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引言光纤传感器自20世纪70年代以来，以其具有的灵敏度高、耐腐蚀、抗电磁干扰能力强、安全可靠等特点取得了飞速的发展。
同时，这些特性也使它可以实现某些特殊条件下的测量工作，比起常规检测技术具有诸多优势，是传感技术发展的一个主导方向。
作为光纤传感器中关键的光学元件之一的光源，其稳定度直接影响着光纤传感器的准确度。
本文所涉及的光纤传感器采用的是半导体激光器光源，半导体激光器具有单色性好、方向性好、体积小、光功率利用率高等优点，但是，光功率输出受外界环境变化的影响较大。
因此，本文针对半导体激光光源的工作原理和特性，设计了一种简单可行的自动功率控制(APC)驱动电路，通过背向监测光电流形成反馈，实现恒功率控制。
并且，引入了慢启动电路，防止电源电压的干扰，使激光器不会受到每次开启电源时产生的过流冲击，延长了激光器的使用寿命。
经实验验证，该电路解决了激光器在使用中输出功率不稳定的问题，其稳定度优于0.5%，达到了较好的稳流效果。
1 光源的工作原理和特性目前，实际应用的光源有表面光发射二极管(LED)、激光二极管(LD)、超辐射二极管(SLD)、超荧光光源(SFS)等。
随着光纤传感技术的迅速发展，体积小、质量轻、功耗小、容易与光纤耦合的LD等半导体光源应用越来越广泛。
本文主要研究半导体LD的驱动设计。
1.1 LD发光机理分析LD的基本结构为：垂直于PN结面的一对平行平面构成法布里-珀罗谐振腔，它们可以是半导体晶体的解理面，也可以是经过抛光的平面。
其余两侧面则相对粗糙，用以消除主方向外其他方向的激光作用。
当半导体的PN结加有正向电压时，会削弱PN结势垒，迫使电子从N区经PN结注入P区，空穴从P区经过PN结注入N区，这些注入PN结附近的非平衡电子和空穴将会发生复合，从而发射出波长为λ的光子，其公式λ=hc/Eg， (1)式中 h为普朗克常数;c为光速;Eg为半导体的禁带宽度。
如果注入电流足够大，则会形成和热平衡状态相反的载流子分布，即粒子数反转。
激光二极管的驱动电路[日期：2021-01-05] 来源：[字体：大中小]当激光二极管流过阈值以上的电流时会产生激光，但温度的变化会影响光输出量，下列图是光输出量和管芯温度的关系。
为了保证激光二极管的光输出量恒定，在光输出量下降时就要增大正向电流。
而光输出量增大时就要减小正向龟流，即需要自动控制电流的大小来恒定光输出量。
下列图是恒流驱动与APCAutomat IC Power Contr0l〕驱动对于温度变化的特性，由图中可见恒流驱动时温度变化会影响光输出量，而用APC驱动时。
光输出量与温度无关。
电路因为PD的电流与光输出量成正比，故只要保证PD的电流恒定光输出量也就是恒定值。
下列图是APC电路的框图。
激光射入光电二极管PD，PD产生输出电流，甩电阻将此电流转换为反应电压，该电压与基准电压相等以控制激光二极管正向电流，就得到了稳定的光输出。
〔1〕连续驱动电路下列图是最简单的APC电路，它是一种负反应电路。
Tr2为正向电流控制管，Rld为正向电流限流电阻，基极的33μF电容器为软启动电容，稳压二极管确定基准电压值，激光二极管两端并接的1μF电容用来作过电压保护，吸收过电压，电源端的22μF电容用来旁路过电压及纹波。
10kΩ电阻是它的放电电阻。
电源电压为3V，用干电池供电。
激光二极管的工作电流和光电二极管的输出电流随激光元件的型号而各不一样，据此再确定外部元件的参数。
Rf、Rv是决定光输出调整范围或光电二极管输出电流调整范围的电阻。
Rf 决定光电二极管输出电流的最大值，Rv是可变电阻，Rf+Rv决定输出电流的最小值。
首先，确定光输出的调整范围，根据光输出-PD输出特性。
求出光电二极管输出电流的范围：Rf+Rv=〔Vz-Vbe〕／Im，式中：Vz是稳压二极管的稳压值，Vbe是Trl的基极、发射极间电压，Im是光电二极管的输出电流。
当Rv的值为零时，光电二极管输出电流Im到达最大值。
必须限制这个最大值，以保证激光二极管的光输出不超过自身的额定值，否那么会损坏激光二极管。
激光二极管驱动电路保护电路原理-概述说明以及解释1. 引言1.1 概述概述激光二极管驱动电路保护电路是在激光二极管的工作过程中起到保护作用的重要组成部分。
激光二极管作为一种高精度、高效率的光电器件，在许多领域都有广泛应用，例如激光切割、激光打印、激光雷达等等。
然而，激光二极管在高功率、高电流工作状态下容易受到瞬态过电压、过电流以及温度过高等因素的影响，从而导致损坏或性能下降。
