基於雪崩電晶體的半導體雷射器脈衝驅動電路的製作方法

2023-05-25 13:28:46

專利名稱：基於雪崩電晶體的半導體雷射器脈衝驅動電路的製作方法
技術領域：
本發明屬於半導體雷射器技術領域，具體涉及一種基於雪崩電晶體的半導體雷射器脈衝驅動電路，該電路可用於驅動半導體雷射器(雷射二極體)為光導開關觸發提供能量。
背景技術：
近年來，在脈衝功率領域的多路開關的同步觸發技術已成為脈衝功率技術發展的一個重要方向。2003年美國聖地亞實驗室公開了一種新的多路觸發技術，一個重要的方向即為基於光導半導體開關(PCSS)的多路同步觸發技術。在光導半導體開關(PCSS)的多路觸發裝置中，既要保證各路觸發光脈衝有很好的同步性，又要為光導半導體開關提供合適的觸發能量。目前一般使用大功率雷射器配合光纖傳輸建立雷射觸發系統，該系統可以實現光能量的同步傳輸，但需要一整套的外圍設備來配合工作，成本高昂，迴路優化配合困難，不方便進行參數調整。雷射二極體體積小，成本低，輸出能量和雷射波形容易調製，其作為光導半導體開關(PCSS)的驅動源有著廣泛的應用前景。半導體雷射器安裝工作方式分為連續和脈衝兩種，連續工作是指其工作電流為恆定直流；脈衝工作是指其工作在脈衝電流下，脈衝電流峰值可達數百安培，脈寬可低至幾十納秒，重複頻率從單次(I赫茲)到幾千赫茲可調，在脈衝工作模式下，半導體雷射器可以輸出很大的瞬時功率，但平均功率並不高，很適合於代替雷射器來驅動光導半導體開關。半導體雷射器驅動電源核心為高性能的儲能電容器和快速響應的高穩定脈衝電流開關器件。為了獲得快速的電流上升沿和穩定觸發延時，一般採用射頻功率場效應電晶體或雙極型電晶體作為電流開關。

發明內容
本發明的目的在於提供一種能夠獲得快速的電流上升沿和穩定觸發延時的半導體雷射器脈衝驅動電路。本發明提供的半導體雷射器脈衝驅動電路，使用雪崩電晶體作為電流開關的脈衝雷射驅動電源，利用電晶體內部載流子發生雪崩擊穿時電流急劇上升的特點，使得半導體雷射器在納秒的時間內獲得幾十至上百安培的電流。半導體雷射器發射的光脈衝是由驅動電源產生的電脈衝直接調製得到的，可以在半導體雷射器上得到上升沿小於5ns，脈寬IOOns至Ius，電流峰值IOA至100A連續可調的驅動電流。本發明提供的基於雪崩電晶體的半導體雷射器驅動電路，其組成包括:外置的高壓可調直流電源1，由雷射二極體5、儲能電容器4、雪崩電晶體3組成的充放電迴路2，可編程延時器7，雪崩電晶體驅動電路8 ;充放電迴路2中，雪崩電晶體3的發射極通過取樣電阻接地，集電極連接儲能電容器4，儲能電容器4另一端連接雷射二極體5負極，雷射二極體5正極接地；高壓可調直流電源I與充放電迴路2連接；可編程延時器7與雪崩電晶體驅動電路8連接，雪崩電晶體驅動電路8與充放電迴路2中的雪崩電晶體3連接；其中:可編程延時器7通過驅動板上脈衝輸入端子6輸入觸發脈衝，可編程延時器7用來補償系統的延時以確保各路光信號同步輸出，具體而言，可編程延時器7通過內部產生精密鋸齒波，實現25ns到6.25us的精確延時，雪崩電晶體驅動電路8為雪崩電晶體3提供發生雪崩所需的衝擊電流，所述雷射二極體5採用儲能電容器4經雪崩電晶體3直接放電驅動。本發明中，充放電迴路2中，雪崩電晶體3的發射極的接地端連接電流測量端子9，電流測量端子9與示波器連接，用於電流波形觀測。本發明中，通過調整高壓可調直流電源I的電壓可以改變雷射二極體5的輸出能量;
本發明中，電流測量端子9輸出阻抗為50歐姆，由SMA端子連接同軸電纜引出至示波器做電流波形觀測。本發明所用的技術方案具有以下優點:
(1)本發明可以驅動工作電流10-100A的雷射二極體；
(2)本發明可以在雷射二極體上獲得上升時間不大於5ns，幅度達到80A的脈衝電流；
(3)本發明採用精密延時裝置來保證多路工作時的同步性；
(4)本發明整體結構緊湊，整個電路可以被安置在印刷電路板上。


