半導(dǎo)體激光器LD工作影響因素

半導(dǎo)體激光器的核心是PN結(jié)一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞，則無法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復(fù)合，視其破壞程度而表現(xiàn)為激光器輸出降低或失效。

造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過凈化工作環(huán)境來解決，而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會產(chǎn)生半導(dǎo)體激光器PN結(jié)損傷或擊穿，其產(chǎn)生原因是多方面的，包括：①電源開關(guān)瞬間電流;②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機;③雷電;④強的靜電場等。實際工作環(huán)境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短，因此必須采取措施加以防護。

傳統(tǒng)激光器電源是用純硬件電路實現(xiàn)的，采用模擬控制方式，雖然也能較好的驅(qū)動激光，但無法實現(xiàn)精確控制，在很多工業(yè)應(yīng)用中降低了精度和自動化程度，也限制了激光的應(yīng)用。使用單片機對激光電源進行控制，能簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu)，有效地解決半導(dǎo)體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性等問題。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展，采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高。

在穩(wěn)壓或穩(wěn)流電源中,目前常用的是開關(guān)電源和線性電源,由于開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)較差、紋波系數(shù)較大[2],對瞬態(tài)特性和溫度要求較高的半導(dǎo)體激光驅(qū)動電源采用線性電源較為合理。為了實現(xiàn)高的電流穩(wěn)定度,驅(qū)動電路大多采用負反饋的控制方法,原理圖見圖2。工作時,通過電阻電流采樣反饋為驅(qū)動電流提供有源控制。方法是在功率晶體管的源極串聯(lián)一個采樣電阻RS,用于取樣反饋，該取樣電壓經(jīng)過I/U轉(zhuǎn)后,作為反饋電壓與設(shè)定電壓進行比較,進而通過調(diào)整功率晶體管的電阻大小對輸出電流If進行調(diào)整。整個閉環(huán)反饋系統(tǒng)處于動態(tài)平衡中,以達到穩(wěn)定電流的目的。 輸出電流If與設(shè)定的參考電壓Vref的關(guān)系可由負反饋原理得到 ,上式只是一個近似的表達,隨著負載的不同和輸入電壓的變化,輸出電流還是有微小的變化,但是由于前置放大器放大倍數(shù)很高,使得輸出電流變化很小,穩(wěn)定度一般能達到10-5量級。實際上,線形穩(wěn)壓源和穩(wěn)流源的結(jié)構(gòu)原理基本相同,只是輸出方式的不一樣,即負載的加載方式不同,譬如,在圖2中,如果負載也采樣電阻并行連接,圖2 就成了一個恒定輸出電壓為Vref的穩(wěn)壓源。同樣的,基于這種方式的穩(wěn)壓源稍加調(diào)整也可作為恒流源。目前,各種可調(diào)穩(wěn)壓器集成芯片技術(shù)成熟,產(chǎn)品豐富,因此可以對這種芯片的功能進行擴展以滿足我們的設(shè)計要求。

考慮到實際應(yīng)用情況,如電源體積、輸出電流大小、特別是瞬態(tài)響應(yīng),我們選用ONSEMI公司的低壓差大電流集成可調(diào)穩(wěn)壓芯片NCP5662,它的瞬態(tài)響應(yīng)比同類穩(wěn)壓器要快,建立時間1-3us,可承受電流值達2A,具有內(nèi)部電流限制和熱保護功能等,其功能框圖如圖3所示。 圖3顯示的是其穩(wěn)壓工作的情況,根據(jù)前面敘述的原理,對該集成電路進行擴展以將其設(shè)計成為一個穩(wěn)定度很高的恒流源,幾種擴展方法中,實驗證明比較合理的工作方式如圖4所示。先不考慮圖中虛框內(nèi)的電路,當加電之后,電路開始工作,進入穩(wěn)態(tài)時,由于集成電路內(nèi)部的反饋作用,R11兩端的電壓始終保持在0.9V,所以,R7兩端的電壓始保持在 ,故流過R7兩端的電流Is由下式確定: 　因此,改變R3、R11、R7可以靈活的調(diào)整輸出電流的值。按照圖4中各元件的取值,通過計算得到Is=2A,此恒定電流將流過激光二極管到地,由于 NCP5662內(nèi)部的比較器具有很高的放大倍數(shù),因此,電流的穩(wěn)定度非常的好。另外,從R11和NCP5662的GND端流出到負載的電流小于4mA,與2A相比影響很小。圖中C8的作用為改善電源的瞬態(tài)響應(yīng)特性。