TWI603556B - 雷射驅動電路及其控制方法 - Google Patents

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Description

雷射驅動電路及其控制方法
本發明涉及一種雷射驅動電路及其控制方法，尤指一種在主振盪器功率放大器架構下使用切換式電流源之雷射驅動電路及其控制方法。
雷射放大器最常使用的光學架構之一者為主振盪器功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier，MPOA)架構，這種架構中的驅動電路一般包括用來驅動雷射二極體之種子源驅動電路及泵浦驅動電路。種子源驅動電路為小功率脈衝電流驅動，範圍約在20kHz至200kHz之間，可隨使用者需求而改變。而泵浦驅動電路多為大功率定電流驅動，為穩定輸出功率，定電流源多選用線性電流源。
然而，線性電流源有著熱損失大的缺點，效率較低。相較於線性電流源，切換式電流源具有較高的效率，但切換式電流源利用開關切換控制電感電流，本質上電流會產生切換頻率的漣漪，此漣漪將會增加雷射瞬間輸出功率的不穩定度。據此，如何提供一種雷射驅動電路及其控制方法，可在主振盪器功率放大器架構下使用切換式電流源， 且不會造成雷射瞬間輸出功率的不穩定度以及具備較高效率，為目前亟待解決的課題之一。
本發明之一目的在於提供一種雷射驅動電路，用以驅動一雷射泵浦，該雷射驅動電路包括：種子源脈衝訊號產生模組，用以接收該雷射泵浦所發出的雷射脈衝之重覆率訊號及脈衝寬度，以產生種子源脈衝訊號至種子源雷射驅動模組；相位偵測模組，用以偵測該種子源脈衝訊號的相位延遲；泵浦電流變頻脈寬調變模組，用以接收該重覆率訊號，以產生泵浦電流源切換訊號至泵浦雷射驅動模組，以使該泵浦雷射驅動模組產生泵浦電流；以及頻率同步模組，用以接收該重覆率訊號及該泵浦電流，以取得該雷射泵浦之開關之切換週期，並根據該切換週期及該相位延遲對該重覆率訊號進行延遲調整，並將調整後重覆率訊號送至該泵浦電流變頻脈寬調變模組，以產生新的泵浦電流源切換訊號至該泵浦雷射驅動模組。
本發明之另一目的在於提供一種雷射驅動電路之控制方法，用以驅動一雷射泵浦，該控制方法包括：令種子源脈衝訊號產生模組接收該雷射泵浦所發出的雷射脈衝之重覆率訊號及脈衝寬度，以產生種子源脈衝訊號至種子源雷射驅動模組；令相位偵測模組偵測該種子源脈衝訊號的相位延遲；令泵浦電流變頻脈寬調變模組接收該重覆率訊號，以產生泵浦電流源切換訊號至泵浦雷射驅動模組，以使該泵浦雷射驅動模組產生泵浦電流；以及令頻率同步模 組接收該重覆率訊號及該泵浦電流，以取得該雷射泵浦之開關之切換週期，並根據該切換週期及該相位延遲對該重覆率訊號進行延遲調整，並將調整後重覆率訊號送至該泵浦電流變頻脈寬調變模組，以產生新的泵浦電流源切換訊號至該泵浦雷射驅動模組。
10‧‧‧雷射驅動電路
11‧‧‧種子源脈衝訊號產生模組
12‧‧‧種子源雷射驅動模組
13‧‧‧相位偵測模組
14‧‧‧泵浦電流變頻脈寬調變模組
141、143‧‧‧數位脈寬調變延遲電路
142‧‧‧數位脈寬調變計數器
15‧‧‧泵浦雷射驅動模組
16‧‧‧頻率同步模組
17‧‧‧開關
18‧‧‧參考電流產生模組
19‧‧‧延遲單元
S11~S16‧‧‧步驟
第1圖係為本發明之雷射驅動電路之示意圖；第2圖係為本發明之雷射驅動電路之控制方法之流程圖；以及第3圖係為本發明之雷射驅動電路使電流漣漪與重複率訊號同步之示意圖。