圖1是本發明的電路結構圖。圖2是本發明的電路布局圖。圖3是雷射二極體上得到的電流波形示意圖。圖中標號:1、高壓可調直流電源，2、充放電迴路，3、雪崩電晶體，4、儲能電容器，5、雷射二極體，6、觸發信號輸入端子，7、可編程精密延時器，8、雪崩電晶體驅動電路，9、電流測量端子。
具體實施例方式下面結合圖例和具體實施方式
對本發明做進一步說明。圖1是基於雪崩電晶體電流開關的脈衝雷射驅動電源模塊電路結構框圖，其利用了電晶體內部載流子發生雪崩擊穿時電流急劇上升的特點，可以在雷射二極體上得到快速的電流上升沿。直流源通過二極體D對儲能電容4充電，為雪崩電晶體3提供電壓偏置，使其處於臨界狀態，當觸發信號到來時，3內部載流子發生雪崩，電容4經過雪崩管3快速通過雷射二極體5放電。雷射二極體發射的光脈衝是由驅動電源產生的電脈衝直接調製得到的，電流上升沿小於5ns，脈寬20ns至lus，通過調節直流電源的輸出電壓可使雷射二極體電流峰值IOA至100A連續可調。為了保證多路光導開關的同步觸發，這裡加入可編程延時器7，用來補償多個驅動模塊上觸發信號和雪崩建立時間的微小差別。參閱圖2，電路板最上方從左至右分別為觸發信號輸入端子、電源輸入端子、電流檢測端子，電路板最下方凸出部分連接雷射二極體。電路板上的標號:U3為可編程延時器，U2、T1等構成雪崩管驅動電路，T2為雪崩電晶體。在電路布局中，將儲能電容器和雪崩電晶體分別放置於電路板同一位置的上下兩面，儘可能減少大電流迴路。參閱圖3，其展示了輸出電流的典型波形，上升時間5ns，脈寬30ns，電流峰值78A 除此之外，在實際使用時，雷射二極體安裝在驅動電路板下方，雷射二極體發光面向下照射光導開關表面，整個裝置通過支架固定在光學平移臺上，便於調整雷射二極體和光導開關的相對位置。上述實施例僅是本發明的一個優選方案，並非用以限定本發明的實質技術內容範圍，本發明的實質技術內容是廣義地定義於申請的權利要求範圍中，任何他人完成的技術實體或方法，若是與申請的權利要求範圍所定義的完全相同，也或是一種等效的變更，均將被視為涵蓋於該權利要求範圍之中。
權利要求
1.一種基於雪崩電晶體的半導體雷射器脈衝驅動電路，其特徵在於組成包括:外置的高壓可調直流電源(1)，由雷射二極體(5)、儲能電容器(4)、雪崩電晶體(3)組成的充放電迴路(2)，可編程延時器(7)，雪崩電晶體驅動電路(8);所述充放電迴路(2)中，雪崩電晶體(3)的發射極通過取樣電阻接地，集電極連接儲能電容器(4)，儲能電容器(4)另一端連接雷射二極體(5)負極，雷射二極體(5)正極接地；高壓可調直流電源(I)與充放電迴路(2)連接；可編程延時器(7)與雪崩電晶體驅動電路(8)連接，雪崩電晶體驅動電路(8)與充放電迴路(2)中的雪崩電晶體(3)連接；其中:可編程延時器(7)通過驅動板上脈衝輸入端子(6)輸入觸發脈衝，可編程延時器(7)通過內部產生精密鋸齒波，實現25ns到6.25us的精確延時，雪崩電晶體驅動電路(8)為雪崩電晶體(3)提供發生雪崩所需的衝擊電流，所述雷射二極體(5 )採用儲能電容器(4 )經雪崩電晶體(3 )直接實現放電驅動。
2.根據權利要求書I所述的基於雪崩電晶體的半導體雷射器脈衝驅動電路，其特徵在於充放電迴路(2)中，雪崩電晶體(3)的發射極的接地端連接電流測量端子(9)，電流測量端子(9)與示波器連接，用於電流波形觀測。
3.根據權利要求書2所述的基於雪崩電晶體的半導體雷射器脈衝驅動電路，其特徵在於電流測量端子(9)輸出阻抗為50歐姆，由SMA端子連接同軸電纜引出至示波器做電流波形觀測。
全文摘要
本發明屬於半導體雷射器技術領域，具體為一種基於雪崩電晶體的脈衝半導體雷射器驅動電路。其組成包括外置的高壓可調直流電源，由雷射二極體、儲能電容器、雪崩電晶體組成的充放電迴路，可編程延時器，雪崩電晶體驅動電路；充放電迴路中，雪崩電晶體的發射極通過取樣電阻接地，集電極連接儲能電容器，儲能電容器另一端連接雷射二極體負極，雷射二極體正極接地；本發明採用電容經過雪崩管快速對雷射二極體放電的方式產生快的驅動電流得到快的光脈衝，脈衝電流上升沿小於5ns，脈寬20ns至1us，峰值10A至100A連續可調。在電路中包含精密延時器件，適用於需要精確同步的多路觸發裝置中。
文檔編號H01S5/042GK103094833SQ20131005036
公開日2013年5月8日 申請日期2013年2月9日 優先權日2013年2月9日
發明者盧元達, 劉克富, 邱劍, 王寶傑, 張田 申請人:復旦大學