CN1128422A - 高功率、高脉冲重复频率的小型脉冲激光二极管驱动器 - Google Patents

Abstract

一种高功率、高PRF的脉冲激光二极管驱动器，它包括光激励三端半导体开关，能在高PRF时产生超窄脉宽的高峰值功率的光脉冲；包括控制单元，电功率调节和脉冲充电单元，能量存贮单元，在电能已存入能量存贮单元时产生低功率激光的触发光源和驱动单元，将电容充电电能转换成大电流脉冲的光激励半导体开关单元，及把大电流脉冲转换成待输出的高功率光脉冲的高功率激光器阵列。光激励半导体开关单元是由三个电极组成的三端开关。

Description

高功率、高脉冲重复频率的 小型脉冲激光二极管驱动器

本发明涉及激光二极管驱动器，具体地说涉及高功率、高脉冲重复频率(PRF)的脉冲激光二极管驱动器。

半导体激光驱动器一般都具有极高的电路阻抗。由于在一具有高阻抗的激光驱动器和一具有极低阻抗的半导体激光器之间存在严重的阻抗失配，因此电能没能用来操作半导体激光器，而是大部分电能以热的形式损失掉。

为了使高功率半导体激光驱动器能够工作，应该给半导体激光驱动器提供超过阈值的电流。必须对损失的能量进行补偿。

因此，在设计这样一种常规高功率脉冲激光驱动器时，要使其具有非常高的功率，其中要考虑到将要损失的能量以及操作激光器所需的能量。

在常规的高功率脉冲驱动器中，随着能量损失的增加，功率急剧增大。因此，诸如输出激光脉冲的上升和下降时间、脉冲宽度、和PRF之类的激光驱动器性能都迅速恶化，同时还急剧增加了驱动器的尺寸和重量。

为了解决在常规激光驱动器中碰到的这些问题，推荐一种高功率、高PRF的脉冲激光二极管驱动器。在由本申请人提交的韩国专利申请No.94—2144中公开了这种激光二极管驱动器。

这种激光二极管驱动器使用一种不均匀的阻抗条线结构作为它的能量存贮电容器，从而获得高效的激光二极管驱动电路。另外，在阻抗匹配条件下，不均匀阻抗条线结构的双向波渡越时间变成了高功率激光输出脉冲的脉冲宽度。因此，通过精确设计能量存贮电容器，就可得到脉冲宽度仅有几个毫微秒的激光输出脉冲。

但基于一些实际的理由，例如眼的安全性、有效距离、准确度、和高速度的数据通讯，非常渴望得到脉冲宽度比几个毫微秒小得多的高峰值功率激光脉冲。要产生几个毫微秒脉冲宽度的高峰值功率激光脉冲，使用不均匀阻抗条线结构作为能量存贮电容器是非常有效的途径。

在理想的操作条件下，从不均匀条线结构得到的最短的输出激光脉冲宽度约等于在这种能量存贮电容器中的双向波渡越时间。因此，随着不均匀阻抗条线长度变短，激光输出脉冲的脉冲宽度也要随之变窄。因此，简单地把能量存贮电容器的实际长度减少到该电容器的双向波渡越时间变为几个毫微秒，就可获得几个毫微秒脉冲宽度的输出光脉冲。

除了产生小于几个毫微秒脉冲宽度的输出激光脉冲外，事情还不是那样简单。只缩小能量存贮电容器的实际长度不能产生超窄的脉冲宽度。其中存在着一些限制。按照超窄脉冲宽度(小于几个毫微秒的脉冲宽度)要求的条件过多地缩小条线长度，可能会使电容量过小，以致于在该能量存贮电容器中不能存贮必要的静电能。另外，杂散感应将会对输出脉冲的性能产生不利影响。因此必须设计出新的技术。

因此，本发明的目的在于提供一种高功率、高PRF的脉冲激光二极管驱动器，该驱动器包括一个光激励的三端半导体开关，并能够在高PRF时产生超窄脉冲宽度的高峰值功率光脉冲。

按照本发明，通过提供一种半导体激光驱动器来实现这一目的，该驱动器包括：控制输入驱动信号的控制装置，接收在所说控制装置中控制的所说驱动信号并由此产生电能的电功率调节和脉冲充电装置，接收来自所说电功率调节和脉冲充电装置的所说电能并存贮接收到的电能的能量存贮装置，在电能已存入能量存贮装置时产生低功率激光的触发光源和驱动装置，把电容充电的电能转换成大电流脉冲的光激励半导体开关装置，以及把得自所说光激励半导体开关装置的所说大电流脉冲转换成待输出的高功率光脉冲的高功率激光器阵列，其中所说光激励半导体开关装置包括由三个电极组成的一个三端开关。