以下藉由特定之具體實施例加以說明本發明之實施方式，而熟悉此技術之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之其他優點和功效，亦可藉由其他不同的具體實施例加以施行或應用。
請參閱第1圖，本發明之雷射驅動電路10，用以驅動一雷射泵浦，其中，該雷射驅動電路10為主振盪器功率放大器(Master Oscillator Power Amplifier，MPOA)架構。該雷射驅動電路10係包括：種子源脈衝訊號產生模組11、種子源雷射驅動模組12、相位偵測模組13、泵浦電流變頻脈寬調變模組14、泵浦雷射驅動模組15、頻率同步模組16及開關17。
該種子源脈衝訊號產生模組11係用以接收雷射泵浦 所發出的雷射脈衝之重覆率訊號(Repetition Rate)及脈衝寬度(Pulse Width)，以產生種子源脈衝訊號。而該種子源脈衝訊號可進一步送至種子源雷射驅動模組12，以令該種子源雷射驅動模組12驅動雷射二極體(Laser Diode，LD)。該相位偵測模組13係接收一時脈訊號(Clock)並偵測該種子源脈衝訊號與該時脈訊號之間的相位延遲。
該泵浦電流變頻脈寬調變模組14亦一併接收雷射泵浦所發出的雷射脈衝之重覆率訊號(Repetition Rate)，以產生泵浦電流源切換訊號。而該泵浦電流源切換訊號可進一步送至泵浦雷射驅動模組15，以令該泵浦雷射驅動模組15驅動雷射二極體(Laser Diode，LD)。其中，該泵浦雷射驅動模組15與雷射二極體之間還設有開關17，在開關17開通時，除了可使該泵浦雷射驅動模組15驅動雷射二極體外，還一併使該泵浦雷射驅動模組15產生泵浦電流(iD)。
該頻率同步模組16亦一併接收雷射泵浦所發出的雷射脈衝之重覆率訊號，並接收該泵浦電流後，從中取得該開關17之切換週期(duty cycle)，或取得該開關17在開與關之間的時間差。而該頻率同步模組16在取得該切換週期後，可根據該切換週期及該相位延遲對所接收的重覆率訊號進行延遲調整，並將調整後重覆率訊號重新送到該泵浦電流變頻脈寬調變模組14，以令該泵浦電流變頻脈寬調變模組14依據調整後重覆率訊號產生新的泵浦電流源切換訊號。而該新的泵浦電流源切換訊號可再送至該泵浦雷 射驅動模組15以驅動雷射二極體。其中，該新的泵浦電流源切換訊號與該種子源脈衝訊號的相位與頻率一致。
於一實施例中，該雷射驅動電路10更包括參考電流產生模組18，該參考電流產生模組18係用以接收該雷射脈衝之雷射功率訊號(power)後產生參考電流(iref)。而該參考電流可送至該頻率同步模組16，以使該頻率同步模組16依據該參考電流及該泵浦電流來取得該雷射泵浦之開關17之切換週期。
於另一實施例中，該雷射驅動電路10更包括至少一延遲單元19。該延遲單元19係用以使該相位偵測模組13對該種子源脈衝訊號進行延遲調整。該延遲單元19具體可以程式或電子單元之方式實現，且該延遲單元19之數目可依據實際需求加以調整，本發明並不以此為限。其中，調整後種子源脈衝訊號與該新的泵浦電流源切換訊號的相位與頻率一致。
再於一實施例中，該泵浦電流變頻脈寬調變模組14還包括二數位脈寬調變(Digitally Pulse Width Modulation，DPWM)延遲電路(Delay Locked Loop，DLL)141、143及數位脈寬調變計數器(Counter)142。該數位脈寬調變延遲電路141係接收該頻率同步模組16所送出的最低位元處理(DLSBTS)訊號，而該數位脈寬調變計數器142則接收該頻率同步模組16所送出的最高位元處理(DMSBTS)訊號並計數，該數位脈寬調變延遲電路143則將該數位脈寬調變延遲電路141及該數位脈寬調變計數器142處理過後的訊 號予以混頻，即可產生該泵浦電流源切換訊號。
