半導體激光器LD工作影響因素
半導體激光器的核心是PN結(jié)一旦被擊穿或諧振腔面部分遭到破壞,則無法產(chǎn)生非平衡載流子和輻射復合,視其破壞程度而表現(xiàn)為激光器輸出降低或失效。
造成LD損壞的原因主要為腔面污染和浪涌擊穿。腔面污染可通過凈化工作環(huán)境來解決,而更多的損壞緣于浪涌擊穿。浪涌會產(chǎn)生半導體激光器PN結(jié)損傷或擊穿,其產(chǎn)生原因是多方面的,包括:①電源" title="電源">電源開關(guān)瞬間電流;②電網(wǎng)中其它用電裝備起停機;③雷電;④強的靜電場等。實際工作環(huán)境下的高壓、靜電、浪涌沖擊等因素將造成LD的損壞或使用壽命縮短,因此必須采取措施加以防護。
傳統(tǒng)激光器電源是用純硬件電路實現(xiàn)的,采用模擬控制方式[2,3],雖然也能較好的驅(qū)動激光,但無法實現(xiàn)精確控制,在很多工業(yè)應(yīng)用中降低了精度和自動化程度,也限制了激光的應(yīng)用。使用單片機對激光電源進行控制,能簡化激光電源的硬件結(jié)構(gòu),有效地解決半導體激光器工作的準確、穩(wěn)定和可靠性等問題。隨著大規(guī)模集成電路技術(shù)的迅速發(fā)展,采用適合LD的芯片可使電源可靠性得到極大提高[4,5]。
系統(tǒng)設(shè)計
系統(tǒng)框圖見圖1。主要由以下幾部分構(gòu)成。
供電電源:實現(xiàn)系統(tǒng)供電電壓(交流220V)與系統(tǒng)工作電壓之間的轉(zhuǎn)換。并采用濾波技術(shù),使得半導體激光器工作的電壓紋波很小,保證半導體激光器的正常工作。
智能控制:主要由CPU來完成。LD電源工作在恒流模式下,設(shè)定電流后,CPU根據(jù)傳感器采樣的電流信號值,經(jīng)過一定的算法后將輸出電壓經(jīng)過運放電路送到激光器驅(qū)動芯片的反饋引腳,進行自動調(diào)節(jié)以達到設(shè)定的電流輸出,實現(xiàn)激光器的智能化。
保護電路:半導體激光器驅(qū)動系統(tǒng)必須配備保護電路。保護電路將減小LD實際運用中受到的外界影響,增強了系統(tǒng)的可靠性。這部分主要包括過溫保護、過流保護、浪涌保護等電路
硬件電路
設(shè)計電源在連續(xù)模式下輸出電流0~1.5A連續(xù)可調(diào),具有很高的電流穩(wěn)定度和很小的紋波系數(shù),滿足中小功率LD所要求的分辨率、穩(wěn)定性和噪聲性能。
恒流源電路
LD供電電路是一個恒流源(見圖2)。ETC公司恒流源驅(qū)動芯片HY6340為核心元件。供電電壓VEE的穩(wěn)定對輸出恒流信號的穩(wěn)定起著重要作用,因此采用多重濾波技術(shù),將VEE的紋波控制在lmV以下,保證HY6340芯片輸出端12、13、14引腳信號的穩(wěn)定。調(diào)節(jié)5引腳和6引腳到VEE之間的電壓可以分別設(shè)定過流保護閥值和過溫保護值。在恒定電流工作方式下,通過調(diào)節(jié)21引腳的輸出電平來控制輸出電流的大小在0~1.5A之間連續(xù)可調(diào)。
處理單元
選用Silicon公司的C8051F020為數(shù)字處理單元。在掃描按鍵功能實現(xiàn)中使用了CH451,芯片內(nèi)置去抖功能和鍵盤中斷功能,可以節(jié)省單片機的內(nèi)部運行時間,確保按鍵讀取的準確性。
外圍電路
為實現(xiàn)調(diào)制信號輸出電壓的獨立可調(diào),在輸出端添加了兩級輸出運放U14A和U14B,考慮到帶寬要求所以放大器選用Maxim公司的高速運放MAX4215。利用高速運算放大器組成減法電路,使得輸出信號由原來的對稱于地電位的2Vp-p變?yōu)橐?.5V電壓為中心的2Vp-p。當需要外接調(diào)制電路時則啟動核心單元控制繼電器,從而達到內(nèi)置調(diào)制電路和外接調(diào)制源之間的轉(zhuǎn)換。
軟件設(shè)計
軟件采用C51編寫程序,包括主程序和中斷響應(yīng)程序部分。
