CN1130807C - 激光二极管用电源控制装置 - Google Patents

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Abstract

本发明目的在于使供给激光二极管的电流迅速响应。激光二极管LD1～LDn输出激光8之前，使第一开关元件23截止，第二开关元件25导通，形成使电流控制用开关元件2和电抗器4通电的环路，并预先相对于电抗器4将规定稳恒电流设定为指令值I TH，产生激光器输出指令信号时，使第一开关元件23导通，第二开关元件25截止，形成使电流控制用开关元件2、电抗器4和激光二极管LD1～LDn通电的电路。这时，可忽略电抗器4电感的影响，可提供上升沿和下降沿陡急的恒流脉冲。

Description

激光二极管用电源控制装置
技术领域
本发明涉及一种通过半导体激光器中PN结流过电流，对进行激光振荡的激光二极管进行电流供给控制的激光二极管用电源控制装置。
背景技术
图10是表示现有激光二极管用电源控制装置总体电路构成的电路图。
图10中，电源1由直流电源等恒流源构成。电流控制用开关元件2与电源1连接，按外部信号即输出驱动信号PL进行开关动作。电源1连接有电流控制用开关元件2和反接的二极管3组成的串联电路。电流控制用开关元件2与二极管3串联的接点a连接有电抗器4，该电抗器4的另一端与多个串联连接的激光二极管LD1～LDn阳极一侧连接。这里，令电抗器4与激光二极管LD1～LDn阳极一侧的接点为接点b。而激光二极管LD1～LDn阴极一侧同电源1与二极管3之间的接点连接。令激光二极管LD1～LDn阴极一侧与电源1与二极管3的接点为接点c。
对激光二极管LD1～LDn的供电是通过对电流控制用开关元件2的开关控制，经电抗器4进行的。
该激光二极管LD1～LDn将其输出的激光8照在固体激光介质5(棒)上，通过全反射镜7和半反射镜6激励它，进行激光振荡，从半反射镜6一侧获得激光8。提供给激光二极管LD1～LDn的电流，由电流检测器9检测电抗器4所流电流，该电流检测器9的检测输出通过反馈给误差比较器10，与指令器11的指令值I TH比较，以应提供等于指令值I TH的电流对电流控制用开关元件2进行开关控制。该指令值I TH由按输出驱动信号PL动作的模拟门12导通·截止，结果对提供给激光二极管LD1～LDn的电流进行导通·截止控制，提供设定为指令值I TH的稳恒电流。
图11是用于说明图10激光二极管用电源控制装置动作的波形图和时序图。
图11中，图11(a)是使模拟开关12导通·截止的输出驱动信号PL的波形，
图11(b)是提供给激光二极管LD1～LDn电流的激光二极管输入电流(I)的波形，
图11(c)是提供给激光二极管LD1～LDn的激光二极管外接电压(V)的波形。
首先，在时刻T1输出驱动信号PL一旦信号导通，电流控制用开关元件2便导通，由于电抗器4的电感作用，按规定的时间常数使电流增加。在时刻T2，电抗器4的电流一旦达到指令值I TH，便对电流控制用开关元件2进行导通·截止控制，使之成为稳恒电流。具体来说，电流检测器9的检测输出输入误差比较器10，通过与另一端输入的指令器11指令值I TH比较，以应提供等于指令值I TH的电流对电流控制用开关元件2进行开关控制。在时刻T3，输出驱动信号PL一旦信号截止，电流控制用开关元件2便截止，电抗器4的电流按规定的时间常数减少。该电抗器4贮存由电感和电流值所确定的能量，因而，要使电流截止，需要花时间直至时刻T4。而且，电流增加的时刻T1～T2这段时间也向电抗器4的电感贮存能量，电感大则费时。尤其是接下来在时刻T5～T6间所要输出的脉冲其脉冲宽度较短的话，如时刻T5～T7间输出电流波形I11所示，会无法形成矩形波。
现有的激光二极管用电源控制装置，由这种电路构成，因而即便在时刻T5～T6间要输出脉冲宽度较短的脉冲，提供给激光二极管LD1～LDn电流的激光二极管输入电流(I)的波形，也会如时刻T5～T7间输出电流波形I11所示，无法形成矩形波，输出电流响应速度慢，无法输出正确的脉冲电流波形。
发明内容
因此，本发明正是要解决上述问题，其目的在于提供一种使供给激光二极管的电流迅速响应的激光二极管用电源控制装置。
本发明的激光二极管用电源控制装置，包括：1个或2个以上串联连接的激光二极管；与所述激光二极管连接的恒流源；未得到所述激光二极管输出激光这种激光器输出指令信号时，形成使所述恒流源输出的电流循环的环路，而得到所述激光器输出指令信号时，则形成所述恒流源向所述激光二极管供电的电路的电流切换电路。
本发明第一方面的激光二极管用电源控制装置，包括：
1个或2个以上串联连接的激光二极管；
与所述激光二极管串联连接的电抗器；
与所述激光二极管和所述电抗器串联连接，经过所述电抗器所具有的时间常数确定的时间后，并进行开关控制以向所述激光二极管提供稳恒电流的电流控制用开关元件；
通过串联连接的所述电流控制用开关元件和所述电抗器向所述激光二极管供电的电源；以及
输入支配激光通断的驱动信号和用于从所述激光二极管输出所述激光的激光器输出指令信号，当未得到所述激光器输出指令信号时，形成使所述电流控制用开关元件和所述电抗器通电的环路，而得到所述激光器输出指令信号时，则形成向所述激光二极管供电的电路的电流切换电路，
所述激光器输出指令信号在所述驱动信号输入后且电源输出电流随所述电抗器所具有的时间常数增加达到指令值后输入。
本发明第二方面的激光二极管用电源控制装置，未得到所述输出激光这种激光器输出指令信号时，预先使电流控制用开关元件动作，所述电抗器电流等于指令值后，对所述激光器输出指令信号进行导通·截止，并且在使所述激光器输出截止之后，使电流控制用开关元件停止动作。
本发明第三方面的激光二极管用电源控制装置，所述1个或2个以上串联连接的激光二极管中每一激光二极管并联连接反向二极管和电阻当中的至少一种。
