用于3D打印的高功率紫外半導(dǎo)體激光甚高頻調(diào)制電路研究

王賀 母一寧 樊海波 王美婷 朱焱 劉春陽

摘 要：近年來，3D打印技術(shù)快速興起，被譽(yù)為將推動"第三次工業(yè)革命"的變革。為了加倍提升3D打印機(jī)的打印速度，縮小3D打印設(shè)備的體積重量、提高便攜性，設(shè)計(jì)制造了一種用于3D打印的高重頻、高功率的紫外激光調(diào)制源。本文旨在設(shè)計(jì)用于驅(qū)動高速紫外半導(dǎo)體激光二極管（LD）的開關(guān)調(diào)制電路。首先介紹了激光高速調(diào)制約束技術(shù)與半導(dǎo)體激光器的閾值特性；然后，設(shè)計(jì)了高速紫外LD的開關(guān)調(diào)制電路系統(tǒng)，以及匹配的光學(xué)設(shè)計(jì)系統(tǒng)和機(jī)械設(shè)計(jì)系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)了具體的高速、高功率紫外調(diào)制源；最后，對高重頻、高功率的紫外LD進(jìn)行了性能檢驗(yàn)，達(dá)到指標(biāo)要求。

關(guān)鍵詞：3D打??；半導(dǎo)體激光器LD；高重頻高功率

近年來，3D打印技術(shù)快速興起，被譽(yù)為將推動“第三次工業(yè)革命”的變革，而紫外激光固化正是其中的核心關(guān)鍵技術(shù)。當(dāng)前的工業(yè)級3D打印機(jī)多采用固體激光器，如果能夠使用半導(dǎo)體激光器替代，不僅有利于改觀3D打印設(shè)備的體積重量、提高便攜性，而且可以通過材料改性實(shí)現(xiàn)激光器的高頻快速調(diào)制，極大提高3D打印速度和精度。在半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源方面，國外有利用測量激光器相位偏移和利用正弦相位調(diào)制半導(dǎo)體激光器等方法[1]；國內(nèi)長春光學(xué)研究所提出了以恒電流控制方法、恒功率控制方法與精密溫度控制等方法相結(jié)合來控制半導(dǎo)體激光器驅(qū)動[2]。本文目的在于進(jìn)行高速紫外LD開關(guān)調(diào)制電路的研究，建立紫外LD開關(guān)調(diào)制模型，最終實(shí)現(xiàn)具體的高速紫外調(diào)制源。

1.半導(dǎo)體激光器的高速激射調(diào)制約束

激光是具有很好的時(shí)間相干性和空間相干性的一種光。激光和無線電波一樣，都容易進(jìn)行光調(diào)制；而且光波的頻率很高，發(fā)射角比較小，光束的方向性也很好，最主要的是能量傳遞的信息量大，用激光傳遞信息時(shí)，保密性高，而且還能夠傳遞比較遠(yuǎn)的距離。所以常把激光作為一種極為理想的傳遞信息的通信光源。而光源在空間光通信中具有很重要的位置，它直接影響到整個(gè)系統(tǒng)的組成和設(shè)計(jì)，對光源的調(diào)制是極其重要的。

對于激光器，始終希望它具有低的Jth，而閾值電流密度不僅取決于制作半導(dǎo)體激光器的半導(dǎo)體材料的質(zhì)量，而且也取決于激光器件的尺寸和面積。新型用于3D打印的紫外激光器，一方面通過在有源區(qū)引入消光波長在近紫外波段的貴金屬納米晶，通過表面等離子體共振能量轉(zhuǎn)移效應(yīng)增強(qiáng)了LD器件的激光發(fā)射強(qiáng)度，并降低了載流子復(fù)合壽命，從而提高了LD器件的光輸出功率和調(diào)制重復(fù)頻率，另一方面，在輸出端一側(cè)的分布布拉格反射鏡（DBR） 上引入MgZnO納米線波導(dǎo)層，有效提高了LD器件的光萃取效率和外量子效率，進(jìn)一步提高了光輸出功率。

2.半導(dǎo)體激光器的電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)

自出現(xiàn)LD以來，人們圍繞高速驅(qū)動、大電流脈沖、小型化方向發(fā)展了多種電路模式。并已知道要使LD能安全可靠的工作并且獲得理想的器件性能，除精心設(shè)計(jì)激光器結(jié)構(gòu)外，還必須重視LD的供電和溫度控制[4]。作為新型用于3D打印的半導(dǎo)體激光器的驅(qū)動電源，需要滿足以下基本要求：