从以下参照附图对实施例进行的描述将会弄清本发明的其它目的和方面，其中：

图1是按本发明的激光二极管驱动器的方块图；

图2a是一个平面图，表示按本发明的一个光激励半导体开关单元；

图2b和2c分别是沿图2a的A—A线和B—B线取的剖面图；

图3a和3b是示意图，分别表示按本发明的一个触发光源和驱动单元；

图4是一个方块图，表示按本发明的能量存贮单元、光激励半导体开关单元、匹配阻抗、和激光器阵列；

图5a至5c是波形图，分别表示按本发明的激光驱动器的能量流动的图解顺序。

图1是按本发明的高功率、高PRF的小型脉冲激光二极管驱动器。如图1所示，该脉冲激光二极管驱动器包括：控制单元100、电功率调节和脉冲充电单元200、能量存贮单元300、触发光源和驱动单元400、光激励半导体开关单元500、以及高功率激光器阵列600。

控制单元100控制由输入级输入的信号并将该被控信号送至电功率调节和脉冲充电单元200。控制单元100还向触发光源和驱动单元400施加一个信号。

电功率调节和脉冲充电单元200调节自交流电网或电池得出的原始电能并将某些能量送到能量存贮单元300。电功率调节和脉冲充电单元200还向触发光源和驱动单元400输送某些能量。

能量存贮单元300包括具有不均匀条线结构的低阻抗电容器，并且存贮自电功率调节和脉冲充电单元200得出的能量。

触发光源和驱动单元400由一种中等的或略高功率的激光二极管组成，并带有两个光纤引线。触发光源和驱动单元400的作用是输出低功率或中等功率的激光，同时在完成能量存贮单元300中的能量存贮时、并在接收到来自控制单元100的控制信号时被驱动。

光激励半导体开关单元500是一个由三个电极组成的三端开关。开关单元500由来自触发光源和驱动单元400的激光接通，从而将电容充电的静电能转换成大电流脉冲。

高功率激光器阵列600以大功率光脉冲的形式输出在光激励半导体开关单元500中经过转换的大电流脉冲。

通过来自控制单元100的信号调节得自交流电网或电池的原始电能，然后用于对能量存贮单元300进行电容式充电。当通过触发光源和驱动单元400的两个光纤引线输送的来自触发光源的光输入到光激励半导体开关单元500时，电容充电的静电能就转换成大电流脉冲。

输出激光的脉冲宽度由两个相继的触发光脉冲之间的时间间隔δt决定。具体来讲，低阻抗能量存贮电容器和中等功率或略高功率激光二极管触发的三端半导体开关的成功组合，将能得到一种小型的脉冲激光二极管驱动器，该驱动器在高PRF时能够产生具有超窄脉冲宽度的高峰值功率光脉冲。

如图2a至2c所示，光激励半导体开关单元500包括一个三端开关。这种三端开关由三个电极组成：电极1、电极2和电极3。由电极1和电极2构成的第一开关为n—i—p结构，如图2b所示。由电极2和电极3构成的第二开关为p—i—p结构，如图2c所示。

这些开关的主要功能是通过激光脉冲控制进入高功率激光器阵列的电能流动的持续时间。起初(无触发激光照射)，两个开关都保持开路(断开)当触发激光脉冲(具有合适的波长和足够大的光功率)引入有效开关区中时，两个开关的状态都发生从高电阻率(断开)至高导电率(接通)的变化。(附带说一下，触发光是从顶端或从下端引入位于两个电极之间的有效开关区的)。

但是这些开关有完全不同的功能。通过激光脉冲激励第一开关可启动电能从能量存贮电容器向高功率激光器阵列的流动。但通过相对于第一光脉冲的有时间延迟的光脉冲接通第二开关却能在高功率激光器阵列的两端引起短路，迫使进入高功率激光器阵列中的能量流动终止。

如图3a和3b所示，触发光源和驱动单元400由带有两个光纤引线的中等(或略高功率的)激光二极管组成。来自触发激光二极管的光脉冲耦合进两个光纤引线中。如图3(a)所示的两个光纤引线之间的实际长度差L得到如图3(b)中所示的两个连续光脉冲之间时间间隔t。下面给出了控制光纤光缆长度L和在该光缆中光脉冲行进时间t之间关系的数学公式：

其中：L是以cm为单位的光缆长度，ε_r是光纤光缆的芯部介质的介电常数。由些，按下式给出与附加光纤光缆长度δL相关的时间间隔δt：

因此，当实际长度差δt减小时，两个相继的光脉冲之间的时间间隔δt变短，从而可得到超窄的高功率激光脉冲的脉冲宽度。

通过向启动动作程序的控制单元100不断发出操作指令就可开始驱动器的动作。首先激励电功率调节和脉冲充电单元200。调节来自交流电网或电池的原始能量，并用来给能量存贮单元300中的电容量进行脉冲充电。在电容器的脉冲偏置电压达到峰值电压+V时，通过来自控制单元100的控制信号激励触发光源和驱动单元400，嵌口图3a和3b所示。