本发明第四方面的激光二极管用电源控制装置，所述1个或2个以上串联连接的激光二极管，并联连接有在所述激光二极管附近且反向连接的二极管和相对于所述二极管并联连接并由所述电阻和电容器组成的串联电路。
本发明第五方面的激光二极管用电源控制装置，向所述激光二极管供电的电源电压设定为所述激光二极管正向压降经合计后的2倍左右。
本发明第六方面的激光二极管用电源控制装置，所述激光二极管所输出的激光是激励固体激光介质，得到激光的。
附图说明
图1是示意本发明实施例1激光二极管用电源控制总体电路的电路图。
图2是示意本发明实施例1激光二极管用电源控制装置激光二极管一侧电路的电路概念图。
图3是用以说明本发明实施例1激光二极管用电源控制装置动作的时序图和波形图。
图4是本发明实施例1激光二极管用电源控制装置在激光二极管通电时实测的电流波形图。
图5是示意本发明实施例2激光二极管用电源控制装置激光二极管一侧电路的电路图。
图6是示意本发明实施例2激光二极管用电源控制装置激光二极管一侧电路的电路概念图。
图7是本发明实施例2激光二极管用电源控制装置在激光二极管通电时实测的电流波形图。
图8是示意本发明实施例3激光二极管用电源控制装置总体电路的电路图。
图9是用以说明本发明实施例3激光二极管用电源控制装置动作的时序图和波形图。
图10是示意现有激光二极管用电源控制装置总体电路构成的电路图。
图11是用以说明图10激光二极管用电源控制装置动作的波形图和时序图。
具体实施方式
以下说明本发明实施例。
(实施例1)
图1是示意本发明实施例1激光二极管用电源控制装置总体电路的电路图。图2是示意本发明实施例1激光二极管用电源控制装置采用4个激光二极管的情形激光二极管一侧电路的电路概念图。
图1中，电源1是直流电源等恒流源。MOSFET(MOS场效应晶体三极管)组成的电流控制用开关元件2与电源1正极一端连接，按外部的驱动信号ST进行开关动作。该电源1与现有例相同，连接有电流控制用开关元件2与二极管3连接而成的串联电路，二极管3相对于电源1反向连接，二极管3起到后面述及的包含电抗器4、激光二极管LD1～LDn等在内的电路等的续流作用。电流控制用开关元件2与二极管3的接点d连接电抗器4的一端，该电抗器4的另一端与激光二极管LD1～LDn阳极一侧连接。令该电抗器4另一端与激光二极管LD1～LDn的连接点为接点e。而激光二极管LD1～LDn的阴极一端通过后面述及的第一开关元件23同电源1与二极管3的接点f一侧连接。这里，令激光二极管LD1～LDn阴极一侧与第一开关元件23的连接点为接点g。并且，令激光二极管LD1～LDn的阳极和阴极分别连接至上述电抗器4一侧接点e和第一开关元件23一侧接点g的实际引线31、32的连接端子为输出端子DA、DK。
提供给激光二极管LD1～LDn的电流，是由电流检测器9检测电抗器4的电流，该电流检测器9的检测输出通过反馈给误差比较器10，与指令器11所设定的指令值I TH比较，以指令值I TH的电流进行电流供给对电流控制用开关元件2进行开关控制。该指令值I TH由驱动信号ST所驱动的模拟门12导通·截止。该模拟门12由控制激光8开始和停止的驱动信号ST进行通导·截止控制。
这里，就驱动信号ST而言，所占用的时间超过按照与电抗器4时间常数所确定的时间之和求出的值，其中至少包含激光二极管LD1～LDn输出激光8这种输出指令信号即激光器输出指令信号PO的时间。具体来说，驱动信号ST可以在电源接通时以规定脉冲宽度按重复脉冲频率连续发生，也可以使激光器输出指令信号PO一侧信号延迟，在该激光器输出指令信号PO上升沿之前发生规定脉冲宽度的驱动信号ST。不论哪一种，只要能够在激光器输出指令信号PO之前，即激光器输出指令信号PO上升沿之前，由驱动信号ST使电抗器4通电的电源值达到或接近指令器11所设定的指令值I TH就行。
作为使激光二极管LD1～LDn输出激光8这种输出指令信号的激光器输出指令信号PO，由AND(“与”门)电路21得到其与驱动信号ST的逻辑积，通过驱动器22驱动MOSFET等组成的第一开关元件23，并由反相驱动器27使AND电路21的输出反相，驱动第二开关元件25。具体来说，发生驱动信号ST和激光器输出指令信号PO时，按照AND电路21的输出，第一开关元件23和第二开关元件25中某一个处于导通状态，另一个处于截止状态。第二开关元件25同电源1与二极管3的接点f和与电抗器4输出一侧即激光二极管LD1～LDn阳极一侧的接点e连接。而第一开关元件23连接在电源1与二极管3的接点f和与激光二极管LD1～LDn阴极一侧的接点g之间。而电源1的正极和激光二极管LD1～LDn一侧的接点e之间反向连接有二极管26。此外，电源1和激光二极管LD1～LDn阴极一侧的接点g之间也反向连接有二极管24。
输入驱动信号ST和激光输出指令信号PO的AND电路21，使该ADN电路21输出放大的驱动器22以及反相放大的反相驱动器27，第二开关元件25以及二极管26，和第一开关元件23以及二极管24，构成本实施例电流切换电路200，尤其是其中第二开关元件25以及二极管26和第一开关元件23以及二极管24构成切换部200A。
而且，由指令器11、模拟门12、误差比较器10、该误差比较器10驱动的电流控制用开关元件2、二极管3、电抗器4和检测该电抗器4电流的电流检测器9，构成靠开关动作形成稳恒电流发生源的恒流源100。
另外，恒流源100的输出通过切换部200A，在其输出端子DA、DK之间经引线31、32连接有多个串联连接的激光二极管LD1～LDn。
通常，恒流源100的输出经切换部200A，其输出端子DA、DK与多个串联连接的激光二极管LD1～LDn(图2实施例中为4个)间如图2实施例所示，由阳极一侧引线31和阴极一侧引线32连接，引线31和引线32分别具有自感L31和自感L32。
如图1和图2所示，各个激光二极管LD1～LD2反向并联连接有二极管D1～Dn和电阻R1～Rn。