因此，为了保障激光二极管的正常工作和延长其使用寿命，需要使用特定的保护电路来进行保护。
本文将从激光二极管驱动电路的工作原理和保护电路的作用两个方面进行探讨。
首先，我们将介绍激光二极管驱动电路的基本原理，包括电流调节、电压补偿、反馈控制等关键技术。
然后，我们将详细讨论保护电路在激光二极管工作过程中的作用，包括过电压保护、过电流保护以及温度保护等方面。
通过对激光二极管驱动电路保护电路原理的深入研究，我们可以更好地了解激光二极管的工作机制以及常见的故障原因。
同时，通过合理设计和使用保护电路，可以有效提高激光二极管的稳定性和可靠性，延长其使用寿命，同时提高系统的整体性能。
在接下来的章节中，我们将详细介绍激光二极管驱动电路的工作原理和保护电路的作用，并对其应用前景进行展望。
通过对这些内容的学习和研究，我们可以更加深入地了解激光二极管驱动电路保护电路原理，为激光二极管的应用和发展提供有力支持。
1.2 文章结构文章结构部分的内容可以描述本篇长文的组织结构和章节安排。
具体内容如下：2. 文章结构本篇文章主要分为三个部分：引言、正文和结论。
引言部分：引言部分主要对激光二极管驱动电路保护电路原理进行概述，简要介绍激光二极管驱动电路的工作原理以及保护电路的作用。
通过引入这个主题，读者可以了解到激光二极管驱动电路和保护电路的基本知识，并对本文的内容有一个整体的了解。
正文部分：正文部分主要包括两个章节，分别介绍激光二极管驱动电路的工作原理和保护电路的作用。
用于半导体激光器的大电流纳秒级窄脉冲驱动电路陈彦超;冯永革;张献兵【摘要】根据脉冲式半导体激光器对功率、脉宽、上升沿的要求,同时考虑电脉冲的注入便于测试激光器的各种性能,提出了一种以金属氧化物半导体场效应晶体(MOSFET)为开关器件,以雪崩晶体管为驱动器,可产生大电流、窄脉宽、陡上升沿脉冲的激光器驱动电路.讨论了预触发脉冲宽度和雪崩晶体管输出负载对MOSFET 输出脉冲在幅度和波形上的影响以及如何通过调整耦合电阻来控制脉冲的“下冲”和振荡.实验结果表明:在0～200 V供电电压下,该电路在1Ω电阻上产生了从0A 到148 A,具有陡上升/下降沿的10 ns级电脉冲.通过调整电路参数,可输出脉冲宽度窄至8.6 ns,幅度达到124 A的电脉冲.该驱动电路满足了脉冲式半导体激光器的工作要求和对器件测试的要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2014(022)011【总页数】7页(P3145-3151)【关键词】半导体激光器;驱动电路;大电流信号;纳秒级脉冲【作者】陈彦超;冯永革;张献兵【作者单位】北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理所,北京100871;北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理所,北京100871;北京大学地球与空间科学学院理论与应用地球物理所,北京100871【正文语种】中文【中图分类】TN248.41 引言脉冲式半导体激光器可用于激光测距、激光引信、激光雷达、泵浦固体激光器、脉冲多普勒成像、3D 图像系统、光纤测温传感器等领域。
高峰值功率、窄脉宽及陡上升沿的脉冲驱动可以增加激光器的作用距离并提高相关传感器的分辨率［1－4］。
对于脉冲激光测距，缩短激光脉冲的上升时间是提高精度最简单有效的方法［5］。
对于一些处于实验室阶段的新型半导体激光器，如GaN 基蓝紫光激光器，电脉冲的直接注入可以测试激光器的各种性能，比如观测激光器的增益光开关产生的延迟、过冲及拖尾的过程，脉冲光谱的展宽等［6］。
高精度半导体激光器驱动电源系统的设计刘平英;丁友林【摘要】介绍一种以DSP TMS320F2812控制模块为核心的高精度半导体激光器驱动电源系统的设计.该系统以大功率达林顿管为调整管加电流负反馈电路实现恒流输出,利用DSP内部集成的模/数转换器对输出电流采样,并经过PI算法处理后控制PWM输出实现动态的误差调整,消除电路中的静止误差.为了提高系统的稳定性,在系统中加入过流、过压保护和延时软启动保护等功能.结果表明,输出电流范围在10～2 500 mA内,输出电流变化的绝对值小于输出电流值的0.1%+1 mA,从而确保了半导体激光器工作的可靠性.【期刊名称】《现代电子技术》【年(卷),期】2009(032)008【总页数】4页(P166-169)【关键词】DSP;半导体激光器;PI算法;PWM【作者】刘平英;丁友林【作者单位】金肯职业技术学院,江苏,南京,211156;金肯职业技术学院,江苏,南京,211156【正文语种】中文【中图分类】TN248.10 引言半导体激光器(LD)是一种固体光源，由于其具有单色性好，体积小，重量轻，价格低廉，功耗小等一系列优点，已被广泛应用。