触发光源和驱动单元400以极高的PRF产生出快上升时间的光脉冲。所得光脉冲耦合进入光纤引线，通过光纤引线传送，并用于激励半导体开关单元500。

一旦触发光穿入半导体开关单元500的有效区，就将产生数目足够大的光致电子一空穴对，使开关的状态发生从完全打开(不导通)到完全闭合(导通)的变化。

当如图2b所示的由光激励半导体开关单元500的电级1和电极2构成的第一开关通过触发光脉中(通过光纤缆长度L传送的脉冲)接通时，存贮在电容器中的静电能就开始流入高功率激光器阵列中。在第一开关接通后，如图2c所示的由光激励半导体开关单元500的电极2和电极3构成的第二开关很快就通过触发光脉冲(通过光纤光缆长度L＋δL传送的脉冲)而接通，从而在高功率激光器阵列的两端产生短路通道。一旦确实短路，就立即终止向高功率激光器阵列内的电能流动。

在阻抗严重失配情况下，输出激光的脉冲宽度变宽，并且它的下降时间变慢。这主要是由阻抗严重失配引起的行波的多次反射造成的。但在阻抗匹配良好的情况下，输出激光的脉冲宽度约为能量存贮单元300的能量存贮电容器中的双向波的渡越时间。

图4是表示能量存贮单元、光激励半导体开关单元、匹配阻抗、以及激光器阵列的方块图。另一方面，图5a至5c分别是表示激光驱动器的能量流动的图解顺序的波形图。

首先，将如图4所示的能量存贮电容器脉冲偏置成电压+V，如图5a所示(第一开关在脉冲偏置电压+V的作用下变为反向偏置)。通过用经光纤光缆长度L传送的触发光脉冲照射有效开关区使如图2b所示的第一开关接通。

当第一开关接通时，存贮在电容器中的静电能开始流向高功率激光器阵列，如图5b所示。通过引入经光纤光缆长度L＋δL传送的触发光脉冲激励如图2c所示的第二开关。第二开关一旦接通，就在高功率激光器阵列的两端产生短路通道，从而使进入高功率激光器阵列中的电能流动立即终止，如图5c所示。

从以上描述清晰可见，本发明提供了一种高功率、高PRF的脉冲激光二极管驱动器，它使用了一种能够控制能量流动进入高功率激光器阵列的持续时间的光激励三端半导体开关。通过精确设计两个光纤引线间的时间间隔δt即可产生具有超窄脉冲宽度的光脉冲。

按照本发明，从中等(或略高)功率的激光二极管产生快上升时间的光脉冲，并将光脉冲耦合进两个光纤引线中，将它们作用开关触发脉冲，并且控制进入高功率激光器阵列的电能流动，从而使该驱动器能在高PRF时产生具有快上升时间和快下降时间的高功率激光输出脉冲。

按本发明的不均匀条线结构的几何图形能够设计出具有极低阻抗的小型能量存贮电容器，这种低阻抗电容器极大地降低了能量自电容器传输到激光器阵列期间的能量损失。和常规高功率脉冲激光驱动器不同，本发明最终得到的极其有效的脉冲驱动器根本不需要高功率电源以及排热风扇。因此，采用低阻抗电容器的高功率、超窄脉冲宽度的脉冲激光驱动器变得极其有效、非常紧凑小型化、并且重量极轻。

虽然为了说明的目的公开了本发明的优选实施例，但本领域的技术人员都应理解，在不脱离在所附的权利要求书中公开的本发明的范围和构思的条件下，各种改进、增加、和替换都是可能的。

Claims (3)

1、一种半导体激光驱动器，包括：

控制装置，用于控制输入驱动信号；

电功率调节和脉冲充电装置，用于接收在所说控制装置中控制的所说驱动信号并因此而产生电能量；

能量存贮装置，用于接收来自所说电功率调节和脉冲充电装置的所说电能并存贮接收到的电能；

触发光源及驱动装置，用于在电能已存入能量存贮装置时产生低功率激光；

光激励半导体开关装置，用于把电容充电电能转换成大电流脉冲；以及

高功率激光器阵列，用于把得自所说光激励半导体开关装置的所说大电能脉冲转换成高功率光脉冲以备输出；

其中，所说光激励半导体开关装置包括由三个电极组成的一个三端开关。

2、一种如权利要求1所述的半导体激光驱动器，其中所说三端开关包括一个第一开关和一个第二开关，第一开关由所说三个电极中的两个电极构成并具有n—i—p结构，第二开关由所说第一开关的所说两个电极中的一个电极和所说三个电极中的剩余的一个电极构成并具有p—i—p结构。

3、一种如权利要求1所述的半导体激光驱动器，其中所说两个开关的作用是在无触发激光照射的起始条件下维持开路，在触发激光脉冲被引入开关的有效开关区的条件下发生从高电阻率状态向高电导率状态的状态改变。

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