基于皮秒激光器恒流源驱动系统的研究

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日益增长的高精细微加工市场对激光器输出功率稳定性提出了更高的要求,为了解决功率不稳定使激光器应用受限的问题,本文根据半导体泵浦激光器的温度特性和V-I特性,介绍了一种以恒定电流驱动和温度控制两部分为主要内容的半导体激光器驱动系统。  首先,简述了皮秒激光器的发展趋势及国内皮秒激光器的发展现况,介绍了皮秒激光器在太阳能电池加工、材料加工、生物医学等领域的应用;分析了国外半导体激光器驱动电源的发展状况及研究恒流源驱动系统的现实意义。  其次,根据半导体的能带结构,在理论上分析了半导体激光器的工作原理和特性,论述了相干光的产生机理,解释了皮秒激光器的设计原理;根据电子在能带间跃迁的特点具体分析了温度对激光器输出波长的影响,由半导体激光器驱动技术的要求并结合实验的需求给出了本文恒流驱动系统的各项性能指标。  再次,为了实现上述的各项技术指标,根据负反馈原理设计了基于深度负反馈的闭环恒流驱动系统。制定了电路设计的总体思想和解决方案,并对驱动系统的电流和最小功率保护电路提供的电压作了理论计算,结果显示实际测得值与之比较吻合。通过单片机给DA写入数字量确定恒流驱动电路输出的电流,当电路中出现过流或前级电路突然关闭,电路会通过自保护或逻辑保护电路将驱动系统关闭。另外,系统上电后先等待温度锁定,软件会实时获取LD的工作温度,若温度超过设定的最大值,则系统将会自动复位;在软件设计中,初始化时先将各LD的DA值设定,上位机通过串口可以直接修改各DA值从而达到控制电路中驱动电流的目的。  最后,针对激光器对温度十分敏感的特性,设计了带PWM调制功能的温度控制系统。该系统通过调节电位器来设定LD的工作温度,当带负温度系数的热敏电阻两端电压等于设定温度所对应的电压时,系统温度被锁定。当系统温度偏离设定温度时,温控芯片会自动调整驱动TEC的电流,增大TEC的驱动功率,使LD温度尽快回到设定温度。  通过对恒流源驱动系统的测试,结果表明电流稳定度为9.89×10-4,输出光功率稳定度为1.92×10-3,温度能控制在0.09℃。测试结果表明本文设计的恒流驱动电源达到了工业应用的要求。
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