LD是理想的电子-光子直接转换器件，有很高的量子效率，微小的电流和温度变化都将导致其输出光功率的很大变化。
因此，LD的驱动电流要求非常高，必须是低噪声、稳定度高的恒流源，一般电源很难满足要求[1-4]。
此外，瞬态的电流或电压尖峰脉冲，以及过流、过压都会损坏半导体激光器。
这里将以TI公司的DSP芯片TMS320F2812为控制核心，实现带有多种保护的双闭环高精度半导体激光驱动电源系统。
1 系统总体设计恒流源一般采用集成运算放大器和一些分立元器件及单片机构成的“压控恒流源”方法实现，与纯模拟元件构成的恒流源相比，这种方法在恒流精度和线性度上都有明显的提高。
但是该方法中单片机是用作显示与控制电压的给定，并未对输出电流实时检测和控制，属于开环控制系统，影响了恒流源的稳定性及精度。
第42卷第4期2021年4月发光学报CHINESE JOURNAL OF LUMINESCENCEVol.42No.4Apr.,2021文章编号：1000-7032(2021)04-0510-08RLC振荡的脉冲激光器驱动特性李泽安心,王玉冰",秦莉',宁永强',王立军"(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所发光学及应用国家重点实验室，吉林长春130033；2.中国科学院大学材料与光电研究中心，北京100049；3.鹏城实验室，广东深圳518055)摘要：在飞行时间测距(TOF)的脉冲激光雷达(lidar)中，激光器驱动十分重要,其性能直接影响激光雷达系统的作用距离、信噪比和虚警率等指标，是激光雷达的关键组成部分。
本文在目前常见的激光器驱动电路模型基础上进行创新，在储能电容的充电电路中引入适当电感，形成电阻电感电容(RLC)二阶微分振荡电路，可以大幅度提高脉冲激光器的驱动电压，从而提高驱动电流，驱动激光器产生大功率、窄脉宽的激光。
经过理论计算、软件仿真和实验验证，引入适当的电感可以将脉冲激光器的驱动电流提高85%以上，输岀功率提高114%以上。
关键词：激光雷达；大功率；窄脉宽；微分振荡电路中图分类号：TN952；TN248.4文献标识码：A DOI：10.37188/CJL.20200378On the Characteristics of Pulsed Laser Driver Based on RLC OscillationLI Ze-an1,2,WANG Yu-bing1*,QIN Li1,NING Yong-qiang1,WANG Li-jun1，3(1.State Key Laboratory of Luminescence and Applications,Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Science,Changchun130033,China；2.Center of Materials Science and Optoelectronics Engineering,University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China；3.Peng Cheng Laboratory,Shenzhen518055,China)*Corresponding Author,E-mail:wangyubing@Abstract:The laser driver circuit is very important in time-of-flight lidar.Its performance directly affects many key system parameters such as detection range,signal-to-noise ratio and false alarm rate.This article innovatively introduces appropriate inductance in charging circuit,forming resistance,inductance and capacitance(RLC)second-order differential oscillation circuit,which can greatly increase the driving voltage of the