光纖激光器泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)

郝震 南京諾派激光技術(shù)有限公司

一、泵浦源驅(qū)動(dòng)電路分析

光纖激光器整體結(jié)構(gòu)構(gòu)造相當(dāng)緊湊，它的整體體積較小且工作穩(wěn)定可靠，易于集成，是當(dāng)前固體激光技術(shù)實(shí)用化的最優(yōu)選擇。在它的內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，泵浦源驅(qū)動(dòng)電路占據(jù)較大部分，它作為激光工作介質(zhì)達(dá)到粒子束部分為光纖激光器反轉(zhuǎn)提供外界能源，所以它的光纖傳輸近紅外波相對(duì)偏長(zhǎng)，峰值功率相對(duì)較高，熱光畸變非常之小且使用壽命較長(zhǎng)，擁有良好的光束質(zhì)量。

泵浦源電路之所以重要還因?yàn)楣饫w激光器只有在外部激勵(lì)或泵浦作用下才能保證實(shí)現(xiàn)物質(zhì)處于粒子束反轉(zhuǎn)狀態(tài)，所以說泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的輸出穩(wěn)定性也直接決定了光纖激光器的穩(wěn)定性。在泵浦源中主要包含了控制功率的APC電路、熱敏電阻、光電探測(cè)器、半導(dǎo)體制冷器、ATC 電路與激光等等。這其中APC 電路最為重要，它主要負(fù)責(zé)保障二極管LD 輸出光功率的高穩(wěn)定性，同時(shí)如果出現(xiàn)熱量不足或無法及時(shí)散發(fā)情況下，有效增加二極管LD 溫度，穩(wěn)定激光器使用性能。

結(jié)合光纖激光器的整體結(jié)構(gòu)對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的恒流電路進(jìn)行分析，恒流電路本身由三極管Q2、高頻功率放大器Q3 所組成，屬于復(fù)合管結(jié)構(gòu)，可用于電流放大。它可有效防止共用端負(fù)載加載到反饋網(wǎng)絡(luò)上，主要利用二極管LD 串聯(lián)調(diào)整Q3 部分，實(shí)現(xiàn)對(duì)二極管LD驅(qū)動(dòng)電流的有效控制。

二、泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用

泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中包括了恒流電路和保護(hù)電路，下文主要要圍繞這兩個(gè)電路展開設(shè)計(jì)。

（一）恒流電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用

要首先分析光纖激光器中的半導(dǎo)體激光器部分，其對(duì)電流要求相當(dāng)高，要避免它承受超出范圍的正向電流，否則可能導(dǎo)致泵浦源驅(qū)動(dòng)電路受損甚至功能失效。在設(shè)計(jì)前，需要明確一點(diǎn)其恒流驅(qū)動(dòng)方式必須低噪聲，設(shè)計(jì)紋波相對(duì)偏小的恒流電路，在電路供電電源AC/DC 穩(wěn)壓后正常輸出電壓。

通過理論計(jì)算可計(jì)算獲得二極管LD 中的驅(qū)動(dòng)電流與輸入控制電壓，二者應(yīng)當(dāng)形成最基本的線性關(guān)系，獲得以下關(guān)系即：

根據(jù)上式可證明電流與泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的元器件特性是呈現(xiàn)穩(wěn)定正比例關(guān)系的，它們與輸入電壓穩(wěn)定性之間也存在密切關(guān)系。

（二）保護(hù)電路的設(shè)計(jì)應(yīng)用

在泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中，需要對(duì)其半導(dǎo)體激光器進(jìn)行特別設(shè)計(jì)，明確設(shè)計(jì)中所存在的工藝與材料限制，避免在設(shè)計(jì)改造過程中元器件出現(xiàn)損壞問題。根據(jù)分析，需要首先確保泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的驅(qū)動(dòng)電源滿足二極管LD 安全運(yùn)行要求，定位半導(dǎo)體激光器核心即PN 結(jié)，避免其承受反向過電壓與擊穿損壞情況出現(xiàn)，同時(shí)確保與二極管LD實(shí)現(xiàn)分流，合理規(guī)避反向浪涌所產(chǎn)生電流直接擊穿激光器，消除浪涌沖擊。如果出現(xiàn)激光器承受正向電流超出其允許最大電流值，需要對(duì)其性能影響進(jìn)行深度分析，保護(hù)繼電器部分。必要時(shí)可設(shè)計(jì)過載保護(hù)電路，對(duì)其實(shí)施過流與過壓保留戶，構(gòu)成過壓保護(hù)電路體系。

三、泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)果研討

最后對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行研討分析?？紤]到光纖激光器系統(tǒng)的單片機(jī)驅(qū)動(dòng)電壓達(dá)到1.4V，且系統(tǒng)采用+5V 供電，所以必須靈活調(diào)節(jié)輸入驅(qū)動(dòng)電壓，確保延遲時(shí)間范圍被控制在500ms內(nèi)，有效消除系統(tǒng)開關(guān)所造成的電流突變，進(jìn)而保護(hù)激光器部分。同時(shí)，需要測(cè)量散熱措施，避免設(shè)備溫度過高對(duì)激光器泵浦電流穩(wěn)定度造成負(fù)面影響。

最后對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中驅(qū)動(dòng)電流的穩(wěn)定度進(jìn)行分析，確保其測(cè)量值標(biāo)準(zhǔn)差與平衡值比值在合理范圍內(nèi)。例如以9ms 時(shí)間為例，它的電壓值應(yīng)該在1.25~1.50mV 范圍內(nèi)。時(shí)間控制在39~40ms，電壓應(yīng)該在2.50mV 左右。

四、總結(jié)

在光纖激光器中對(duì)泵浦源驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，可有效保證系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)電路慢啟動(dòng)、過流保護(hù)與防浪涌保護(hù)功能到位，同時(shí)它能夠?yàn)殡娐窚亓魈峁┝己幂o助，可實(shí)現(xiàn)對(duì)中小型功率激光器的有效驅(qū)動(dòng)，保證該類設(shè)備穩(wěn)定生產(chǎn)運(yùn)行。在本文看來，光纖激光器的其它電路也可參考運(yùn)用這一設(shè)計(jì)內(nèi)容，重點(diǎn)將泵浦源驅(qū)動(dòng)電路中的功率控制、過熱保護(hù)電路作為重點(diǎn)研究，確保設(shè)計(jì)出更好的光纖激光器設(shè)備，提高設(shè)備生產(chǎn)運(yùn)行整體能力與安全可靠穩(wěn)定性。