半导体激光器驱动及温控系统设计文献综述

文 献 综 述

一 课题研究的背景和现状

• 1. 课题研究的背景和意义

1958年，美国科学家肖洛和汤斯发现并提出了'激光原理'，即物质在受到与其分子固有振荡频率相同的能量激励时，都会产生这种不发散的强光即后来所说的激光。1960 年5月15日，美国加利福尼亚州休斯实验室的科学家梅曼宣布获得了波长为0.6943微米的激光，这是人类有史以来获得的第一束激光，梅曼因而也成为世界上第一个将激光引入实用领域的科学家。前苏联科学家巴索夫于1960年发明了半导体激光器。到了70年代，贝尔实验室的Morton Panish和Lzuo Hayash成功的研制出了室温状态下能连续运行的AlGaAs半导体激光器[^[1]]。1962 年，美国科学家Keyes 等人发现了砷化镓(Ga As)材料的光发射现象，之后通用电气工程师Hall在此基础上造出了世界上第一台半导体激光器，从此半导体激光器开始了它的快速发展。

经过50多年的发展，半导体激光器各个方面的性能均得到了显著的提高。它的输出波长覆盖范围逐渐拓宽，可进行 300～3400nm范围内的任意光输出；阈值电流显著降低，由最初的几百mA降到如今的mA量级；发光效率逐渐升高，量子阱半导体激光器能够达到 60%以上，极大地提高了电能转换效率；使用寿命由当初的几百小时延长到百万小时以上，显著降低了应用成本；半导体激光器对工作温度的要求也越来越低，最初它只能在-196℃时断续工作，现在可在室温下长时间地连续工作；通过级联的方式，半导体激光器的输出功率能够达到 1KW 以上，可满足各行业的高功率要求。因为半导体激光器的诸多优点，使得其应用领域日益扩大，覆盖了整个光电子领域，成为当今光电子科学的核心技术。半导体激光器在激光测距、激光雷达、光通信、激光武器、自动控制、仪器检测等方面获得了广泛的应用，形成了广阔的市场。目前，固定波长半导体激光器的使用数量居所有激光器之首，在许多重要的应用领域都有取代其他传统激光器的趋势，发展势头十分迅猛[^[2]]。

作为目前应用最广泛、销售量最大的半导体激光器，随着其应用领域的扩展，需求量不断增多，对半导体激光器本身的理论研究得到了进一步深入，其制作工艺也得到了改进和完善。由于半导体激光器是具有很好的量子效率的子-光子直接转换器件，微小的电流和温度变化将导致输出光功率和波长等诸多特性的极大变化。若使用普通的驱动器，其输出光功率、波长等特性就不能更好的满足通讯、测量、精密加工等应用场合对激光光源性能的要求。另外由于器件本身的脆弱性，在半导体激光器的应用开发中，供电、温度控制不当就能导致半导体激光器损伤乃至失效。此外，半导体激光器种类繁多，每一种激光器的规格、封装形式都略有不同，从经济性角度出发，不能针对每个激光器单独购买驱动器。因此研制一种具有高精度的温度控制功能、注入电流连续可调、电流控制稳定度高、脉宽连续可调、通用性强的半导体激光器脉冲驱动电源，无论是在各类半导体激光器的进一步推广应用还是在应用激光器的设备的经济性方面都具有相当大的现实意义[^[3]]。

1.2国内外研究现状

伴随着半导体激光器的诞生以及发展，LD驱动器也随之进步。初期的LD驱动电路是采用模拟控制方式的纯硬件电路。此种电路精度较高，可手动调节，在很多场合非常适用。然而，随着计算机技术的发展，纯手动的驱动电路也在向自动化方向发展。使用单片机、DSP、FPGA等对驱动电路进行控制，能够增强整个系统的自动化程度，扩大电源的应用范围，增强其可操作性。早期的LD 驱动电源性能较差，功能较单一，一般只有电流驱动功能，温度控制器则需要另外配置；随着微机电技术的发展，目前的LD驱动电源一般都集成有温度控制模块，控制精度和稳定性也有较大提高。

美国ILX Lightwave公司是激光二极管和其他部分的高性能测试和测量解决办法的技术领先者，作为全球激光器控制和测试设备的顶尖供应商，ILX能提供完整的激光器测试系统，同时提供适合于工业应用的各种激光器夹具装置，可支持多种激光器封装形式。该公司生产的LDT-5900系列精密温度控制器，温度控制精度可达plusmn;0.001℃，长期温度稳定性达到0.005℃；LDC-3700B系列半导体激光器控制器，能够提供高稳定性、低噪音、范围从100mA到6A的连续或脉冲电流输出，不仅具有恒电流/恒功率操作模式，而且集成有高达32W的温度控制模块。WavelengthElectronics公司是一家制造高性能激光器驱动器及温度控制器的公司，该公司在小型、低成本、模块化产品方面成就较高，而且在模块里内置了激光器保护电路。该公司的产品 LFI3751 温度控制仪的线性稳定性可达到0.001℃；带温度控制功能的LDTC2/2E 半导体激光器驱动器尺寸仅有2.7'times;4.8'times;1.14'，恒流模式24小时稳定性可达 50ppm，恒功率模式可达0.05%，温度 1小时稳定性可达 0.001℃。Analog Technologies Inc(ATI)公司是一家生产高稳定低噪声的半导体激光器控制器的公司，它生产的驱动器/控制器可以不用散热片。该公司的型号为TECA-1-XV-XV-D 的热电制冷器控制器其效率可以达到90%。日本Sony、松下、富士等公司也是该领域的创新者，它们研发的半导体激光器驱动电源主要应用于激光打印、激光冲印以及激光存储等方面。富士公司研发的一种半导体激光器驱动设备，可以生成驱动器使用的驱动电流样式，而且可以用激光器发出并由空间光调制的光对感光材料进行曝光[^[4]]。

我国在激光理论、技术、器件、系统和应用等方面具有坚实基础，激光及相关技术一直得到国家重点科技计划的支持，在全国范围成立了多个国家重点实验室、国家工程研究中心、成套设备产业化基地以及产学研中心等，取得了丰硕成果，并已经得到规模化工业应用。同时，“先进制造技术”被列为国家及许多地方政府重点发展领域，政府牵头将科研院所、高校和高技术企业联合起来，研发具有自主知识产权的激光制造技术及设备，推动产业化，为技术改造、产品升级换代提供重要支撑。我国在大功率可见波段全固态半导体激光器的研制方面走在国际前列，中小功率可见波段全固态激光器的生产规模为世界第一，产品供应量占世界同类产品市场的30%。由于半导体激光器的应用越来越广泛，而与其配套使用的驱动电源尚未形成产品，特别针对我国全固态激光技术的发展现状，国家提出以重大发展战略为导向，市场需求为牵引，核心技术突破为重点，以激光器件技术开发突破带动上游的晶体材料和下游的产业化应用技术链的整体贯穿和平衡发展，将现有的技术优势转化为产品和产业优势，推动以全固态激光技术为基础的产业群发展，产生应有的经济效益和社会效益。随着技术的不断完善，驱动电源已不单单是驱动激光器工作这一项工作了，高品质的驱动电源同时还应具备保护半导体激光器的功能，其应该具备智能化等功能。使用 FPGA 对激光器驱动电源的程序化控制，不仅能够有效的实现上述功能，而且可提高整机的自动化程度[^[5]]。

二 工作原理及研究方法