pulse laser and thereby increasing the driving current that drives the laser to produce high-power,narrow-pulsewidth laser.Theoretical calculations,numerical simulations and experimental verification show that driving current of pulse laser can be increased for over85%,and the output power is increased for over114%as an appropriate inductor is introduced into the system.Key words:lidar；high power；narrow pulse width；differential oscillator circuit收稿日期：2020-12-10；修订日期：2020-12-31基金项目：国家重点研发计划(2017YFB1104400)；国家自然科学基金(61934003)；吉林省科技发展计划(20200501007GX, 20200501008GX)资助项目Supported by National Key R&D Program of China(2017YFB1104400)；National Natural Science Foundation of China(61934003)；Projects of Jilin Province Science and Technology Development Plan(20200501007GX,20200501008GX)第4期李泽安，等：RLC振荡的脉冲激光器驱动特性5111引言激光雷达是利用激光束对目标进行测量的一种遥感设备，在军事［1-2］、商用［3］和民用［4-5］等领域有着广阔的应用前景。
半导体激光器驱动器安全保护电路的设计
1.过电流保护电路：激光器驱动电路中加入过电流保护电路，可以防
止激光器在工作时因过载而烧毁。
过电流保护电路可以通过电流传感器检
测激光器的工作电流，当电流超过设定值时，保护电路会切断电源，保护
激光器的安全。
2.过温度保护电路：激光器工作时会产生热量，如果温度过高，会对
激光器的正常工作产生不良影响甚至损坏激光器。
因此，过温度保护电路
是必不可少的。
过温度保护电路通过温度传感器监测激光器的温度，当温
度超过设定值时，保护电路会采取相应的措施，例如关闭电源或降低输出
功率，以保护激光器的安全。
3.短路保护电路：激光器驱动器输出端可能会存在短路的情况，如果
不及时进行保护，会导致激光器过载而烧毁。
因此，短路保护电路是必要的。
短路保护电路可以通过监测输出电流来检测短路，当检测到短路时，
保护电路会切断电源或降低输出功率，以保护激光器的安全。
4.过压保护电路：激光器工作时需要一定的电压，但如果电压过高，
会对激光器产生损坏。
因此，过压保护电路是必不可少的。
过压保护电路
可以通过电压传感器监测激光器输入电压，当电压超过设定值时，保护电
路会切断电源或降低输出功率，以保护激光器的安全。
以上是一些常见的半导体激光器驱动器安全保护电路的设计。
当然，
具体的设计还需要根据激光器驱动器的具体情况和需求来进行细化和优化。
在实际设计中，还需要充分考虑电路的稳定性、可靠性和成本等因素。
5KV重复频率高压脉冲电源设计编辑整理：尊敬的读者朋友们：这里是精品文档编辑中心，本文档内容是由我和我的同事精心编辑整理后发布的，发布之前我们对文中内容进行仔细校对，但是难免会有疏漏的地方，但是任然希望（5KV重复频率高压脉冲电源设计）的内容能够给您的工作和学习带来便利。
同时也真诚的希望收到您的建议和反馈，这将是我们进步的源泉，前进的动力。
本文可编辑可修改，如果觉得对您有帮助请收藏以便随时查阅，最后祝您生活愉快业绩进步，以下为5KV重复频率高压脉冲电源设计的全部内容。
5KV重复频率高压脉冲电源设计作者：佚名来源：维库发布时间：2010—4-28 9：14：17 ［收藏］［评论]5KV重复频率高压脉冲电源设计概述:重复频率高压脉冲产生技术是随着近代科学实验而发展起来的一门技术。
主要是依据实验需求，产生不同幅值、频率和脉冲宽度等参数的高压脉冲。
目前在科学研究、工业生产、技术改造中得到越来越多的应用.5 kV重复频率高压脉冲电源主要用于气体的预电离,在毛细管放电X线激光的研究中，预脉冲放电对气体预电离被认为是产生X线激光的必要条件。
