0 引言
近年来,超短脉冲半导体激光器受到了人们的广泛研究和重视[1-2]。它在激光测距、激光通信、固体激光泵浦等诸多领域具有广泛的应用[3-5]。对超短脉冲半导体激光器而言,当所用的激光二极管选定之后,半导体激光器输出激光的特性将主要决定于驱动脉冲源的性能。因此,半导体激光器驱动器的设计研究理所当然地成为当今国内外的一个研究热点[6-7]。本文报道一种我们自行设计的基于MarxBank脉冲发生原理的纳秒脉冲激光驱动器。该驱动器采用一级小雪崩管对触发脉冲进行陡化,由小雪崩管产生的脉冲对Marx Bank电路进行触发,以获得大电流窄脉冲。
1 半导体激光器驱动器的总体设计
我们设计的大电流窄脉冲半导体激光驱动器的总体方案如图1所示。
由图可知,纳秒脉冲式半导体激光器驱动器主要由以下几部分组成:单片机控制部分、信号发生器、脉冲整形电路、纳秒脉冲生成电路、高压直流电源、低压直流电源和温度控制电路。其工作原理为:单片机控制信号发生器产生一定频率的方波,通过脉冲整形电路得到一定占空比的脉冲,来触发纳秒脉冲电流;温度控制电路用于实时地对激光二极管进行制冷,避免由于温度过高而损坏激光二极管;低压直流电源和高压直流电源为整个系统的工作提供所需的工作电压。下面就驱动器设计中的几个关键部件进行说明。
2 电路分析
2.1 触发脉冲产生电路
触发脉冲产生电路主要由图1中的单片机控制的信号发生器和脉冲整形电路两部分组成。单片机控制的信号发生器产生具有一定频率的方波信号,再经由脉冲整形电路对信号发生器产生的方波信号进行整形,陡化脉冲的上升沿,调节脉冲的占空比。单片机控制的信号发生器的工作原理图如图2所示。系统硬件主要由单片机、8155、D/A转换器、信号发生器、显示和键盘组成。波形的产生是通过单片机执行指定程序,向D/A转换芯片的输入端发送数据,由D/A转换器将数字量转换为模拟量,再送给信号发生器,由此得到所需要的一定频率的波形。
2.2 脉冲整形电路
由信号发生器出来的脉冲是占空比为50%的方波。因此有必要加一级脉冲整形电路,对前一级脉冲进行整形,调整脉冲的宽度。为此,采用74LS123构成的单稳态谐振荡电路,这样避免了分立元件脉冲电路结构复杂,调试补偿麻烦等缺点。由74LS123组成的脉冲整形电路如图3所示。74LS123输出脉冲宽度由外接电阻W1和电容C03决定。当C03≤1 000 pF时,输出脉冲宽度为:tW=0·7RC03;当C03>1 000 pF时,输出脉冲宽度为tW=0.45RC03。其中,R为R02和W1的阻值之和,R单位为kΩ,C03单位为pF,tW单位为ns。经过74LS123的整形后,我们可以在输出端得到一个脉冲宽度为40.14 ns,幅度为3.897 V,上升时间为17.7 ns,反冲为38.12 mV的脉冲。波形如图4所示。
2.3 纳秒脉冲生成电路
纳秒脉冲形成电路主要由两级电路组成,前一级是一个主要由2N5179晶体管组成的雪崩电路,后一级主要由五个ZTX415晶体管组成Marx Bank电路。由2N5179晶体管组成的雪崩电路如图5所示,为了提高工作速度,改善输出波形,在电路设计时就需要加大晶体管2N5179的正向基极电流ib以缩短开通时间ton。雪崩电路是利用2N5179晶体管
雪崩时的开关特性来对前面触发脉冲进一步陡化。要使电路正常工作,必须满足:
其中,IH为初始雪崩电流。由2N5179晶体管组成的雪崩电路可以在发射极获得一个脉宽为3.6 ns,幅度为9.54 V的正脉冲,其波形如图6所示。如前所述,纳秒脉冲生成电路的后一级电路主要由五个ZTX415晶体管组成的Marx Bank电路。电路结构如图7所示。
当前一级的小雪崩管2N5179发射极上的电压为零时,Q1~Q5都处于截止状态,高压直流电源对电容C11~C15进行充电,使电容C11~C15上的电压达到U0,约为高压直流电源的输出电压VCC4;当2N5179晶体管发生雪崩,发射极上得到一个窄脉冲时,Q1发生雪崩。这时晶体管Q1的集电极瞬时由高电压U0变为低电压U1(U1为晶体管导通时电容C11~C15上的电压),有电压差值为(U0-U1)的压降降到Q1和R16上,由于Q1导通电阻较小,所以压降差不多都降落在电阻R16上。由于电容C12两端电压的不可阶跃性,这时在Q2集电极和发射极的两端有较大的电位差,Q2发生雪崩。同理,Q3也在瞬时发生雪崩。就这样一个雪崩晶体管的雪崩耦合到下一个雪崩晶体管,导致下一个晶体管的雪崩,从而使脉冲得到叠加。由这样的一个Marx Bank电路在输出端得到的电流脉冲如图8所示,由图可知该脉冲的峰值电压为12.5 V,上升时间为1.2 ns,半高全宽为1.51 ns。
3 结论
设计了一款基于Marx Bank脉冲发生原理的纳秒脉冲半导体激光驱动器。该驱动器电路设计原理简单,其性能指标为:峰值电流为12.5 A,半高全宽为1.51 ns,重复频率为1 003 kHz。该驱动器的成功设计为获得超短脉冲半导体激光提供了前提条件。
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