这里，激光二极管LD1～LDn将其输出的激光8照在固体激光介质5(棒)上，通过由全反射镜7和半反射镜6使之激励，进行激光振荡，从半反射镜6一侧得到激光输出，因而实施本发明时，激光二极管LD1～LDn可以根据规定的激光输出，按1个或2个以上串联连接的激光二极管加以利用。这时，虽未图示，各个激光二极管LD1～LDn可以反向并联连接二极管D1～Dn和电阻R1～Rn，也可以反向并联连接二极管D1～Dn和电阻R1～Rn其中一种。这时，反向的二极管D1～Dn和电阻R1～Rn是用于反向电压吸收的，也可以根据反向感生电动势的大小仅仅为二极管D1～Dn或电阻R1～Rn。
图3是说明图1所示本发明实施例1激光二极管用电源控制装置动作的时序图和波形图。
图3中，图3(a)是示意驱动信号ST的波形图，图3(b)是电源输出的输出电流的波形图，图3(c)是示意激光器输出指令信号PO的波形图，图3(d)是激光二极管LD1～LDn通电的电流波形图，图3(e)是示意电源负极和输出端子DA电位的波形图，图3(f)是示意电源负极和输出端子DK电位的波形图。
首先图3(a)驱动信号ST为时刻t1导通(“H”)、时刻t6截止(“L”)的信号。未获得激光输出时，输出信号PO如图3(c)所示为截止(“L”)，因而AND电路21的输出为“L”，第二开关元件25便导通，第一开关元件23截止。驱动信号ST一旦为“H”，模拟门12便导通，因而误差比较器10电流控制用开关元件2导通，如图3(b)中电源1输出的电源输出电流波形的上升沿波形I21所示，电流按电抗器4的时间常数增加。该电流值一旦达到指令值I TH，电流控制用开关元件2便反复导通、截止，以使电流保持一定值，以便维持在指令值I TH。另外，此时第二开关元件25导通，因而电抗器4的电流全部通过该第二开关元件25，输出端子DA电压即接点e的电压仅仅为第二开关元件25的压降，如图3(e)所示大致为零。而且，由于第一开关元件23截止，输出端子DK电压即接点g的电压如图3(f)所示，低于激光二极管LD1～LDn正向压降，为零。
但在时刻t2，图3(c)的激光器输出指令信号PO一旦为“H”电平，第二开关元件25便截止，第一开关元件23导通。输出端子DA与输出端子DK之间连接的激光二极管LD1～LDn，通过电抗器4和第一开关元件23与电源1连接，在此之前流过电抗器4的电流，切换流至激光二极管LD1～LDn一侧。此电流如图3(d)激光二极管输入电流波形I31所示，电抗器4没有随电流通路的切换而发生电流变化，因而没有电抗器4所具有的电感影响，电流上升沿非常迅速。这时，输出端子DK的电压即接点g的电压仅为第一开关元件23的压降，如图3(f)所示，大致为零。输出端子DA的电压即接点e的电压，为大致等于激光二极管LD1～LDn正向压降的电压。
另外，短时间的峰值电压波形(尖峰信号)E41、E42在时刻t2(和时刻t4)初期如图3(e)所示，是第一开关元件23与第二开关元件25切换时，因引线31和32本身具有的自感L31、L32所造成的电流上升沿延迟产生的。
而时刻t3一旦激光器输出指令信号PO为“L”，第二开关元件25便处于导通，第一开关元件23处于截止。因而，输出端子DA电压大致为零，输出端子DK电压产生引线31和32本身具有的自感L31、L32所造成的反向感生电压的期间，形成有二极管24、电源1、二极管3、电抗器4、激光二极管LD1～LDn的环路，向电源1回馈能量，激光二极管LD1～LDn的电流一旦为零，输出端子DK便成为开路状态。时刻t3(和时刻t5)初期，如图3(f)所示的短时间峰值电压波形(尖峰信号)E51、E52正是这种因素所造成的。
这样，电抗器4没有随电流通路的切换产生电流变化，因而没有电抗器4所具有的电感的影响，图3(d)所示的电流上升沿、下降沿非常迅速，因而即便是时刻t4～t5间宽度较窄的激光器输出指令信号PO，也能使正确的脉冲电流流过激光二极管LD1～LDn。
在时刻t6，驱动信号ST一旦截止，电流控制用开关元件2便截止，电抗器4的电流如图3(b)波形I22所示，在第二开关元件25和二极管3之间循环，逐步减小。这样减小时电抗器4的电流未给激光二极管LD1～LDn带来任何影响。
这样，作为本实施例1激光二极管用电源控制装置的基本动作，控制成驱动信号ST为“H”且电抗器4的电流达到指令值I TH之后，使激光器输出指令信号PO导通·截止，激光器输出指令信号PO截止之后一旦驱动信号ST为“L”，便总能如激光二极管输出电流波形I31、I32所示，将激光二极管LD1～LDn的输入电流，作为上升沿、下降沿迅速且峰值等于指令值I TH的脉冲信号输出。而且，即便输出端子DA、DK与激光二极管LD1～LDn的距离较长，也能得到迅速的电流响应，因而对输出大的激光收发器即激光二极管LD1～LDn同输出端子DA、DK间的距离较长，激光二极管LD1～LDn输入电流较大的情形尤其有效。
串联连接的激光二极管LD1～LDn分别反向连接有二极管D1～Dn，但实施本发明的场合，由于激光二极管用电源控制装置的输出电流上升沿、下降沿非常迅速，所以很可能因引线31、32的电感L31、L32，第一开关元件23、第二开关元件25、二极管24、26、激光二极管LD1～LDn的静电电容和配线间的杂散电容等而产生振荡电流。这时，利用二极管D1～Dn防止反向感生电压加在高成本的激光二极管LD1～LDn上，以免损坏。电阻R1～Rn采取相同电阻值，在激光二极管LD1～LDn间电压截止时取得平衡，防止电压集中于特定的激光二极管LD1～LDn。而电流流过激光二极管LD1～LDn时，即便所用的电阻为例如20Ω这样低的电阻值，消耗功率相对于激光二极管也小到可以忽略。此外，对于振荡电流具有防止该振荡的作用。连接二极管D1～Dn和电阻R1～Rn两者，当然也具有相同效果。
电源1相对于激光二极管LD1～LDn串联连接的正向电压越高，上升沿速度越迅速，但下降沿与之无关。而电源1电压较高的话，电流控制用开关元件2的开关损耗便增加，或者噪声增多，因而不希望太高的电压。正向电压的合计值设定为电源1电压2倍左右的话，电流控制用开关元件2导通时电抗器4一旦电流增加，便与截止时电流的减少相同，流过电流控制用开关元件2与二极管3的电流的平均值相同，因而电流均衡，总体上可以低成本地构成高输出的电源1。