本文利用IGBT做主开关，通过脉冲变压器升压的方式来得到高压脉冲，采用工控计算机和数据采集控制卡对整个系统进行控制。
1 系统总体设计 脉冲电源的主要指标要求：脉冲电压3～5 kV可调；脉冲宽度2~20 μs可调;脉冲频率1~200 Hz可调;脉冲电流最大100 A。
根据指标要求，所设计的系统原理框图如图l所示。
系统工作过程如下：由控制系统控制可调直流高压电源给储能电容器充电,当充电电压达到设定值后，再控制IGBT按照设定的频率和脉冲宽度导通，产生脉冲电压加在高压脉冲变压器原边,最后由高压脉冲变压器升压，产生所需的高压脉冲加在负载上。
2 高压脉冲变压器设计 依据指标要求,高压脉冲变压器的主要参数如下：变比设计为1：4；次级电压为5 kV；初级电压为1．25 kV；最大脉冲宽度为20μs;频率最大为200 Hz。
大功率半导体激光泵浦固体激光器脉冲电源设计赵清林;曹茹茹;王德玉;袁精;李述【期刊名称】《强激光与粒子束》【年(卷),期】2018(030)011【摘要】介绍一种大功率半导体激光泵浦固体激光器(DPSSL)脉冲驱动电源的设计电路及其控制方法.根据半导体激光器的工作特性,采用前级电容充电电路与后级脉冲电流产生电路相结合的电路结构.由于LCC谐振电路具有软开关特性和抗负载短路、开路的能力,又能够实现对储能电容恒流充电的功能,因此其适合做为脉冲电源中储能电容的充电电路;后级脉冲电流产生电路选择大功率MOSFET做为主控器件,利用MOSFET饱和区的漏极电流可控性,通过栅极电压控制产生负载脉冲电流.控制部分采用模拟与数字相结合的控制方式,使脉冲电源控制更加灵活,引入脉冲电流指令给定积分器,可以更有效地控制脉冲电流上升过程,抑制电流过冲,提高控制精度,使脉冲驱动电源产生类似矩形波的大功率脉冲电流.搭建了脉冲功率为28 kW 的实验平台,实验达到的指标:脉冲电流幅值80 A,脉冲电压350 V,脉冲宽度100μs,重复频率100 Hz.【总页数】6页(P123-128)【作者】赵清林;曹茹茹;王德玉;袁精;李述【作者单位】燕山大学电气工程学院,电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛 066004;燕山大学电气工程学院,电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛 066004;燕山大学电气工程学院,电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛 066004;燕山大学电气工程学院,电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛 066004;燕山大学电气工程学院,电力电子节能与传动控制河北省重点实验室,河北秦皇岛 066004【正文语种】中文【中图分类】TM461.5【相关文献】1.用于泵浦固体激光器的大功率半导体激光材料及器件实用化研究 [J], 徐波;韩勤2.半导体激光泵浦复合晶体固体激光器的热效应 [J], 杨丽颖;李嘉强;张金玉;徐晓明;曹剑3.半导体泵浦固体激光器在激光加工中的应用 [J], 任旭升;檀慧明;钱龙生4.高功率半导体激光器端面泵浦Nd:YVO_4固体激光器热致损耗的研究 [J], 刘均海;吕军华;卢建仁;邵宗书;蒋民华5.用于较大泵浦尺寸半导体泵浦固体激光器的一种特殊腔型 [J], 杜戈果;朱鹤元;朱九皋;李富铭因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
半导体激光器驱动电路的研究与设计袁林成;蒋书波;宋相龙;陆志峰【摘要】The design of semiconductor laser driving circuit is an important technology to decide the stability of semiconductor laser system,and it has an important impact on the output characteristics of the laser.The variation of injection current will cause the laser emission frequencyvariation,eventually lead to jump mode or multi-mode op⁃eration. In order to ensure the quality