
需要强调的是，在每一次获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量前，需要预先将光能量获得单元3的光脉冲能量初始化清零，以保证能够准确的获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量。具体地说，将光能量获得单元3的光脉冲能量清零时，通过控制单元6控制模拟开关U4的常开端与其公共端COM导通，实现电容C8在每次充电之前，都已提前将电荷全部泄放。
每一次获得某一时间段t1～t2对应的半导体激光器的光脉冲能量的过程为对电容C8从t1时刻开始充电到t2时刻结束充电的过程。
具体地说，在起始t1时刻，电容C8上的电荷量QC(t1)为0。因此，对于电容C8有以下关系式：
Figure 677276DEST_PATH_IMAGE017
（6）
上式中，
Figure 43273DEST_PATH_IMAGE018
表示t1～t2时间段之间某一时刻电容C8上的电荷量，C表示电容C8的电容量，
Figure 424576DEST_PATH_IMAGE019
表示t1～t2时间段之间某一时刻电容C8上的电压值，
Figure 61093DEST_PATH_IMAGE020
表示t1～t2时间段之间某一时刻电容C8的充电电流。
由公式（6）可得
Figure 135229DEST_PATH_IMAGE021
（7）
由于积分运算放大器U5A的反相输入端为虚地，因此，电容C8的充电电流
Figure 162090DEST_PATH_IMAGE022
，即电容C8的充电电流
Figure 910866DEST_PATH_IMAGE023
为半导体激光器的激光功率电压
Figure 339573DEST_PATH_IMAGE024
与第十三电阻R8的比值。将该式带入上述积分式（7）中可得：
Figure 381347DEST_PATH_IMAGE025
（8）
上式中，
Figure 895505DEST_PATH_IMAGE026
表示t1～t2时间段之间某一时刻电容C8上的电压值，C表示电容C8的电容量，
Figure 484242DEST_PATH_IMAGE027
表示t1～t2时间段之间某一时刻半导体激光器的激光功率电压，R8表示第十三电阻的电阻值。
同样，由于积分运算放大器U5A的反相输入端为虚地，故此有：
Figure 298614DEST_PATH_IMAGE028
（9）
上式中，
Figure 245710DEST_PATH_IMAGE029
表示t1～t2时间段之间某一时刻的半导体激光器的光脉冲能量，
Figure 981585DEST_PATH_IMAGE026
表示t1～t2时间段之间某一时刻电容C8上的电压值，C表示电容C8的电容量，
Figure 806584DEST_PATH_IMAGE027
表示t1～t2时间段之间某一时刻半导体激光器的激光功率电压，R8表示第十三电阻的电阻值。
将半导体激光器的激光功率电压
Figure 209883DEST_PATH_IMAGE030
，带入（9）式中可得：
Figure 265564DEST_PATH_IMAGE031
（10）
上式中，
Figure 347790DEST_PATH_IMAGE029
表示t1～t2时间段之间某一时刻的半导体激光器的光脉冲能量，
Figure 84801DEST_PATH_IMAGE026
表示t1～t2时间段之间某一时刻电容C8上的电压值，C表示电容C8的电容量，
Figure 496935DEST_PATH_IMAGE027
表示t1～t2时间段之间某一时刻半导体激光器的激光功率电压，R8表示第十三电阻的电阻值，
Figure 130041DEST_PATH_IMAGE032
表示t1～t2时间段之间某一时刻半导体激光器的激光输出功率。
由于第十三电阻R8的阻值以及电容C8的电容量C都是定值，可令
Figure 433984DEST_PATH_IMAGE033
,则上式简化为
Figure 630479DEST_PATH_IMAGE034
(11)
因为半导体激光器的激光输出功率Po对时间的积分就是半导体激光器的光脉冲能量（简称光能量），即E=Po*t。
因此，公式（11）又可以写成：
Figure 837732DEST_PATH_IMAGE035
（12）
由上述推导可知，积分运算放大器U5A从t1～t2时间段，累积的积分输出电压
Figure 704056DEST_PATH_IMAGE036
，与t1～t2时间段内采集的半导体激光器的光脉冲能量成线性比例关系。上述推导不涉及采样流过半导体激光器的电流的具体形态，故此该结论适用于任意半导体激光器的电流驱动波形。
由公式（12）可知，积分运算放大器U5A从t1～t2时间段，累积的积分输出电压
Figure 760874DEST_PATH_IMAGE036
为负值，即采用累积的积分输出电压
Figure 433164DEST_PATH_IMAGE036
表示的t1～t2时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量为负值；因此，需要将该积分输出电压
Figure 226414DEST_PATH_IMAGE036
输出到极性变换单元4进行极性变换后，再输出到预警单元5与预先设置的半导体激光器的激光能量阈值进行比较，从而判断出该半导体激光器的激光能量是否超标。
如图5所示，极性变换单元4包括反相运算放大器U5B、第十七电阻R4和第十八电阻R15，反相运算放大器U5B的反相输入端与输出端之间串联第十七电阻R4，反相运算放大器U5B的正相输入端与地线之间串联第十八电阻R15。积分运算放大器U5A从t1～t2时间段，累积的积分输出电压