本发明实施例的激光二极管用电源控制装置，如上所述，具有直流电压的最佳值，但直流电压的变动不会给输出电流波形带来影响，因而即便是仅对工频交流电压进行整流的电压，也能相对于电压的变动，向激光二极管LD1～LDn提供足够稳定的脉冲电流。此外，靠本实施例激光二极管用电源控制装置对激光二极管LD1～LDn提供电流，通过由所输出的激光8激励固体激光介质(YAG激光棒)，在对置的半反射镜6和全反射镜7之间进行激光振荡，可以高效率地输出激光8。基于这种激光二极管LD1～LDn对YAG激光器激励的效果在于，效率非常高，而且可以由该激光二极管用电源控制装置输出的电流其响应速度迅速的脉冲电流获得脉冲形式的激光8，在激光加工用途方面较出色。
(实施例2)
仔细研究上述实施例1，会发生下述现象。
图4是本发明实施例2激光二极管用电源控制装置的具体波形图，图4(d)是激光二极管LD1～LDn通电的电流波形图，图4(e)是示意电源负极和输出端子DA电位的波形图实测值。
具体来说，在时刻t3使激光器输出指令信号PO从“H”变为“L”，则第二开关元件25从截止变为导通，第一开关元件23从导通变为截止。这时，输出端子DA的电压，产生引线31、32所具有的自感L31、L32造成的反向感应电压，形成有二极管24、电源1、二极管3、电抗器4、激光二极管LD1～LDn的环路，激光二极管LD1～LDn阳极一侧很可能产生负电压的尖峰电压E43。而且，这在图4(d)中也会出现为负电压的尖峰电流I33。这是激光二极管LD1～LDn同自感L31、L32以及二极管D1～Dn结电容的谐振造成的。
具体来说，该负电压是由于激光二极管LD1～LDn具有普通二极管的电气特性，所以引线31、32的电感L31、L32，第一开关元件23、第二开关元件25、二极管24、26、激光二极管LD1～LDn的结电容，和配线间的杂散电容等的谐振所产生的电压作为负电压保留的。
该负电压由反向并联连接的二极管D1～Dn所吸收，但激光二极管LD1～LDn加上的是反向电压，因而无法说是较佳的。
积极解决该问题的方案是实施例2。
图5是示意本发明实施例2激光二极管用电源控制装置激光二极管一侧电路的电路图，是用于替代图1电路中输出端子DA、DK激光二极管一侧电路的。图6是示意本发明实施例2激光二极管用电源控制装置激光二极管一侧电路的电路概念图，是与图2相当的电路图。图7是本发明实施例2激光二极管用电源控制装置的具体波形图，图7(d)是激光二极管LD1～LDn通电的电流波形图，图7(e)是示意电源负极和输出端子DA电位的波形图实测值，与图4相对应。
由误差比较器10、该误差比较器10驱动的电流控制用开关元件2、二极管3、电抗器4、检测该电抗器4电流的电流检测器9，以及使第一开关元件23和第二开关元件25中某一个导通、另一个截止以切换流经电抗器4的电流通路的电流切换电路所组成的恒流源100，其输出通过切换部200A，在该输出端子DA、DK之间通过引线31、32连接多个串联连接的激光二极管LD1～LDn。
恒流源100的输出通过切换部200A在该输出端子DA、DK同多个串联连接的激光二极管LD1～LDn(图6实施例中为4个)之间，如图5和图6所示，通过阳极一侧引线31和阴极一侧引线32连接，引线31和引线32分别具有自感L31和自感L32。
如图5和图6所示，各个激光二极管LD1～LDn反向并列连接有二极管D1～Dn和电阻R1～Rn。
本实施例中，激光二极管LD1～LDn将其输出的激光8照在固体激光介质5(棒)上，通过由全反射镜7和半反射镜6激励它，进行激光振荡，从半反射镜6一侧获得激光输出，因而在本实施本发明的场合，激光二极管LD1～LDn可以根据规定的激光输出按1个或2个以上串联连接激光二极管。各个激光二极管LD1～LDn可以反向并联连接二极管D1～Dn和电阻R1～Rn，也可以仅仅反向并联连接二极管D1～Dn和电阻R1～Rn中任意一种。这时，反向二极管D1～Dn和电阻R1～Rn用于反向电压无吸收，也可以根据反向感生电动势的大小仅仅采取二极管D1～Dn或电阻R1～Rn。
从激光二极管LD1～LDn阳极和阴极附近起连接引线51和引线52，相对于激光二极管LD1～LDn连接有反向的二极管41，和与该二极管41并联连接的电阻42与电容器43的串联电路(缓冲器)。
这里，引线31、32如图6所示通过双绞线等办法减小电感L31、L32，但总有一些电感。与经处理减小电感L31、L32的引线31、32不同，连接在激光二极管LD1～LDn阳极的阴极之间的串联引线51、52相对较短，但无法做成双绞线等，因而有自感L51、L52。激光二极管LD1～LDn阳极和阴极之间的二极管41，与该二极管41并联连接的电阻42与电容器43的串联电路的引线较短，一般可忽略自感。
本实施例中，未连接二极管41、电阻42、电容器43时，如图4(e)所示，构成电流切换电路的第一开关元件23和第二开关元件25，当恒流源100的输出通过切换部200A使该输出端子DA、DK间所流电流ILD未截止时，在激光二极管LD1～LDn阳极一侧很可能发生为负电压的尖峰电压。但该负的尖峰电压由于激光二极管LD1～LDn的二极管功能，引线31、32，引线51、52的电感，激光二极管LD1～LDn的结电容和二极管D1～Dn的结电容等造成的谐振所产生的电压作为负电压留下。
该负电压向激光二极管LD1～LDn供电时，二极管41(这以高速二极管为宜，但若是肖特基势垒二极管则更好)反向连接，因而电阻42和电容器43串联连接而成的电路设定为抑制电感器L51、L52和杂散电容谐振的值。因而，本实施例中采用10Ω和0.047μF。在此状态下，电源1截止时，此前流过的电流I LD减小。此外，电流连续流过，输出端子DA一侧相对于输出端子DK一侧为负电压时，二极管41便导通动作以避免电压低于二极管41正向电压。若该二极管41为肖特基势垒二极管，正向电压比其他结型二极管低，因而反向电压可以更低(约0.3～0.5V)。