of the laser output of semiconductor laser,a high performance laser driving cir⁃cuit is studied and designed,this driving circuit includs power supply circuit,constant current sourcecircuit,protec⁃tion circuit and time delay buffer circuit four parts;C is simulated by software Multisim. The actual circuit results compares withthe exploited result map,finally the application of photon counter to test the laser output intensity fluctuation is defined in the 200 kilo-count/s to 400 kilo-count/s range,stability and has a high precision,the experi⁃mental results show that the sufficient stability and high precision satisfy the follow-up experiment.%半导体激光器驱动电路的设计是决定半导体激光器系统稳定性的重要技术，对于激光器输出特性有重要影响。
纳秒级高压脉冲电源的设计与仿真张晗【摘要】利用电力电子技术与脉冲功率技术设计了一台纳秒级高压脉冲电源。
电源低压部分采用电力电子技术中的BUCK电路与串联谐振电路，高压部分采用脉冲功率技术中的磁脉冲压缩（MPC）网络与半导体断路开关（SOS）。
对高压脉冲电源的整体设计作了阐述，介绍了可饱和变压器与磁开关、晶闸管、半导体断路开关的参数设计。
利用PSPICE软件和泰克示波器两种方式对所设计的电源进行了仿真和试验。
试验测得在输出负载上产生了一个峰值高达50kV、半高宽为120ns 的负极性脉冲。
【期刊名称】《电器与能效管理技术》【年(卷),期】2016(000)008【总页数】6页(P63-68)【关键词】电力电子技术;脉冲功率技术;纳秒级高压脉冲电源;磁脉冲压缩;半导体断路开关;PSPICE软件【作者】张晗【作者单位】南方电网超高压输电公司检修试验中心,广东广州510663【正文语种】中文【中图分类】TM910.2脉冲电源可应用于等离子体物理、强脉冲X射线技术、高频脉冲焊接、核医疗γ照像机高功率激光、大功率微波、电磁脉冲、电爆炸、闪击航空和航天器的模拟等，范围极其广泛。
近年来,随着半导体开关技术的发展,逐步实现了开关技术的大功率、耐高压、大电流驱动等优点,实现了脉冲电源的高电压峰值与窄脉冲宽度[1-8];磁脉冲压缩技术从工作电压、峰值电流、重复频率、使用寿命等方面有效地克服了火花隙开关、IGBT、闸流管、晶闸管等大功率开关性能的不足给脉冲功率系统带来的限制。
近年来，以非晶态合金、铁基纳米晶为代表的新一代高频软磁材料的出现，打破了磁开关在高重复率脉冲功率系统中应用的限制,且最近出现的一种新颖电路解决了磁芯复位这一难题,使得磁开关能够达到更高的重复频率[9-16]。
因此,本文结合电力电子技术和脉冲功率技术,设计了一台纳秒级高压脉冲电源。
首先利用电力电子技术中的整流、逆变、串联谐振等原理设计了一台串联谐振电源,然后利用磁脉冲压缩(MPC)技术与半导体断路开关(SOS)技术将脉冲升压和整形,最终得到一个纳秒级的高压脉冲电源。
脉冲式激光驱动电源的研究与设计 1.1 引言
二十世纪后期到二十一世纪初，超短脉冲激光成为强有力的科学研究手段，使科研上升到一个新的层次。一些国家和部门重点实验室的科研项目，有很大比例围绕着超短脉冲激光及其应用。由于半导体激光器的增益带宽很宽适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用[62]。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用。大电流超短脉冲半导体激光器可以直接作为仪器使用，它更可以作为系统的一个关键部件、一个激光光源。它将作为火花启动庞大的仪器装备制造业，因此研究如何从半导体激光器获得大电流超短脉冲激光备受重视，也是我国亟待解决的科技问题。