Figure 466903DEST_PATH_IMAGE036
经过反相运算放大器U5B进行极性变换后，得到的累积的积分输出电压
Figure 276596DEST_PATH_IMAGE036
为正值。
如图6所示，预警单元5包括比较器U3B、第十九电阻R20、第二十电阻R22、第二十一电阻R21和数模转换器U6；比较器U3B的正相输入端通过第十九电阻R20连接反相运算放大器U5B的输出端，比较器U3B的反相输入端通过第二十电阻R22连接数模转换器U6的一个输出端OUTA，比较器U3B的输出端通过第二十一电阻R21连接控制单元6，数模转换器U6的串行时钟端SCL和串行数据端SDA分别连接控制单元6，数模转换器U6的地址端A0和接地端分别连接地，数模转换器U6的电源端VDD和参考端REF分别连接电源电压VCC。
通过控制单元预先设置以电压形式进行表示的半导体激光器的激光能量设定值，并将该激光能量设定值通过数模转换器U6的数模转换后，输出到比较器U3B的反相输入端，当比较器U3B的正相输入端接收到经极性变换单元4进行极性变换后的积分运算放大器U5A从t1～t2时间段，累积的积分输出电压
Figure 424680DEST_PATH_IMAGE036
，将该累积的积分输出电压
Figure 105060DEST_PATH_IMAGE036
与半导体激光器的激光能量设定值进行比较，判断出该半导体激光器的激光能量是否超标。若超标，则不仅可以及时向控制单元6反馈报警信号，以进行报警。还可以将比较器U3B的输出端通过第二十一电阻R21连接半导体激光器的恒流驱动保护电路，以关闭半导体激光器。
如图6所示，控制单元可以采用单片机实现。该单片机不仅用于实现控制控制模拟开关U4的常开端与其公共端COM导通，实现电容C8在每次充电之前，都已提前将电荷全部泄放。还可以用于预先设置以电压形式进行表示的半导体激光器的激光能量设定值。此外，该单片机还可以接收预警单元5反馈的报警信号进行预警处理。
进一步地，本公开实施例还提供了一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警方法，该预警方法基于上述预警电路实现。如图7所示，该预警方法包括如下步骤：
采样与放大单元采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压；
阈值电压剔除单元剔除放大后的采样电压中的半导体激光器的阈值电压，得到半导体激光器的激光功率电压值；
光能量获得单元根据半导体激光器的激光功率电压值，获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量；
预警单元根据控制单元设置的半导体激光器的激光能量设定值，判断某一时间段的半导体激光器的光脉冲能量是否超标。
需要说明的是，本公开实施例提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警方法的具体实现方式可以参见上述图1至图6对应的电路实施例，此处不再赘述。
本公开实施例利用在特定的温度环境下，半导体激光器的激光输出功率与流过半导体激光器的电流成线性关系这一特点，采用采样与放大单元实时采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压后依次经过阈值电压剔除单元、光能量获得单元和极性变换单元的处理，得到某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量，通过预警单元根据预先设置的半导体激光器的激光能量设定值判断出该半导体激光器的激光能量是否超标。该预警电路的体积小、成本低，可以直接设置在半导体激光器中，解决了现有半导体激光设备不易将功率计或能量计直接集成到其内部的问题。
以上对本公开所提供的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路及方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本公开实质内容的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将属于本公开专利权的保护范围。

Claims (12)

1.一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于包括采样与放大单元、阈值电压剔除单元、光能量获得单元、极性变换单元、预警单元和控制单元，所述采样与放大单元一方面连接外部的半导体激光器的恒流驱动电路，另一方面连接所述阈值电压剔除单元，所述阈值电压剔除单元连接所述光能量获得单元，所述光能量获得单元分别连接所述极性变换单元与所述控制单元，所述极性变换单元、所述控制单元分别连接所述预警单元；
所述采样与放大单元，用于采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压；
所述阈值电压剔除单元，用于消除采样电压中的半导体激光器的阈值电压，得到半导体激光器的激光功率电压值；
所述光能量获得单元，用于根据半导体激光器的激光功率电压值，获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量；
所述预警单元，用于根据控制单元设置的半导体激光器的激光能量设定值，判断某一时间段的半导体激光器的光脉冲能量是否超标。
