一种窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路

摘要

本发明的窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、变压互感器T1、晶体三极管N1、晶体三极管N2以及半导体激光器LD1。电路中的电阻R3、电阻R5、晶体三极管N2、二极管D1、电阻R4、变压互感器T1组成触发电路。电阻R1、电阻R2、电阻R6、电阻R7、晶体三极管N1、二极管D2、电容C2、电容C1以及半导体激光器LD1共同组成了半导体激光器脉冲驱动电路。本发明可实现数ns级的窄脉宽高峰值功率激光脉冲，解决了传统双极型、金属氧化场效型晶体管驱动电路驱动电流小、驱动速度慢的问题。

说明书

技术领域

    本发明涉及一种脉冲式半导体激光器驱动电路。

背景技术

    脉冲式半导体激光器驱动电路可驱动半导体激光器产生脉冲激光，可应用于分布式拉曼光纤温度传感器、脉冲式激光测距仪等领域。在分布式拉曼光纤温度传感器中，泵蒲激光脉冲的脉宽越小,系统可实现的温度空间分辨率就越高。而对于脉冲式激光测距仪，发射激光脉宽越小，则意味着可实现的测距精度越高。激光脉冲宽度的缩小意味着激光脉冲能量的减少，为了不影响系统的测程，保持必要的脉冲能量，势必需要提高激光脉冲的峰值功率。因此高峰值功率、窄脉宽的激光脉冲光源对分布式拉曼光纤温度传感器、脉冲式激光测距仪的性能指标提升有着重要的意义。

目前市场上的脉冲式半导体激光器（如905nm、980nm系列）的峰值功率可达数十瓦，对应的峰值驱动电流可达数十安培。一般的基于双极型三极管、金属氧化场效应管的驱动电路因结电容较大等原因难以在如此大的驱动电流下实现半脉宽达数ns级的窄脉宽激光脉冲，能实现的最窄半脉宽一般都超过20ns。脉冲式光纤激光器般虽然可以通过光放大器放大低峰值功率窄脉宽的种子光来实现数ns级的窄脉宽高峰值功率激光脉冲，但其成本高、体积大。

发明内容

     本发明的目的是提供一种结构简单、成本低的窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路。

本发明的窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路包括：电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、变压互感器T1、晶体三极管N1、晶体三极管N2以及半导体激光器LD1，电阻R3的一端和电阻R5的一端以及晶体三极管N2的基极相连，电阻R5的另一端以及晶体三极管N2的发射极与信号地相连，晶体三极管N2的集电极与二极管D1的正极以及电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与变压互感器T1一次线圈的一端相连，变压互感器T1一次线圈的另一端与二极管D1的负极共同连接5V-12V直流稳压电源，二极管D2、电阻R6、电容C2和半导体激光器LD1组成并联电路，其中，半导体激光器LD1的正极和二极管D2的负极相连，半导体激光器LD1的负极和二极管D2的正极相连，并联电路中的半导体激光器LD1正极和二极管D2负极的连接端与晶体三极管N1的发射极以及变压互感器T1二次线圈的一端相连，并联电路中的半导体激光器LD1负极和二极管D2正极的连接端与功率地相连，变压互感器T1二次线圈的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与晶体三极管N1的基极相连，晶体三极管N1的集电极和电阻R1的一端及电容C1的一端相连，电阻R1的另一端与200V-300V的可调直流电源相连，电容C1的另一端与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与功率地相连。

本发明的有益效果在于：

本发明的窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路采用基于雪崩三极管的快速大电流脉冲驱动电路并结合变压互感器触发电路和并联在半导体激光器两端的辅助电容进一步压窄脉宽，提高峰值功率，从而可实现数ns级的窄脉宽高峰值功率激光脉冲，解决了传统双极型、金属氧化场效型晶体管驱动电路驱动电流小、驱动速度慢的问题。和光纤激光器相比，该驱动电路成本、功耗更低，体积更小，可应用一于分布式拉曼光纤温度传感器、脉冲式激光测距仪等领域。