目前，美、德、日等国在脉冲驱动源的发展走在了前列，已经达到很高的水平，据文献报道[62,63]，他们目前已能获得电流达几十安培甚至上百安培，脉冲宽度达到纳秒，甚至皮秒级的半导体激光器驱动电源，但该电源还处于实验阶段，尚未商品化。一些半导体器件公司研制的LD驱动电源指标也已经很高，并且商品化。如专门生产小型化高速脉冲源著称的AVTECH公司生产的型号为AVOZ-A1A-B、AV-1011-BDE驱动电源，其电流脉冲峰值可达2A，脉宽为100nS脉冲上升时间仅为10nS，重复频率可达1MHz。并带有通用的接口总线，通用性强，可用于驱动多种类型的半导体激光器。DEI公司的PCO-7210驱动电源脉宽小于50nS，重复频率也达到1MHz，峰值电流为十几安培，但这些产品价格昂贵，需要一到两万美金左右。在国内，对于脉冲式驱动电源的开发，大多用于光纤通信，其对输出电流的要求很低，只有几十毫安即可。由于半导体激光器的增益带宽很宽，适于产生超短脉冲激光，且体积小、能耗低、寿命长、价格低廉，操作控制简便，特别适用于军用、工业、交通、医学和科研应用。因此，研究如何从LD获得超短脉冲激光就一直受到人们的高度重视，超短脉冲激光器以其自身的优点在激光领域里得到了广泛的应用[64,65]。本章通过分析比对，选取快速开关器件VMOSFET作为半导体激光器脉冲驱动电路的核心元件，得到了大电流、窄脉冲输出。本设计具有结构简单、小型化、低电压供电、脉冲指标易于调整等优点。其主要设计指标如下： 1.脉冲宽度最小为30nS且连续可调； 2.脉冲频率在500Hz~50KHz连续可调； 3.最大输出电流峰值为5A。
1.2 超短脉冲驱动电源的设计 1.2.1超短脉冲驱动电源的整体设计 一、脉冲驱动电源的主要技术指标 从半导体激光器脉冲驱动电源的发展趋势来看，驱动技术是向着重复频率变高、功率输出增大、响应时间缩短，脉宽越来越窄的方向发展[66]。 （1）重复频率。重复频率是指电源向负载每秒中放电的次数，它是脉冲电源的一项重要指标。一般情况下，把每秒低于一次的电源叫低重复频率电源；而把每秒高于一次的电源叫高重复频率电源，每秒高于一千次的叫超高重复频率电源。电源的重复频率是根据激光器的要求而决定的。 （2）输出功率。输出功率就是激光器电源传送给负载的功率。对脉冲式电源，输出给负载的单次能量是一项基本指标。如果定义电源输出的单次能量是Jc，工作频率是f，输出能量是Po，那么就有Po=Jc·f （3）占空比。占空比是指高电平在一个周期之内所占的时间比率。它是在连续的脉冲信号频率或周期不变的前提下定义的，用来衡量开关管导通或截至状
况，在这个前提下，设开关管的导通时间为Tо，脉冲周期为T，则占空比为Tо:T比如方波的占空比就是50%。 （4）一般在谈到脉冲波型的时候都是把它当作理想的矩形波来考虑的，而实际上出现的波形，由于是通过一系列传输电路来的，所以总会有一些频段被丢失，一般波形的棱角会变钝。图6.1给出了实际的脉冲波型，对波形一般采用如下定义：
图1.1波形的要素 ◆ 脉冲周期T：周期性重复的脉冲序列中，两个相邻脉冲的时间间隔；
◆ 上升时间tr：从脉冲前沿波形的10%到达90%的时间； ◆ 下降时间tf：从脉冲后沿波形的90%到达10%的时间； ◆ 上冲电压Vover：脉冲前沿波形中瞬时超过最终脉冲振幅值的超越电压； ◆ 下冲电压Vunder：脉冲后沿波形中瞬时低于低电平并返回的超越电压； ◆ 脉冲宽度tw：从脉冲前沿到达波形振幅的50%到脉冲后沿到达振幅的50% 位置的时间间隔；
◆ 占空比q：对于非理想脉冲，占空比定义为脉冲宽度与脉冲.周期的比值，即q=tw/T； ◆ 延迟时间td：从输入波形通过50%振幅的时刻，到波形的输出波形通过50%的时刻。 二、设计的主要技术指标 半导体激光器工作于脉冲方式，驱动电源输出电流的幅频率均要可调。针对实际要求，提出设计的半导体激光器脉源的指标：
◆ 重复频率满足输出脉冲在500Hz到50KHz可调；
◆ 输出脉冲电流为3A以上，属于大电流输出方式； ◆ 输出电流脉宽较窄且脉宽可调； ◆ 上升时间和下降时间在纳秒量级； ◆ 由于脉宽较窄且频率不高，属于低占空比工作方式 ◆ 外围辅助电路保证激光器正常工作。
三、总体框图设计 在仔细分析了半导体激光器的工作原理、半导体激光器的特性和它在使用过程中对驱动电源提出的具体技术指标后，提出了脉冲式半导体激光器驱动电源主电路的设计方案如图1.2所示。