請參閱第2圖，於本發明之另一具體實施例中，係提供一種雷射驅動電路之控制方法，用以驅動一雷射泵浦，其中，該雷射驅動電路為主振盪器功率放大器架構。該控制方法包括步驟S11~S16。
於步驟S11中，係產生種子源脈衝訊號。亦即，令種子源脈衝訊號產生模組接收該雷射泵浦所發出的雷射脈衝之重覆率訊號及脈衝寬度，以產生種子源脈衝訊號，並可將該種子源脈衝訊號送至種子源雷射驅動模組，以驅動雷射二極體。接著進至步驟S12。
於步驟S12中，係偵測相位延遲。亦即，令相位偵測模組接收一時脈訊號(Clock)並偵測該種子源脈衝訊號與該時脈訊號之間的相位延遲，且令該相位偵測模組透過至少一延遲單元對該種子源脈衝訊號進行延遲調整，以產生調整後種子源脈衝訊號。接著進至步驟S13。
於步驟S13中，係產生泵浦電流源切換訊號及泵浦電流。亦即，令泵浦電流變頻脈寬調變模組接收一併接收雷射泵浦所發出的雷射脈衝之該重覆率訊號，以產生泵浦電流源切換訊號，而該泵浦電流源切換訊號可進一步送至泵浦雷射驅動模組，以驅動雷射二極體。又，該泵浦雷射驅動模組與雷射二極體之間還設有開關，可一併使該泵浦雷射驅動模組產生泵浦電流。接著進至步驟S14。
於步驟S14中，係取得開關之切換週期。亦即，令頻率同步模組接收該重覆率訊號及該泵浦電流，並令參考電 流產生模組接收該雷射脈衝之雷射功率訊號，以產生參考電流，並同時將該參考電流送至該頻率同步模組。而該頻率同步模組則可依據該參考電流及該泵浦電流來取得該雷射泵浦之開關之切換週期。接著進至步驟S15。
於步驟S15中，係對重覆率訊號進行延遲調整。亦即令頻率同步模組根據該切換週期及該相位延遲對該重覆率訊號進行延遲調整，並將調整後重覆率訊號送至該泵浦電流變頻脈寬調變模組。接著進至步驟S16，進一步令該泵浦電流變頻脈寬調變模組產生新的泵浦電流源切換訊號，而該新的泵浦電流源切換訊號可進一步至該泵浦雷射驅動模組以驅動雷射二極體。其中，該新的泵浦電流源切換訊號與調整後種子源脈衝訊號的相位與頻率一致。
藉由本發明之雷射驅動電路及其控制方法，可依據重覆率訊號取得種子源脈衝訊號及其相位延遲，並可依據該重覆率訊號取得泵浦電流源切換訊號及泵浦電流，而能夠進一步獲得開關之切換週期，俾能根據該切換週期及該相位延遲對該重覆率訊號進行延遲調整，可依據調整後重覆率訊號取得與種子源脈衝訊號之相位與頻率一致的新的泵浦電流源切換訊號。以50W奈秒為例，最後出光50W，泵浦出光總和約85W，泵浦二極體電輸入功率約170W，切換式電流源輸入功率約210W，AC電源輸入約240W，且AC電源可選擇體積小、低功率的電源供應器，驅動部分的熱損失減少約80%，驅動效能提昇35%以上，總效能從12.5%提昇至20%以上。又如第3圖所示，同一時脈下，泵浦電 流漣漪與種子源脈衝訊號之頻率同步，使脈衝與脈衝間的能量總和為固定，可提昇驅動穩定度及系統效能，減少系統體積與成本，達到高穩定度雷射節能驅動之功效。
上述實施形態僅為例示性說明本發明之技術原理、特點及其功效，並非用以限制本發明之可實施範疇，任何熟習此技術之人士均可在不違背本發明之精神與範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。然任何運用本發明所教示內容而完成之等效修飾及改變，均仍應為下述之申請專利範圍所涵蓋。而本發明之權利保護範圍，應如下述之申請專利範圍所列。
