一種用于光纖激光器泵浦的半導體激光器驅動電源

摘要：報道一種為光纖激光器泵浦的半導體激光器驅動電源。采用大功率MOS管IRL7833為調整管，利用集成運放的深度負反饋工作狀態實現恒流輸出。采用單片機AT89C51實現PID算法進行軟件閉環控制，以縮短系統的動態平衡時間，進一步提高系統的穩定性。給出了限流、延時軟啟動保護電路。經實驗驗證，系統穩定度高、實時性好，可以用于光纖激光器泵浦。
關鍵詞：光纖激光器；恒流源；半導體激光器；泵浦

0 引言
雙包層泵浦光纖激光器具有電光轉換效率高、體積小、壽命長、光束質量好等優點，在光通信、高精度激光加工、激光醫療以及軍事等領域有著廣泛的應用。泵浦源是光纖激光器重要的組成結構，為光信號的放大提供能量。泵浦源性能對光纖激光器影響很大，例如泵浦效率、泵浦光帶寬、泵浦源的壽命、尺寸和價格等都直接影響最終器件的性能。與其他激光光源相比，半導體激光器作為泵浦源有很多優點：電一光轉換效率高、輸出激光波段范圍廣、使用壽命長、可靠性高、體積小、質量輕、價格便宜、耗電省、具有直接調制能力等。光纖激光器泵浦源一般是大功率的半導體激光器，要求驅動電源能輸出足夠大的電流。同時半導體激光器是靠注入電流而工作的，是一種電流敏感器件，驅動電流的很小波動不僅會產生激光強度噪聲，還會使輸出激光的波長譜展寬，同時靜電、高壓、浪涌電流以及電網沖擊等都會使半導體激光器半導體激光器性能惡化，壽命減短，甚至造成永久性損壞。因此設計一種大功率、高穩定度、性能可高的驅動電源是十分必要的。
目前，在國外，對半導體激光器驅動源的研究已經取得了不錯的成果，特別是德國、英國、日本等國家，半導體激光器驅動源的研究技術已經非常成熟，達到了很高的水平，并且實現了商品化，但其價格比較昂貴。在國內，小功率的半導體激光器驅動電源已有成熟的商品，高重復頻率、大功率、窄脈沖驅動電源發展不成熟，有些技術指標難以達到要求，因此對半導體激光器驅動電源繼續進行研究，不斷完善其性能指標，有十分重要的意義。

1 系統整體結構
驅動電源的整體結構如圖1所示，上位機對泵浦半導體激光器的工作電流和安限電流進行設置，通過RS232通信傳輸到單片機，單片機89C52RC進行處理，再由DAC轉換成對應的模擬量，這一模擬量分別作為控恒流源的基準電壓和安限控制電壓。取樣電路對輸出屯流實時取樣，采樣電壓送到集成運放的反相輸入端，構成一負反饋網絡，輸出電流由硬件進行閉環控制，保證恒流輸出。同時，采樣電壓經ADC轉換后輸入單片機，與預設電壓比較，通過內部的PID算法子程序來調整預設電壓，從而形成了軟件閉環控制。硬件和軟件的雙重閉環控制大大提高了輸出電流的精確度。采樣數據進行存儲、上傳，由上位機對電流進行顯示。采樣電流大小接近安限電流時，單片機控制蜂鳴器發出報警。

可見，理想情況下輸出的電流與輸入電壓是線性關系，并且電流是穩定的。但是由于元器件的不穩定性，輸出電流會有波動。電流的穩定性受基準電壓Vr、取樣電阻Rs和反饋網絡R1和R2的影響。對I0全微分得：

式中α1、α2、α3、α4分別表示基準電壓、取樣電阻、負反饋網絡中R1和R2對電流穩定性的影響。根據電阻實際取值，α1和α2的值遠大于α3和α4，所以輸出電流的穩定性主要取決于取樣電阻Rs的溫漂和基準電壓的穩定性。增加Rs的值可以減小取樣電阻溫漂帶來的影響，阻值增加會使采樣電阻的功耗急劇增加，所以取樣電阻Rs選用光頡屯阻TR35(50m Ω，±50 PPM／℃，精度為±0．5％)。調整管選用大功率MOS管IRL7833，其連續漏極電流最大值可達150A，RDS(on)最大值為44mΩ，開啟電壓VGS(th)最大值為2．3V，漏極和源極之間最大電壓VDS為30V。