二极管41导通时所流电流i流经电感L51、激光二极管LD1～LDn，电感L52，而且电流I LD为零之后，还短时间继续流过，如图7(e)所示的尖峰电压E430所示，大致为零，而且图7(d)所示的在激光二极管LD1～LDn流过的尖峰电流I330也如波形所示大致为零。这时，电流i为零之后，二极管41间的电压紧接着升为正电压，但可以借助电阻42和电容器43组成的缓冲器的作用，维持大致为零的电压。
这样，本实施例中，激光器二极管LD1～LDn阳极与阴极之间连接二极管41和电阻42以及电容器43组成的缓冲器，所以可以防止电流截止时反向电压，并通过连接二极管41可以防止所流电流截止时正向电压的上升，能安全驱动容易为反向电压损坏的激光二极管LD1～LDn。
(实施例3)
图8是示意本发明实施例3激光二极管用电源控制装置总体电路的电路图。图9是用于说明本发明实施例3激光二极管电源控制装置动作的时序图和波形图。另外，本实施例与实施例1基本相同，这里仅说明与实施例1不同的构成。
输入驱动信号ST和激光器输出指令信号PO的AND电路21，使该AND电路21的输出反相放大的反相驱动器27和开关元件35及二极管26构成本实施例的电流切换电路200，具体来说，其中开关元件35和二极管26构成切换部200B。
各个激光二极管LD1～LDn的阳极与阴极之间分别相应连接由MOSFET、IGBT、SIT、晶体三极管等构成的开关元件35，使得其导通时激光二极管LD1～LDn短路。该开关元件35的导通电阻即正向压降采用比激光二极管LD1～LDn正向电压1.5～2.5V低的元件。也就是说，开关元件35处于导通状态下，多个激光二极管LD1～LDn短路，形成环路，避免全部电流流过激光二极管LD1～LDn。
图9中，图9(a)是示意驱动信号ST的波形图，图9(b)是电源输出电流的波形图，图9(c)是示意激光器输出指令信号PO的波形图，图9(d)是激光二极管LD1～LDn通电的电流波形图，图9(e)是示意电源负极和输出端子DA电位的波形图。
首先图9(a)驱动信号ST设定为时刻t1导通(“H”)，时刻t6截止(“L”)的信号。未获得激光输出时，输出信号PO如图9(c)所示处于截止(“L”)，因而AND电路21的输出为“L”，开关元件35便导通。驱动信号ST一旦处于“H”状态，模拟门12便导通，因而电流控制用开关元件2借助误差比较器10而导通，图9(b)电源1输出的电源输出电流波形上升沿如波形I21所示，按电抗器4的时间常数使电流增加。该电流值一旦达到指令值I TH，电流控制用开关元件2反复导通、截止，使电流确保为一定值，以便维持指令值I TH。另外，这时开关元件35处于导通状态，因而电抗器4的电流全部通过该开关元件35，输出端子DA电压即接点e的电压仅仅为开关元件35的压降，如图9(e)所示，低于激光二极管LD1～LDn正向压降，大致为零。
但时刻t2图9(c)激光器输出指令信号PO一旦为“H”，开关元件35便截止。输出端子DA与输出端子DK之间连接的激光二极管LD1～LDn，通过电抗器4与电源1连接，此前电抗器4所流的电流切换流至激光二极管LD1～LDn一侧。此电流如图9(d)激光二极管输入电流波形I31所示，电抗器4未随电流通路的切换发生电流变化，因而没有电抗器4所具有的电感的影响，电流上升沿非常迅速。输出端子DA的电压即接点e的电压为大致等于激光二极管LD1～LDn正向压降的电压。
另外，时刻t2(和时刻t4)的初期，短时间的峰值电压波形(尖峰信号)E41、E42如图9(e)所示，是第一开关元件23和开关元件35切换时引线31和32本身的自感L31、L32引起的电流上升沿延迟所产生的。
而且，在时刻t3激光器输出指令信号PO一旦为“L”，开关元件35便导通。因而，输出端子DA的电压在引线31和32本身具有的自感L31、L32产生反向感生电压期间，由于在二极管3、电抗器4、激光二极管LD1～LDn的循环，电流I31a、I32a衰减，然后激光二极管LD1～LDn的电流为零。
这样，电抗器4未随电流通路的切换而产生电流变化，没有电抗器4所具有的电感的影响，图9(d)所示的电流上升沿、下降沿非常迅速，因而对于时刻t4～t5宽度较窄的激光器输出指令信号PO，也能使正确的脉冲电流流过激光二极管LD1～LDn。另外，与实施例1相比较的话，由于在激光二极管LD1～LDn的循环而电流I31a、I32a衰减的时间，只是按自然衰减关系慢慢地衰减，故而其衰减时间较长。
在时刻t6，驱动信号ST一旦截止，电流控制用开关元件2便截止，电抗器4的电流如图9(b)波形I22所示，在开关元件35和二极管3之间循环，慢慢地减小。这样减小时电抗器4的电流未给激光二极管LD1～LDn带来任何影响。
这样，作为本实施例3激光二极管用电源控制装置的基本动作，控制成驱动信号ST为“H”且电抗器4的电流达到指令值I TH之后，使激光器输出指令信号PO导通·截止，并在激光器输出指令信号PO截止后，使驱动信号为“L”的话，便总能如激光二极管输入电流波形I31、I32所示，将激光二极管LD1～LDn的输入电流作为上升沿、下降沿迅速且峰值等于指令值I TH的脉冲信号输出。而且，即便输出端子DA、DK同激光二极管LD1～LDn的距离较长，也可获得迅速的电流响应，因而对于输出大的激光收发器，即激光二极管LD1～LDn同输出端子DA、DK间距离较长，激光二极管LD1～LDn输入电流较大的情形尤其有效。