（1）半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數(shù)。

（2）半導(dǎo)體激光器具備恒溫控制功能。

（3）半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源應(yīng)該實(shí)現(xiàn)對半導(dǎo)體激光器的連續(xù)/脈沖驅(qū)動方式。

（4）作為一種直接應(yīng)用于3D打印的紫外半導(dǎo)體激光器，調(diào)制電路系統(tǒng)要求激光器具有高功率和高重復(fù)頻率，以便提高打印速度和精度。

經(jīng)測試，室溫下，連續(xù)泵浦激發(fā)下的裸管輸出功率達(dá)180mW以上，配套光學(xué)系統(tǒng)后連續(xù)輸出功率達(dá)70mW以上，滿足設(shè)計(jì)要求。恒溫度控制對半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定工作有著非常重要的作用， 本文控制溫度采用的方法與機(jī)械結(jié)構(gòu)相結(jié)合，通過散熱片，以及與激光器外殼相連，來進(jìn)行散熱，使溫度始終保持在一定范圍內(nèi)。

3.半導(dǎo)體激光器的配套系統(tǒng)設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器由于其自身量子阱波導(dǎo)結(jié)構(gòu)的限制，LD 輸出光束為具有一定像散的橢圓高斯光束。半導(dǎo)體激光器出射光束存在不對稱的較大發(fā)散角、輸出光束不均衡、存在固有像散等缺點(diǎn)。因此，對單顆半導(dǎo)體激光器的發(fā)散光束進(jìn)行準(zhǔn)直聚焦以解決光能損耗嚴(yán)重、耦合效率低等問題具有重要意義。

本文采用了兩塊非球面準(zhǔn)直與聚焦透鏡，針對制造的高功率紫外半導(dǎo)體激光器設(shè)計(jì)了一組光學(xué)系統(tǒng)。由于非球面曲面在空間上每一點(diǎn)具有不同的曲率，可以有效地消除各種像差，減少光能損失，極大的改善了半導(dǎo)體激光器的光束質(zhì)量，從而提高了半導(dǎo)體激光器的光能利用率以及耦合效率。

為了盡可能減少激光二極管因?yàn)楣馐l(fā)散而造成的功率能量損耗，因此，為紫外激光二極管設(shè)計(jì)了匹配的光學(xué)耦合模組，經(jīng)測量該激光二極管發(fā)散角為1：2，所以采用了雙透鏡，一為口徑30mm，焦距100mm的準(zhǔn)直透鏡；另一為口徑30mm，焦距為56mm的聚焦透鏡。

4.性能檢測與結(jié)果

信號發(fā)生器驅(qū)動激光器發(fā)出重復(fù)頻率為1MHz，占空比為1∶1的激光脈沖，由探測器進(jìn)行光電檢測，通過示波器對該信號進(jìn)行頻譜完整性分析。測的上升時(shí)間和下降時(shí)間均在10ns，因而其脈寬為20ns，即整個(gè)光電鏈路的模擬基帶為50MHz的頻譜傳遞能力?？紤]到光電鏈路中探測器對模擬頻帶（光電鏈路總脈寬）的影響，發(fā)射端與探測端平分延遲時(shí)間，因此作為發(fā)射端的激光器脈寬為10ns，激光器的數(shù)字頻譜帶寬（即重復(fù)頻率）為100MHz。相比競爭激光光源產(chǎn)品僅有數(shù)十K赫茲量級的調(diào)制頻率，其具有百兆赫茲量級的極高調(diào)制輻射能力，進(jìn)而直接提升3D打印機(jī)的打印速度10倍（近乎其機(jī)械極限），具有明顯的成本和技術(shù)優(yōu)勢。而且紫外激光調(diào)制源縮小了3D打印設(shè)備的體積重量、提高了便攜性。

特別是用于驅(qū)動該紫外激光管的開關(guān)調(diào)制電路，全程在光、機(jī)、電一體化的整體思路框架中進(jìn)行設(shè)計(jì)，電路設(shè)計(jì)、光學(xué)模組、機(jī)械結(jié)構(gòu)三者相互匹配協(xié)調(diào)，最終實(shí)現(xiàn)制造了具體的紫外激光調(diào)制源。

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[4]劉奎學(xué)，尹裕，解澎.高精度電流溫度控制器在半導(dǎo)體激光器中的應(yīng)用[J].電子工業(yè)專用設(shè)備，2002，31（3）：167-170.

通信作者：劉春陽，男，研究生導(dǎo)師。

基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金青年科學(xué)基金項(xiàng)目（No.51602028）