主程序主要是實現(xiàn)軟啟動、慢關(guān)機和控制發(fā)火。在系統(tǒng)啟動時,初始化系統(tǒng)后進入人機對話界面,掃描是否有按鍵按下,若有則調(diào)用按鍵處理程序,操作者可通過鍵盤設(shè)定輸出電流輸出電壓基準值,同時顯示,以便確認。開始工作,通過緩慢增加電壓的方式來實現(xiàn)系統(tǒng)的軟啟動,保護LD。正常工作時,硬件電路中采樣電流信號,從數(shù)模轉(zhuǎn)換電路出來的信號經(jīng)過采樣電阻,得到相應(yīng)的電壓信號,傳給單片機,送出顯示。若出現(xiàn)電流波動情況則進行PID控制,其中采用了中值與均值復合濾波方法處理。系統(tǒng)對D/A輸出信號調(diào)整,進而調(diào)整輸出電流。主程序中的循環(huán)部分不斷探測LD的工作電流、工作溫度和發(fā)射功率,并顯示出來以便查看。如果出現(xiàn)故障,中斷信號送入單片機端口(分別相應(yīng)過壓、過流、突然斷電情況),系統(tǒng)分別調(diào)用中斷程序?qū)崿F(xiàn)對系統(tǒng)的快速保護。主要控制功能均利用中斷實現(xiàn),保證系統(tǒng)響應(yīng)的實時性。最后當操作者按下按鍵關(guān)閉設(shè)備時,系統(tǒng)調(diào)用慢關(guān)閉程序,安全地停止工作。
數(shù)字濾波
對系統(tǒng)干擾作用的沖擊信號往往具有較寬頻譜,且具有隨機性。對此,系統(tǒng)采用了軟件方法對采樣信號進行了數(shù)字平滑濾波,通過對信號進行處理,減少干擾對有用成分的作用。常見數(shù)字濾波的方法有中值濾波、均值濾波等[6]。將中值濾波與均值濾波方法結(jié)合,構(gòu)造一種復合濾波方法,具體做法是:首先對樣本信號排序,去掉其中的最大值和最小值,再對余下數(shù)據(jù)組成的序列計算均值作為濾波結(jié)果,這樣既可濾除沖擊干擾又保留了有用信號成分。
保護設(shè)置
軟啟動和慢關(guān)機:系統(tǒng)的啟動或關(guān)閉均由啟動/停機鍵控制,如果判斷為開機,則命令LD驅(qū)動芯片預(yù)熱工作,再逐漸增大工作電流至設(shè)定值,實現(xiàn)軟啟動。如果判斷為關(guān)閉,則逐漸降低工作電流直到零,實現(xiàn)慢關(guān)機。
電流過載保護:程序設(shè)定或通過鍵盤確定電流值上限值,CPU通過控制數(shù)字電位器調(diào)節(jié)激光驅(qū)動芯片PIN21的電壓并檢測電流,保證流經(jīng)LD的電流的穩(wěn)定,防止出現(xiàn)過流而損壞LD。實時比較電流設(shè)定值和采樣值,當實際值大于上限時,系統(tǒng)啟動限流保護動作。
測試結(jié)果
根據(jù)設(shè)計制作了數(shù)字式電源,連接現(xiàn)有的實驗室用的半導體激光器,進行性能測試。
開機后激光器預(yù)熱半小時,通過軟件設(shè)定方式調(diào)節(jié)激光器的工作電流至1.5A,激光器啟動系統(tǒng)運行,工作電流平穩(wěn)上升達到1.5A,動態(tài)響應(yīng)時間在1.5~2s之間。系統(tǒng)輸出電流為1.5A,連續(xù)工作4小時,每間隔10分鐘記錄1次電流,按照時間排列測試次序和相應(yīng)的電流值。測試結(jié)果數(shù)據(jù)描繪曲線見圖3。結(jié)果表明系統(tǒng)的控制電流穩(wěn)定,誤差小。測試結(jié)束后關(guān)閉激光器,系統(tǒng)逐步減小輸出電壓信號,降低輸出功率至零后激光器停止工作。結(jié)果表明,采用數(shù)字控制方案的電源達到激光器的穩(wěn)態(tài)精度要求。
結(jié)語
所設(shè)計的數(shù)字式半導體激光器電源,采用集成電路C8051F020為核心,編程實現(xiàn)數(shù)字濾波及防浪涌等智能功能。電路采用了恒流源驅(qū)動芯片HY6340和高速集成運放MAX4215,簡化了電路,提高了控制精度。對半導體激光器電源進行實用測試,結(jié)果表明,輸出電流0~1.5A,工作電流穩(wěn)定,電源還可實現(xiàn)軟啟動慢關(guān)機、防浪涌功能。經(jīng)測試,數(shù)字式電源達到激光電源的穩(wěn)態(tài)精度要求,改善系統(tǒng)的動態(tài)性能,同時簡化了硬件電路。