本发明实施例的激光二极管用电源控制装置，如上所述存在直流电压最佳值，但直流电压的变动未给输出电流波形带来影响，因而即便是工频交流电压仅仅经过整流的电压，也能相对于电压变动向激光二极管LD1～LDn提供足够稳定的脉冲电流。利用本实施例的激光二极管用电源控制装置，通过向激光二极管LD1～LDn提供电流，输出激光8对固体激光介质(YAG激光棒)进行激励，使之在对置的半反射镜6和全反射镜7之间激光振荡，可以高效率地输出激光8。借助于这种激光二极管LD1～LDn的YAG激光激励其效果在于，效率非常高，而且可由这种激光二极管用电源控制装置输出的电流其响应迅速的脉冲电流获得脉冲形式的激光8，在激光加工用途方面较为出色。
本发明实施例的激光二极管用电源控制装置，包括：1个或2个以上串联连接的激光二极管LD1～LDn；与激光二极管LD1～LDn连接的恒流源100；未得到激光二极管LD1～LDn输出激光这种激光器输出指令信号PO时，形成使恒流源100输出的电流循环、由开关元件35和二极管26构成的切换部200B所组成的环路，得到激光器输出指令信号PO时，形成恒流源100向激光二极管LD1～LDn供电电路的电流切换电路200。
因而，激光二极管LD1～LDn输出激光以前，由电流切换电路200形成使恒流源100的输出循环的环路，并预先对恒流源100将规定的稳恒电流设定为指令值或与指令值近似，发生激光器输出指令信号时，由电流切换电路200形成恒流源100向激光二极管LD1～LDn通电的电路。这时，恒流源100输出的电流变化(di/dt)小到几乎可以忽略，因而可以忽略构成该恒流源100的电感的影响，可以借助于电流切换电路200的作用提供上升沿和下降沿陡急的恒流脉冲。因而，可以使提供给激光二极管LD1～LDn的电流响应迅速。
本发明实施例的激光二极管用电源控制装置，包括：1个或2个以上串联连接的激光二极管LD1～LDn；与激光二极管LD1～LDn串联连接的电抗器4；与激光二极管LD1～LDn和电抗器4串联连接，并进行开关控制以向激光二极管LD1～LDn提供稳恒电流的电流控制用开关元件2；通过串联连接的电流控制用开关元件2和电抗器4向激光二极管LD1～LDn供电的电源1；未得到激光二极管LD1～LDn得到输出激光这种激光器输出指令信号PO时，形成使电流控制用开关元件2和电抗器4、由开关元件35和二极管26构成的切换部200B所组成的环路，得到激光器输出指令信号PO时，形成向激光二极管LD1～LDn供电电路的电流切换电路200。
因而，激光二极管LD1～LDn输出激光以前，由电流切换电路200形成使电流控制用开关元件2和电抗器4通电、由开关元件35和二极管26构成的切换部200B所组成的环路，并预先对电抗器4将规定稳恒电流设定为指令值或与指令值近似，发生激光器输出指令信号PO时，由电流切换电路200形成使电流控制用开关元件2、电抗器4和激光二极管LD1～LDn通电的电路。这时，电抗器所流电流变化(di/dt)小到几乎可以忽略，因而可忽略其电感的影响，可以借助电流切换电路200的作用提供上升沿和下降沿陡急的恒流脉冲。因而，可以使提供给激光二极管LD1～LDn的电流响应迅速。
上述实施例中，说明的是多个激光二极管LD1～LDn串联连接的例子，但实施本发明的时候，也可以将激光二极管LD1～LDn视为一体，因此根据激光8的输出进行设定为宜。
上述实施例中，说明的是恒流源100采用经开关控制以向激光二极管LD1～LDn提供稳恒电流的电流控制用开关元件2的例子，但实施本发明的时候，只要是恒流源就行，并不限定得到其稳恒电流的电路构成。
上述实施例中，未得到激光二极管LD1～LDn输出激光8这种激光器输出指令信号PO时，切换部200A形成使电流控制用开关元件2和电抗器4通电的环路，得到激光器输出指令信号PO时，形成向电流控制用开关元件2、电抗器4和激光二极管LD1～LDn供电电路的电流切换电路200，尽管是由其第一开关元件23和第二开关元件25等构成切换部200A的，但实施本发明的时候，也可以由开关电路、模拟门等构成。
当然，如实施例3形成向激光二极管LD1～LDn供电电路的电流切换电路200，也可以由其开关元件35等构成切换部200A。
上述各实施例的激光二极管用电源控制装置中，包括：1个或2个以上串联连接的激光二极管LD1～LDn；与激光二极管LD1～LDn串联连接的电抗器4；与激光二极管LD1～LDn和电抗器4串联连接，经开关控制以向激光二极管LD1～LDn提供稳恒电流的电流控制用开关元件2；通过串联连接的电流控制用开关元件2和电抗器4向激光二极管LD1～LDn供电的电源1；未得到激光二极管LD1～LDn输出激光8这种激光器输出指令信号PO时，使电流控制用开关元件2和电抗器4通电的电路形成第二开关元件25或开关元件35所组成的环路，得到激光器输出指令信号PO时，形成向电流控制用开关元件2、电抗器4和激光二极管LD1～LDn供电的电路，由第一开关元件23和第二开关元件25或开关元件35组成的电流切换电路200。
按照上述各种实施例的构成，激光二极管LD1～LDn产生输出激光8这种激光器输出指令信号PO以前，使构成电流切换电路200的例如第一开关元件23截止，第二开关元件25导通，形成使电流控制用开关元件2和电抗器4通电的环路，并预先对电抗器4将规定稳恒电流设定为指令值I TH或与指令值I TH近似，发生激光器输出指令信号PO时，使构成电流切换电路200的第一开关元件23导通，第二开关元件25截止，形成使电流控制用开关元件23导通，第二开关元件25截止，形成使电流控制用开关元件2、电抗器4和激光二极管LD1～LDn通电的电路。这时，电抗器4所流电流变化(di/dt)小到几乎可以忽略，因此可忽略其电感的影响，能借助电流切换电路200的作用，提供上升沿和下降沿陡急的恒流脉冲。
因而，根据激光器输出指令信号的发生，向激光二极管LD1～LDn提供恒流源100所输出的电流，未发生激光器输出指令信号PO时，使恒流源100的输出短路，并且使激光二极管LD1～LDn所流电流设法按回馈方向与电源1连接，因而使提供给单个或多个串联连接的激光二极管LD1～LDn的电流迅速响应，可以在激光二极管LD1～LDn未加反向电压的情况下获得电源电压变动影响小的激光二极管用电源控制装置，并且可以使提供给激光二极管LD1～LDn的电流响应迅速。
