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面向超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统设计及应用.docx
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面向超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统设计及应用.docx
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0. 引 言
超短脉冲激光具有时域脉宽极窄、频域光谱较宽的特点,在光纤通信、光电传感、非
线性光学、生物医学、工业加工等领域有着广泛的应用
[1]
。半导体激光器又称激光二极管
(Laser Diode, LD),是固体激光器和光纤激光器的主要泵浦源,其输出稳定性直接决定了整
机的输出性能
[2]
。LD 是以半导体材料作为工作物质而产生激光的器件,工作时可通过注入
电流的激励方式,在半导体材料的能带(导带与价带)之间实现非平衡载流子的粒子数反
转,若处于粒子数反转状态的大量电子与空穴复合,则会实现受激发射作用
[3-5]
。LD 因具
有结构紧凑、质量轻、能量转换效率高、耗电省、便于波长调制等优点,被广泛应用于科
研、工业、商业、医疗、军事等领域
[6-8]
。LD 在用作光纤激光器泵浦源时,具有易集成、
效率高、热耗散小等优越性,但其输出功率除了受到电源电流影响外,还受外微分量子效
率、阈值电流(两者大小均随温度变化)的影响,同时,温度的变化也会引起 LD 的输出
波长漂移,导致 LD 输出功率与能量比不稳定。研究人员当下大都采用多片半导体制冷器
(Thermoelectric Cooler, TEC)做温控集成到驱动电源中或外加光学设备稳定 LD 波长两种方
式来减小温度带来的影响。但方式一降低了小型化和功耗低的优势,方式二中外加的辅助
设备本身也存在温度漂移问题
[9]
。为充分发挥 LD 的应用优势,有必要为其设计高精度、高
稳定度、高灵活性和易集成的驱动系统。
如今,在商用驱动电源方面,国内厂商主要有深圳市南方联合实业、泰德激光科技、
湖北光通科技、武汉新特光电、上海技驰电子科技、北京特一安电源科技、镭志威光电等
公司。其中上海技驰电子科技公司的产品性能最好,以 J-CW6010 型产品为例,其短期稳
定度为 1×10
−3
。国外研制半导体激光器的驱动电源的公司较多且技术更为成熟,如
Wavelength、Vicor、ILXlight、Alpha-las、TOELLNER 等,其产品的性能指标也普遍优于
国内的产品。其中,Wavelength 公司的 MPL2500 型产品可输出 0~2.5 A 的可调电流,短期
(1 h)稳定度可达 3×10
−5
,长期(24 h)稳定度可达 7.5×10
−5[10]
。温控系统方面,美国
Arroyo Instrument 公司生产的 5300 系列产品,在 28~960 W 范围内可实现 0.004 ℃的稳定
性;美国 Thorlabs 公司研制的 TED200C 型激光器恒温控制系统,输出电流为±2 A,温度
控制精度可达 0.01 ℃,稳定性可达 0.002 ℃。国内北京特一安电源科技有限公司生产的
TWK-05V06A 型产品,驱动电流为 6 A,输出功率范围为 10~30 W,温控精度为±0.1 ℃。
吉林大学闫万红等人基于嵌入式系统和积分限幅式的 PID 控制算法研制的温控仪器,温度
控制稳定性达到了 0.0048 ℃
[11]
。但是,这些产品均未实现多通道的高精度电流驱动和温度
控制,且存在体积大、灵活性差、不易集成等缺点。结合国内外商用产品现状及未来发展
需求
[12-13]
,文中设计了一种用于超短脉冲激光器泵浦源的驱动系统,采用全数字化的系统
架构,力求实现对 LD 的高精度、高稳定度及灵活驱动。
1. 驱动系统硬件设计
驱动系统总体框图如图 1 所示,采用交互、控制、驱动、供电分开的模块化设计,隔
离了发热源以方便系统的热设计
[14]
。控制板如图 2(a)所示,尺寸为 10 cm×9 cm,可控制五
路驱动板,主要负责电流、温度的设置,数据的处理、显示及存储,485 通讯,串口通讯
等功能;驱动板如图 2(b)所示,尺寸为 8 cm×6 cm,可便捷地集成到光纤激光器中,主要
负责输出驱动电流和对 LD 的温度控制,可选择与控制板的连接数量,并可选择并联以提
高驱动电流值;人机交互模块为工控屏(富昌维控电子科技,型号 LEVI700ML),其带有的
485 接口可实现多设备(控制板)组网,以控制更多通道的驱动板,并有设置电流、温
度,显示实时电流、温度、报警信息等功能;AC-DC 电源转换模块为驱动系统提供电源。
图 1 系统框图
Fig. 1 Block diagram of the system
下载: 全尺寸图片 幻灯片
图 2 控制板和驱动板实物图
Fig. 2 Photos of control board and driving board
下载: 全尺寸图片 幻灯片
相较于目前的商用电源,文中设计的驱动系统硬件采用全数字化芯片架构,具有精度
高、体积小、易集成的优点,且模块化的设计方案降低了硬件间的耦合度,大大提高了驱
动的灵活性。
1.1 控制板设计
控制板主要实现对驱动板的控制以及与上位机的通信等功能,如图 1 所示。其中主控
模块为 ARM (STMicroelectronics,型号 STM32)和 FPGA (Intel,型号 EP4CE10F17C8)的双
核架构,FPGA 负责驱动 24 位高精度模数转换器 ADS1256 (Texas Instruments,型号
ADS1256)采集实时数据并通过串口发送给 ARM 进行处理,采样精度可达 0.6 μV。与单主
控设计相比,双核架构降低了单主控引脚数量和算力不足的限制,可灵活增加数模、模数
芯片的数量以实现多通道控制。拨码开关负责设置下位机地址以支持 485 接口下的多设备
组网;LCD 负责显示电流、温度以及激光二极管工作状态等信息;使用 16 位高精度数模
转换器 DAC8501 (Texas Instruments,型号 DAC8501)输出电流与温度的选点电压,步进精
度可达 38.15 μV;FLASH 负责存储电流、温度等历史数据。在各模块的供电引脚和地之间
并联接入钽电容以及陶瓷电容,以此降低电源纹波的影响。在驱动系统的模拟地与数字地
上串联接入 0 欧姆电阻,以确保 ADC 采样和 DAC 输出的精确性。
1.2 激光器驱动电路设计
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