2.如权利要求1所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述采样与放大单元包括采样电阻、第一电阻、第二电阻、同相运算放大器、第三电阻、第四电阻、第五电阻和第一电压跟随器；所述采样电阻的一端分别连接所述恒流驱动电路的输出端与所述第一电阻的一端，所述采样电阻的另一端接地，所述第一电阻的另一端连接所述同相运算放大器的正相输入端，所述同相运算放大器的反相输入端与地之间串联所述第二电阻，所述同相运算放大器的反相输入端与输出端之间并联所述第三电阻，所述同相运算放大器的输出端与所述第一电压跟随器的正相输入端之间串联所述第四电阻，所述第一电压跟随器的反相输入端与输出端之间并联所述第五电阻。
3.如权利要求2所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述第一电阻的阻值等于所述第二电阻与所述第三电阻并联后的阻值。
4.如权利要求2所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述阈值电压剔除单元包括阈值电压调节模块和阈值电压剔除模块，所述阈值电压调节模块连接所述阈值电压剔除模块，所述阈值电压剔除模块连接所述第一电压跟随器的输出端。
5.如权利要求4所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述阈值电压调节模块包括电位器、第二十二电阻、第二电压跟随器和第六电阻；所述电位器的一端连接电源电压，所述电位器的中间端分别连接所述第二十二电阻的一端、所述第二电压跟随器的正相输入端，所述电位器的余下端及所述第二十二电阻的另一端分别接地，所述第二电压跟随器的反相输入端与输出端之间并联所述第六电阻。
6.如权利要求5所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述阈值电压剔除模块包括第七电阻、第八电阻、第九电阻、第十电阻、减法器、第十一电阻、第十二电阻和第三电压跟随器；所述第七电阻的一端连接所述第二电压跟随器的输出端，所述第七电阻的另一端分别连接所述第九电阻的一端、所述减法器的反相输入端，所述第九电阻的另一端分别连接所述第十一电阻的一端、所述减法器的输出端，所述第八电阻的一端连接所述第一电压跟随器的输出端，所述第八电阻的另一端分别连接所述第十电阻的一端、所述减法器的正相输入端，所述第十电阻的一另端接地，所述第十一电阻的另一端连接所述第三电压跟随器的正相输入端，所述第三电压跟随器的反相输入端与输出端之间并联所述第十二电阻。
7.如权利要求6所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述第七电阻与所述第十一电阻的阻值相等，所述第九电阻与所述第十电阻的阻值相等。
8.如权利要求6所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述光能量获得单元包括第十三电阻、第十四电阻、积分运算放大器、电容、第十五电阻、模拟开关和第十六电阻；所述第十三电阻的一端连接所述第三电压跟随器的输出端，所述第十三电阻的另一端分别连接所述积分运算放大器的反相输入端、所述电容的一端以及所述第十五电阻的一端，所述第十五电阻的另一端连接所述模拟开关的常开端，所述模拟开关的输入端连接所述控制单元，所述模拟开关的电源电压端与接地端相应的连接电源电压及地线，所述积分运算放大器的正相输入端与地之间串联所述第十四电阻，所述积分运算放大器的输出端分别连接所述电容的另一端、所述模拟开关的公共端以及所述第十六电阻的一端。
9.如权利要求8所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
在每一次获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量前，所述控制单元控制所述模拟开关的常开端与其公共端导通，使所述电容在每次充电之前，提前将电荷全部泄放。
10.如权利要求1所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述极性变换单元包括反相运算放大器、第十七电阻和第十八电阻，所述反相运算放大器的反相输入端与输出端之间串联所述第十七电阻，所述反相运算放大器的正相输入端与地线之间串联第十八电阻。
11.如权利要求10所述的用于半导体激光器脉冲能量限制的预警电路，其特征在于：
所述预警单元包括比较器、第十九电阻、第二十电阻、第二十一电阻和数模转换器；所述比较器的正相输入端通过所述第十九电阻连接所述反相运算放大器的输出端，所述比较器的反相输入端通过所述第二十电阻连接所述数模转换器的一个输出端，所述比较器的输出端通过所述第二十一电阻连接所述控制单元，所述数模转换器的串行时钟端和串行数据端分别连接所述控制单元，所述数模转换器的地址端和接地端分别连接地，所述数模转换器的电源端和参考端分别连接电源电压。
12.一种用于半导体激光器脉冲能量限制的预警方法，利用权利要求1～11中任意一项所述的预警电路实现，其特征在于包括如下步骤：
采样与放大单元采样流过半导体激光器的电流，得到对应的采样电压；
阈值电压剔除单元剔除放大后的采样电压中的半导体激光器的阈值电压，得到半导体激光器的激光功率电压值；
光能量获得单元根据半导体激光器的激光功率电压值，获得某一时间段对应的半导体激光器的光脉冲能量；
预警单元根据控制单元设置的半导体激光器的激光能量设定值，判断某一时间段的半导体激光器的光脉冲能量是否超标。
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