上述各实施例的激光二极管用电源控制装置中，未得到输出激光8这种激光器输出指令信号PO时，预先使电流控制用开关元件2动作，电抗器4的电流等于指令值I TH之后，使激光器输出指令信号PO导通·截止，并在激光器输出截止之后使电流控制用开关元件2停止动作，因而可以使向激光二极管LD1～LDn通电的稳恒电流上升沿和下降沿急剧变化。可获得对激光器输出指令信号PO这种信号响应性良好的恒流脉冲，可以从激光二极管LD1～LDn获得正确的激光输出。
上述各实施例的激光二极管用电源控制装置中，1个或2个以上串联连接的激光二极管LD1～LDn中每一激光二极管LD1～LDn反向并联连接二极管D1～Dn和电阻R1～Rn当中至少一种。因而，提供给激光二极管LD1～LDn的稳恒电流的上升沿和下降沿非常迅速，因而由于电路存在的引线自感、电流切换电路200、激光二极管LD1～LDn的静电电容和引线间的杂散电容等很可能产生振荡电流，但用二极管D1～Dn来防止高成本的激光二极管LD1～LDn加上反向感生电压，避免损坏。而且，电阻R1～Rn取相同电阻值，取得激光二极管LD1～LDn间电压截止时电压分布的均衡，防止电压集中于特定的激光二极管LD1～LDn。而且，对于振荡电流还有防止这种振荡的作用。无论采取激光二极管D1～Dn和电阻R1～Rn两者还是其中一种，都有相同效果。
上述各实施例的激光二极管用电源控制装置中，1个或2个以上串联连接的激光二极管LD1～LDn，并联连接有在激光二极管LD1～LDn附近且反向连接的二极管41和相对于该二极管41并联连接、由电阻42和电容器43组成的串联电路。因而，可以防止激光二极管LD1～LDn电流截止时的反向电压，并可以通过连接二极管41防止所流电流截止时正电压升高，可以安全驱动容易为反向电压损坏的激光二极管LD1～LDn。
另外，在激光二极管LD1～LDn附近是指距激光二极管LD1～LDn阳极和阴极的距离较短，但由引线31、32的相对关系决定，无法一概指定为多少cm。通常为10～30cm左右。
上述各实施例的激光二极管用电源控制装置，向激光二极管LD1～LDn供电的电源电压设定为激光二极管LD1～LDn正向压降经合计后的2倍大小。一般来说，电源1相对于激光二极管LD1～LDn串联连接时的正向电压，越高上升沿速度越迅速，但下降沿无关。但电源1的电压高的话，电流控制用开关元件2的开关损耗增加，或噪声较多，因而不希望太高的电压。正向电压的合计值按2倍左右的大小设定电源1电压的话，电流控制用开关元件2导通时电抗器4一旦电流增加，截止时电流的减小便大致相同，电流控制用开关元件2与二极管3所流电流的平均值相同，可以使电流平均化，总体上低成本地构成高输出电源1。
另外，实施本发明的时候，供电的电源电压为激光二极管LD1～LDn正向压降合计的2倍左右，并非是指2倍正向电压值之和才正确，根据发明人的实验确认，即便是1.5～3倍左右也没有不良影响，2倍左右的概念实际包含1.5至3倍范围。
上述各实施例的激光二极管用电源控制装置中，激光二极管LD1～LDn所输出的激光8是激励固体激光介质5，得到激光5的。因而，直流电压的变动未给输出电流波形带来影响，因而即便是工频交流电压仅仅经过整流的电压，也能相对于电压变动向激光二极管LD1～LDn提供足够稳定的脉冲电流，可通过由输出的激光8激励固体激光介质(YAG激光棒)，进行激光振荡，高效率地输出激光8。而且，可由响应迅速的脉冲电流得到脉冲形式的激光8，用于激光加工用途较为出色。
上述各实施例说明的激光二极管用电源控制装置的恒流源，包括：与激光二极管LD1～LDn串联连接的电抗器4；与激光二极管LD1～LDn和电抗器4串联连接，并进行开关控制以向激光二极管LD1～LDn提供稳恒电流的电流控制用开关元件2；以及通过串联连接的电流控制用开关元件2和电抗器4向激光二极管LD1～LDn供电的电源1。实施本发明的场合，并非限于特定电路的恒流源。具体来说，不论何种恒流源，由于存在构成电路的电抗器分量，属于恒流源中没有电流变化的构成，因而也可以构成如下。
具体来说，包括：与1个或2个以上串联连接的激光二极管LD1～LDn连接的恒流源；未得到激光二极管LD1～LDn输出激光这种激光器输出指令信号时，形成使恒流源输出的电流循环的环路，得到激光器输出指令信号时，形成恒流源向激光二极管LD1～LDn供电电路、由第一开关元件23和第二开关元件25组成的电流切换电路200。激光二极管LD1～LDn输出激光8以前，由第一开关元件23和第二开关元件25组成的电流切换电路200形成使恒流源100的输出循环的环路，并预先对恒流源100将规定稳恒电流设定为指令值或与指令值近似，发生激光器输出指令信号PO时，由电流切换电路200形成恒流源向激光二极管LD1～LDn通电的电路。这时，恒流源100输出的电流变化(di/dt)小到几乎可以忽略，可忽略构成该恒流源100的电感的影响，可借助电流切换电路200的作用提供上升沿和下降沿陡急的恒流脉冲。因而，可以使提供给激光二极管LD1～LDn的电流响应迅速。
另外，通常在本实施例中所用的激光二极管，是由半导体产生激光的器件，并以具有二极管层积的方式为前提说明的，但实施本发明的时候，可以应用于由半导体产生激光的器件，当然是指包含上述半导体在内的概念。
综上所述，本发明的激光二极管用电源控制装置，包括：与1个或2个以上串联连接的激光二极管连接的恒流源；未得到所述激光二极管输出激光这种激光器输出指令信号时，形成使所述恒流源输出的电流循环的环路，而得到所述激光器输出指令信号时，则形成所述恒流源向所述激光二极管供电的电路的电流切换电路。因而，激光二极管输出激光以前，由电流切换电路形成使恒流源的输出循环的环路，并预先对恒流源将规定的稳恒电流设定为指令值或与指令值近似，发生激光器输出指令信号时，由电流切换电路形成恒流源向激光二极管通电的电路。这时，恒流源输出的电流变化(di/dt)，小到几乎可以忽略，构成该恒流源的电感的影响可以忽略，可借助电流切换电路的作用提供上升沿和下降沿陡急的恒流脉冲。因而，可以使供给激光二极管的电流迅速响应。