10‧‧‧雷射驅動電路
11‧‧‧種子源脈衝訊號產生模組
12‧‧‧種子源雷射驅動模組
13‧‧‧相位偵測模組
14‧‧‧泵浦電流變頻脈寬調變模組
141、143‧‧‧數位脈寬調變延遲電路
142‧‧‧數位脈寬調變計數器
15‧‧‧泵浦雷射驅動模組
16‧‧‧頻率同步模組
17‧‧‧開關
18‧‧‧參考電流產生模組
19‧‧‧延遲單元

Claims (10)

  1. 一種雷射驅動電路，用以驅動一雷射泵浦，該雷射驅動電路包括：種子源脈衝訊號產生模組，用以接收該雷射泵浦所發出的雷射脈衝之重覆率訊號及脈衝寬度，以產生種子源脈衝訊號至種子源雷射驅動模組；相位偵測模組，用以偵測該種子源脈衝訊號的相位延遲；泵浦電流變頻脈寬調變模組，用以接收該重覆率訊號，以產生泵浦電流源切換訊號至泵浦雷射驅動模組，俾使該泵浦雷射驅動模組產生泵浦電流；以及頻率同步模組，用以接收該重覆率訊號及該泵浦電流，以取得該雷射泵浦之開關之切換週期，並根據該切換週期及該相位延遲對該重覆率訊號進行延遲調整，俾將調整後重覆率訊號送至該泵浦電流變頻脈寬調變模組，以產生新的泵浦電流源切換訊號至該泵浦雷射驅動模組。
  2. 如申請專利範圍第1項所述之雷射驅動電路，其中，該雷射驅動電路為主振盪器功率放大器架構。
  3. 如申請專利範圍第1項所述之雷射驅動電路，更包括參考電流產生模組，用以接收該雷射脈衝之雷射功率訊號，以產生參考電流，並將該參考電流送至該頻率同步模組，以供該頻率同步模組取得該雷射泵浦之開關之切換週期。
  4. 如申請專利範圍第1項所述之雷射驅動電路，更包括至少一延遲單元，用以使該相位偵測模組對該種子源脈衝訊號進行延遲調整，其中，調整後之種子源脈衝訊號與該新的泵浦電流源切換訊號的相位與頻率一致。
  5. 如申請專利範圍第1項所述之雷射驅動電路，其中，該新的泵浦電流源切換訊號與該種子源脈衝訊號的相位與頻率一致。
  6. 一種雷射驅動電路之控制方法，用以驅動一雷射泵浦，該控制方法包括：令種子源脈衝訊號產生模組接收該雷射泵浦所發出的雷射脈衝之重覆率訊號及脈衝寬度，以產生種子源脈衝訊號至種子源雷射驅動模組；令相位偵測模組偵測該種子源脈衝訊號的相位延遲；令泵浦電流變頻脈寬調變模組接收該重覆率訊號，以產生泵浦電流源切換訊號至泵浦雷射驅動模組，以使該泵浦雷射驅動模組產生泵浦電流；以及令頻率同步模組接收該重覆率訊號及該泵浦電流，以取得該雷射泵浦之開關之切換週期，並根據該切換週期及該相位延遲對該重覆率訊號進行延遲調整，並將調整後之重覆率訊號送至該泵浦電流變頻脈寬調變模組，以產生新的泵浦電流源切換訊號至該泵浦雷射驅動模組。
  7. 如申請專利範圍第6項所述之雷射驅動電路之控制方 法，其中，該雷射驅動電路為主振盪器功率放大器架構。
  8. 如申請專利範圍第6項所述之雷射驅動電路之控制方法，更包括令參考電流產生模組接收該雷射脈衝之雷射功率訊號，以產生參考電流，並將該參考電流送至該頻率同步模組，以供該頻率同步模組取得該雷射泵浦之開關之切換週期。
  9. 如申請專利範圍第6項所述之雷射驅動電路之控制方法，更包括令該相位偵測模組透過至少一延遲單元對該種子源脈衝訊號進行延遲調整，其中，調整後種子源脈衝訊號與該新的泵浦電流源切換訊號的相位與頻率一致。
  10. 如申請專利範圍第6項所述之雷射驅動電路之控制方法，其中，該新的泵浦電流源切換訊號與該種子源脈衝訊號的相位與頻率一致。
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