图1.2脉冲式半导体激光器驱动电路框图 半导体激光器脉冲驱动电源首先要产生一个超短电脉冲，用它来激励下级功率放大模块。由于电脉冲的频率和脉宽直接影响到输出脉冲的指标，所以在两者之间又设计了脉冲调理电路，它可以实现窄脉宽且频率在指标范围内连续可调，同时将脉冲信号进一步窄化。通过功率放大电路对前级产生的超短电脉冲进行放大，从而驱动半导体激光器。辅助电路除了用单片机测频外，还设计了防冲击保护和短路保护电路[67,68]。 1.2.2超短电脉冲单元电路的设计 一、脉冲发生电路的设计 脉冲发生电路一般由两部分组成：一部分是开关电路，另一部分是惰性电路。晶体管、逻辑门和555定时器都具有开关特性，它们可以构成脉冲电路中的开关电路；电容和电感是惰性元件，它们和电阻可以构成脉冲电路中RC、LC和RLC惰性电路[69,70]。 惰性电路选择用电容和电阻构成的RC电路，因此，RC电路的充放电特性是影响脉冲波形参数的重要因素。图1.3给出了RC充放电示意图，当开关位置由1变为2时，电容C开始经电阻R充电，使电容上的电压V c(t)以指数规律上升，如图1.4所示。
图1.4 RC电路充电特性 图 1.3 RC充放电示意图 由图1.3可得： VC(t)= VC(∞)+[ VC（0＋）－VC (∞)]e-t/ξ 式中，Vc(∞)为电容电压的稳态值，在充电过程中Vc(∞)=E（电源电压）：VC(0+)为电容电压的初始值，在充电过程中VC(0+)=0V；τ为充放电回路的时间常数，在本电路中τ=RC。在脉冲电路中，一般分析RC充、放电过程的某一阶段的电压变化的幅度，或者时间。下面以图6.4为例，介绍电容电压VC(t)从VC (t1)到VC (t2) 的阶段变化过程。为了方便分析把VC (t1) 看作是电容充电的初始时刻VC(0+)，把VC (t2) 看作是电容充电的转折值而t1时刻到t2时刻经历的时间为tw。在脉冲电路中，如果知道电容电压的稳态值VC(∞) 初始值为VC(0+)和时间常数τ，就可以从式1.2推导出RC充、放电过程的电压变化幅度，或者充、放电过程经历的时间。例如：已知电容电压变化幅度VC (tw) 则tw为：
（1.3） 一般外加电压加上τ秒后，跨于电容两端的电压为外加电压的63%，在经历5τ秒后，认为电容器基本充满。脉冲电路的另一部分就是开关电路。555定时器是一种多用途的数字——模拟混合集成电路，具有使用简便、灵活的特点，且应用广泛，性能稳定[71]。只要在其外部配上几个适当的阻容元件，就可以很方便的构成脉冲产生和变化电路。图1.5为利用555定时器连接的多谐振荡电路，可知该电路的定时元件是R1、R2和C。其工作过程如下：当电容C放电时，电压由2／3Vcc按指数规律下降，此时Q=1，T1导通且饱和，电容C通过回路C→R2
→T1放电，τ1=R2C（忽略了T1管饱和电阻）当电容充电时，C上的电压由1／
3Vcc指数规律上升，电容器在充电，此时Q=0，T1截止，C通过回路Vcc→R1
→R2→C充电，τ2= (R1+R2)C.
图1.5 555定时器构成的多谐振荡器 根据式6.3求出脉宽tw和脉冲周期T。
二、脉冲梳理电路的设计 由555定时器组成的多谐振荡器输出的矩形波，脉宽较宽且上升时间下降时间较长，为了能使下一级功率放大电路有高质量的脉冲产生，必须要加入整形电路。对于数字系统中的整形常常采用单稳态触发器，它具有以下特点：输出只有一个稳态，当由外触发脉冲作用时它能从稳态转到暂稳态，但在暂稳态维持一段时间后，能自动返回稳态，此暂态维持时间的长短仅取决于电路本身的参数，而与外触发脉冲信号的宽度无关。 单稳态触发器可以由分立元件构成，也可以由集成电路构成。TTL或CMOS集成单稳态触发器产品只需外接少量定时元件即可，电路设置了上升沿和下降沿两种触发方式，并有互补的输出端Q（输出正脉冲）和Q（输出负脉冲），此外还设置了清零端，使用极为方便。由于电路集成在一片芯片上并采取温度补偿措施，因此稳定性较好[72]。设计选用了SN74123芯片构成单稳态触发器，其正、负边沿均能触发工作，典型的传输延迟时间为20nS左右，边沿时间为15nS。SN74123为5V供电、16管脚的单稳态多谐振荡器。由它组成的脉冲 整形电路如图1.6所示。
图1.6 SN74123构成的单稳态触发电路 SN74123输出脉冲宽度由外接电阻R和电容C决定。 当C≤1000pF时，输出脉冲宽度为 twt=0.7RC （1.7） 当C＞1000pF时，输出脉冲宽度为 twt=0.45RC （1.8） 式中：R单位为K?，C单位为pF，tw单位为nS。通常R取值在2-30KΩ之间，C的数值取在10pF-10μF之间，得到的tw的取值范围可达到20nS-200mS，实现了输出脉宽可调的特性。经过一级由SN74123组成的脉冲整形电路，可以得到一个脉宽较短的触发脉冲了，其脉冲宽度已经初步达到了设计要求。
三、超短电脉冲单元电路的整体设计