本发明第一方面的激光二极管用电源控制装置，包括：与1个或2个以上串联连接的激光二极管串联连接的电抗器；与所述电抗器串联连接、进行开关控制以向所述激光二极管提供稳恒电流的电流控制用开关元件；通过串联连接的所述电流控制用开关元件和所述电抗器向所述激光二极管供电的电源；未得到所述激光二极管输出激光这种激光器输出指令信号时，形成使所述电流控制用开关元件和所述电抗器通电的环路，而得到所述激光器输出指令信号时，则形成向所述电流控制用开关元件、所述电抗器和所述激光二极管供电的电路的电流切换电路。因而，激光二极管输出激光以前，由电流切换电路形成使电流控制用开关元件和电抗器通电的环路，并预先对电抗器将规定的稳恒电流设定为指令值或与指令值近似，发生激光器输出指令信号时，由电流切换电路形成使电流控制用开关元件、电抗器和激光二极管通电的电路。这时，电抗器所流的电流变化(di/dt)，小到几乎可以忽略，其电感的影响可以忽略，可借助电流切换电路的作用提供上升沿和下降沿陡急的恒流脉冲。因而，可以使供给激光二极管的电流迅速响应。
本发明第二方面的激光二极管用电源控制装置，是本发明第一方面中未得到所述输出激光这种激光器输出指令信号时，预先使电流控制用开关元件动作，所述电抗器电流等于指令值后，对所述激光二极管输出进行导通·截止，并且在使所述激光器输出截止之后，使电流控制用开关元件停止动作。因而，可以使向激光二极管通电的稳恒电流的上升沿和下降沿变化陡急，可获得对激光器输出指令信号这种信号响应好的恒流脉冲，可以由激光二极管按正确的定时获得激光输出。
本发明第三方面的激光二极管用电源控制装置，是本发明第一方面中，所述1个或2个以上串联连接的激光二极管中每一激光二极管并联连接反向二极管和电阻当中的至少一种。因而，防止由于提供给激光二极管的稳恒电流的上升沿和下降沿非常迅速，靠电路存在的引线自感、电流切换电路、激光二极管的静电电容、引线间的杂散电容等所产生的振荡电流使激光二极管迭加反向感生电压而损坏。而且，电阻可以靠相同电阻值的分压，取得激光二极管间电压截止时的均衡，防止电压集中于特定激光二极管。而且，对于振荡电流还有防止其振荡的作用。
本发明第四方面的激光二极管用电源控制装置，是本发明第一方面当中，所述1个或2个以上串联连接的激光二极管，并联连接有在1个或2个以上串联连接的激光二极管附近且反向连接的二极管和相对于该二极管并联连接并由电阻和电容器组成的串联电路。由于并联连接有在所述激光二极管附近且反向连接的二极管和相对于所述二极管并联连接并由所述电阻和电容器组成的串联电路，因而可以防止激光二极管电流截止时的反向电压，并可以通过连接二极管防止所流电流截止时正电压升高，可以安全驱动容易为反向电压损坏的激光二极管。
本发明第五方面的激光二极管用电源控制装置，是本发明第一方面当中，向所述激光二极管供电的电源电压设定为所述激光二极管正向压降经合计后的2倍左右。因而，若按正向电压合计值的2倍设定电源电压的话，电流控制用开关元件导通时电抗器一旦电流增加，便与截止时电流的减小大致相同，电流控制用开关元件与二极管所流电流的平均值相同，可以使电流均衡，总体上低成本地构成高输出电源。
本发明第六方面的激光二极管用电源控制装置，是本发明第一方面当中，所述激光二极管所输出的激光是激励固体激光介质，得到所述固体激光器激光的。由于直流电压的变动未给输出电流波形带来影响，因而即便是工频交流电压仅仅经过整流的电压，也能相对于电压变动向激光二极管提供足够稳定的脉冲电流，可通过由输出的激光激励固体激光介质(YAG激光棒)，进行激光振荡，高效率地输出激光。而且，可由响应迅速的脉冲电流得到脉冲形式的激光，用于激光加工用途的特性很好。

Claims (6)

1.一种激光二极管用电源控制装置，其特征在于，包括：
1个或2个以上串联连接的激光二极管；
与所述激光二极管串联连接的电抗器；
与所述激光二极管和所述电抗器串联连接，经过所述电抗器所具有的时间常数确定的时间后，并进行开关控制以向所述激光二极管提供稳恒电流的电流控制用开关元件；
通过串联连接的所述电流控制用开关元件和所述电抗器向所述激光二极管供电的电源；以及
输入支配激光通断的驱动信号和用于从所述激光二极管输出所述激光的激光器输出指令信号，当未得到所述激光器输出指令信号时，形成使所述电流控制用开关元件和所述电抗器通电的环路，而得到所述激光器输出指令信号时，则形成向所述激光二极管供电的电路的电流切换电路，
所述激光器输出指令信号在所述驱动信号输入后且电源输出电流随所述电抗器所具有的时间常数增加达到指令值后输入。
2.如权利要求1所述的激光二极管用电源控制装置，其特征在于，未得到所述输出激光这种激光器输出指令信号时，预先使电流控制用开关元件动作，所述电抗器电流等于指令值后，对所述激光器输出指令信号进行导通·截止，并且在使所述激光器输出截止之后，使电流控制用开关元件停止动作。
3.如权利要求1所述的激光二极管用电源控制装置，其特征在于，所述1个或2个以上串联连接的激光二极管中，每一激光二极管并联连接反向二极管和电阻当中的至少一种。
4.如权利要求1所述的激光二极管用电源控制装置，其特征在于，所述1个或2个以上串联连接的激光二极管，并联连接有在所述激光二极管附近且反向连接的二极管，和相对于所述二极管并联连接并由电阻和电容器组成的串联电路。
5.如权利要求1所述的激光二极管用电源控制装置，其特征在于，向所述激光二极管供电的电源电压设定为所述激光二极管正向压降经合计后的2倍左右。
6.如权利要求1所述的激光二极管用电源控制装置，其特征在于，所述激光二极管所输出的激光是激励固体激光介质，得到激光的。
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