附图说明

图1是窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路的电路原理图。

具体实施方式

以下结合附图进一步说明本发明。

参照图1，本发明的窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路包括： 电阻R1、电阻R2、电阻R3、电阻R4、电阻R5、电阻R6、电阻R7、电容C1、电容C2、二极管D1、二极管D2、变压互感器T1、晶体三极管N1、晶体三极管N2以及半导体激光器LD1，电阻R3的一端和电阻R5的一端以及晶体三极管N2的基极相连，电阻R5的另一端以及晶体三极管N2的发射极与信号地相连，晶体三极管N2的集电极与二极管D1的正极以及电阻R4的一端相连，电阻R4的另一端与变压互感器T1一次线圈的一端相连，变压互感器T1一次线圈的另一端与二极管D1的负极共同连接5V-12V直流稳压电源VCC，二极管D2、电阻R6、电容C2和半导体激光器LD1组成并联电路，其中，半导体激光器LD1的正极和二极管D2的负极相连，半导体激光器LD1的负极和二极管D2的正极相连，并联电路中的半导体激光器LD1正极和二极管D2负极的连接端与晶体三极管N1的发射极以及变压互感器T1二次线圈的一端相连，并联电路中的半导体激光器LD1负极和二极管D2正极的连接端与功率地相连，变压互感器T1二次线圈的另一端与电阻R2的一端相连，电阻R2的另一端与晶体三极管N1的基极相连，晶体三极管N1的集电极和电阻R1的一端及电容C1的一端相连，电阻R1的另一端与200V-300V的可调直流电源HV相连，电容C1的另一端与电阻R7的一端相连，电阻R7的另一端与功率地相连。

图中，INPUT表示触发信号输入端。电阻R3、电阻R5、晶体三极管N2、二极管D1、电阻R4、变压互感器T1组成触发电路。电阻R3、电阻R5组成触发电路的输入驱动网络，变压互感器T1、电阻R4、晶体三极管N2组成变压互感器驱动电路，二极管D1用于保护变压互感器T1。电阻R1、电阻R2、电阻R6、电阻R7、晶体三极管N1、二极管D2 、电容C2、电容C1以及半导体激光器LD1共同组成了半导体激光器脉冲驱动电路。其中，200V-300V的可调直流电源HV、电阻R1、电容C1、电阻R7、功率地组成对电容C1的充电回路，电容C1、电阻R7、半导体激光器LD1、晶体三极管N1组成了电容C1的放电回路，二极管N2和电阻R6用于保护半导体激光器LD1不受反向电压脉冲的损坏，电容C2作为辅助贮能电容，用于进一步压缩激光脉冲的半脉宽并提升激光脉冲的峰值功率。

晶体三极管N1采用快速耐高压大电流雪崩三极管，如Zetex公司生产的ZTX415雪崩晶体三极管，其集电极-基极反向击穿电压VCBO可达260V，最大集电极脉冲（半脉宽为20ns时）电流ICM达60A。二极管D2采用快速肖特基二极管，如MUR160。变压互感器T1采用快速变压互感器，如ADT1-1WT。晶体三极管N1采用快速开关型晶体三极管，如FBR520。为了减少器件分布电感的影响，电容C1可采用多个电容并联，电阻可采用多个电阻并联，所用器件尽量采用小尺寸的表面安装封装，半导体激光器LD1的引脚应尽量短。在制作印刷电路板时，为尽量少减小电路板分布参数的影响，应遵循快速电路设计原则设计印刷电路板，如：元器件的布置应尽量紧凑，器件间的引线应尽量短，应设置大面积的地线等。

工作时，需在该窄脉宽高峰值功率脉冲式半导体激光器驱动电路的输入端输入触发脉冲信号，触发脉冲的半脉宽为50ns左右，当触发脉冲信号为低电平时，晶体三极管N2截止，变压互感器T1的一次线圈无电流通过，二次线圈无电压信号输出，此时晶体三极管N1处于截止状态，200V-300V的可调直流电源HV通过电容C1、电阻R7以及功率地组成的回路对电容C1充电。当触发脉冲信号为高电平时，晶体三极管N2导通，变压互感器T1的一次线圈有电流通过，二次线圈输出放大的电压信号去驱动晶体三极管N1，此时晶体三极管N1进入雪崩状态，电容C1经晶体三极管N1的CE结、半导体激光器LD1、电阻R7进行放电，此时半导体激光器LD1有快速大峰值电流的脉冲电流经过，从而驱动半导体激光器LD1发出窄脉冲高峰值功率的激光脉冲，电容C2在电容C1放电过程中吸收了部分能量，在半导体激光器LD1中的电流处于峰值状态时又释放岀能量，从而进一步压窄激光脉冲的脉宽并提升峰值光功率。采用变压互感器T1有利用提升晶体三极管N1基极-发射极之间的驱动电压，加快晶体三极管N1进入雪崩状态的时间，此外其独特的变压互感驱动回路还能隔离触发电路并有效抑制反弹信号对激光脉冲形状的干挠。

电容C1的取值可根据下述公式（1）来估算：

C1×Uc=Ip×τ     （1）

其中C1为电容C1的电容值，Uc为电容C1充电时最大电压值，Ip为电容C1放电时的峰值电流，τ为激光脉冲的半脉宽。假设Ip为50A，Uc为250V，τ为5ns，则电容C1的取值约为1nF。

电容C2的取值因具体印刷电路的分布参数不同，大致分布在100pF到400pF之间，具体取值可根据实验情况选定。电阻R1可根据脉冲的重复频率来定，一般为几十KΩ。电阻R7为限流电阻，一般为几个Ω，可根据实际所需激光器驱动电流来调整。