盧唯實(shí)　張梓威

摘要：高速窄脈沖激光器因?yàn)槠涓吖β拭芏群透邥r(shí)間分辨率，在激光測(cè)距和激光探測(cè)領(lǐng)域被廣泛應(yīng)用。文章介紹了窄脈沖激光器的工作原理，設(shè)計(jì)出基于特定半導(dǎo)體激光二極管的驅(qū)動(dòng)電路。便攜式移動(dòng)設(shè)備多為電池供電，低功耗是設(shè)計(jì)的另一個(gè)主要方向。通過(guò)仿真和樣機(jī)測(cè)試，證明其可行性。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光二極管；窄脈沖激光器；低功耗便攜激光器；激光測(cè)距；激光探測(cè) 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

中圖分類號(hào)：TN242 文章編號(hào)：1009-2374（2015）12-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.012

半導(dǎo)體激光器具有體積小、質(zhì)量輕、驅(qū)動(dòng)功率較低等特點(diǎn)，在激光制導(dǎo)、測(cè)距領(lǐng)域都得到重要應(yīng)用。由于在激光探測(cè)、激光測(cè)距領(lǐng)域，激光脈沖質(zhì)量直接影響其識(shí)別能力、抗干擾能力和測(cè)距精度。激光脈沖質(zhì)量和特性取決于所使用的激光二極管和配套的驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。普通的驅(qū)動(dòng)電路通常采用三極管設(shè)計(jì)，滿足了高速開(kāi)關(guān)的要求，但是驅(qū)動(dòng)能力有限。目前射頻領(lǐng)域高速M(fèi)OSFET發(fā)展迅速，開(kāi)關(guān)速度可以達(dá)到納秒級(jí)，而且瞬間導(dǎo)通電流大。本文參考了已有設(shè)計(jì)實(shí)例，在總結(jié)了相關(guān)設(shè)計(jì)思想的基礎(chǔ)上，通過(guò)相關(guān)計(jì)算，設(shè)計(jì)出了基于TC1412N和FDS3692的激光器驅(qū)動(dòng)。通過(guò)采集和分析實(shí)際探測(cè)數(shù)據(jù)，證實(shí)了這一設(shè)計(jì)思路的可行性。

1 總體結(jié)構(gòu)及工作原理

半導(dǎo)體激光器是依靠載流子直接注入而工作的，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流小于閾值時(shí)，激光器輸出光功率近似為零，在驅(qū)動(dòng)電流大于閥值電流以上的一段區(qū)域，驅(qū)動(dòng)電流與輸出光功率近似呈線性關(guān)系。這樣就可通過(guò)調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流來(lái)對(duì)LD的輸出光進(jìn)行直接調(diào)制。而且輸出脈沖寬度越小，允許最大輸出功率越大。因此，驅(qū)動(dòng)模塊要能夠提供較大的峰值電流和較窄的電流脈寬。

工作原理如圖1，由控制電路產(chǎn)生觸發(fā)信號(hào)，觸發(fā)信號(hào)經(jīng)過(guò)脈沖整形作為功率放大電路的開(kāi)關(guān)信號(hào)，脈沖電流經(jīng)由放電回路激發(fā)半導(dǎo)體激光器。

2 電路設(shè)計(jì)與參數(shù)分析

半導(dǎo)體激光器放電回路是驅(qū)動(dòng)電路的核心，由儲(chǔ)能模塊、MOSFET開(kāi)關(guān)、LD組成。脈沖產(chǎn)生及放大電路的核心采用TC1412N，該芯片是一個(gè)峰值輸出達(dá)到2A的高速M(fèi)OSFET驅(qū)動(dòng)器，高容性負(fù)載驅(qū)動(dòng)能力：1000PF的負(fù)載，輸出脈沖上升時(shí)間為18ns，脈寬為36ns。放電回路中MOSFET開(kāi)關(guān)器件是核心，它的導(dǎo)通時(shí)間和導(dǎo)通電流直接影響輸出能量和脈寬。本文選用FAIRCHILD公司的FDS3692功率MOSFET，其漏極電壓最大可達(dá)100V，脈沖電流最大

可達(dá)60A，導(dǎo)通時(shí)間為26ns，寄生電感小于2nH。

充電過(guò)程：當(dāng)MOSFET開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，放電回路斷開(kāi)，電源模塊的輸出電壓經(jīng)調(diào)制后給儲(chǔ)能模塊充電。電壓調(diào)制模塊可以改變儲(chǔ)能模塊的充電電壓，進(jìn)而改變激光脈沖的能量和脈沖寬度。充電過(guò)程中，電壓調(diào)制模塊還可以穩(wěn)定輸入電壓，保護(hù)電池模塊不受大電流損傷。

經(jīng)分析圖4可知，影響脈沖質(zhì)量的主要因素是寄生電感，而電路中寄生電感主要產(chǎn)生于LD的封裝形式。

完成仿真后，通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿真結(jié)果。由觸發(fā)電路控制，輸出激光脈沖信號(hào)，采用美國(guó)thorlabs公司的硅光電探測(cè)器DET10A/M探測(cè)輸出的激光脈沖，通過(guò)Tectronix公司的DPO3052示波器觀察脈沖波形。

通過(guò)調(diào)整電路中參數(shù)進(jìn)行了多次實(shí)驗(yàn)，最后實(shí)際測(cè)量的結(jié)果脈寬為15ns。

4 結(jié)語(yǔ)

本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊、能量效率較高，實(shí)現(xiàn)了窄脈沖激光信號(hào)的調(diào)制輸出和功率控制，非常適用于高分辨率的便攜式激光測(cè)距系統(tǒng)，具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值。

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作者簡(jiǎn)介：盧唯實(shí)（1986-），男，吉林遼源人，中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院助理工程師，研究方向：光電

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（責(zé)任編輯：周 瓊）