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半导体激光器恒温控制系统的设计 激光器稳定振荡条件篇一
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：近年来，随着我国工业、医疗、军事等行业的发展，半导体激光器也得到了广泛应用。半导体激光器对于驱动电源具有较高的要求，其需要高稳定度、低纹波、高精度、高效率的恒流电源。相比传统的线性电源来说，开关电源效率较高，精密度也较高，自身体积小等优势使其在研制成本高、稳定度高的恒流开关电源的研究有着重要的积极作用。本文通过对纹波的种类以及其对于设备的影响，分析了常用的纹波抑制，并且对影响低纹波恒流电源硬件的参数设计以及方案实现展开分析，对于系统的稳定性产生的影响进行探究，希望能给相关工作人员提供帮助。
：高稳定度；半导体；激光器；恒电流；研究
半导体激光器在各个行业的应用越来越多，无论是作为军事上的激光武器，还是医疗上的激光医疗设备和工业方面的激光定位等，半导体激光器都起着十分重要的作用，而激光用电源是保证半导体激光器正常工作的重要元件。激光电源的发展对我国各行业的发展起着十分重要的作用，半导体激光器的驱动电源需要较高稳定度的恒流电源。因为需要载入恒定的载流子，所以载流子注入量直接决定了半导体激光器的功率大小，并且对于半导体激光器的稳定性也十分重要，同时激光器需要较高的精度，较小的偏差都会导致严重的后果，因此需要对激光用电源提出更高的要求。
本文根据半导体激光器在实际应用中的要求，针对其特殊性设计出了具有较高稳定度的恒流控制系统，该系统是由恒流源电路、恒流控制器以及半导体激光器、保护电路这几部分共同构成的，利用客户端将串口连接，保证半导体激光器的电路能够输出高精度的恒流和低纹波电流，因此电路设计是十分重要的。首先需要考虑直流线性电源和低纹波的电源来实现供电，根据实际情况模拟地单点接地和数字接地，或者隔离耦合器件能有效地将数字电路和模拟电路进行分隔，在信号输出过程中能够产生谐波耦合到模拟电路中，然后选择低温度系数的'电子元件，除此之外还应当综合考虑半导体激光器的保护电路、制热电路和制冷电路等电路。在本次设计中将基准电压源连接了恒流源运算放大器，另一侧与接收到的反馈信号端连接，输出信号控制功率放大器可以直接控制经过的电流，进而产生闭环结构的系统，实现直接控制。但是有以下几点因素会影响系统精度。
（1）系统供电电源的稳定性。电源能够保持高强度的工作度，而低纹波的电源有利于提升电路的采集精度，但是如果输出电压效果不好则会出现较大的纹波，使采集精度大大降低，甚至损坏电路元件。因此，系统的一点小波动都会间接引起电路的波动以及电路的采集精度。在控制系统的电源电路中，需要采用低纹波系数电源，目前有2种电源：开关电源和线性电源。
（2）高精度电压基准源一般都会使用低纹波系数电源，有利于电路稳定，要想获得更高精度的输出电流，需要使用电压基准源作为电压参考，相当于电路中的标准，也是恒流电路中最主要的功能模块之一，它对整个电路的性能和精度有着十分重要的影响。在本次设计中使用的基准源芯片型号为max6193，是一种耗能低、精度高的电源，而且其还具有较宽的电压输入范围。
（3）运算放大器电路。采用新型电压源给系统进行供电并采用恒流源的电压基准源max6193进行电路设计，该系统采用了高精度的电压基准源，但反馈的电流信号无限逼近电压基准源的电压，需要使用高精度的运放，否则会产生较大的误差。理想状态下，当运放过程中2个输入电压数值相等时，输出电压为0v，而实际上需要在2个输入端施加较小的电压才能使电压值为0v，将这个电压作为输入失调电压，理想的运放流经运放输入端的电流为0，实际使用过程中运放的输入端是有电流通过的，且在失调电流和电压均不为0时，运放的电压也会产生误差。
（4）电流取样电路。电流采样电路根据实际的电路位置是否接地的情况，可以分为高端取样和低端取样。低端电流取样电路的电阻连接晶体管的出射极和地，这种电路设计简单，产生的共模信号小，但是一旦发生电阻短路的情况时是无法检测放大电路的，这样会出现超负荷损坏。同时，激光器的负极连接金属外壳，如果采用低端电流采样会使负极不能接地，最终功率管会回到地面，而后续工作人员更换激光器时一旦触碰其金属外壳，静电就会流经人体，使人体触电，同时该静电还会经过半导体激光器，也会造成半导体激光器被静电反向击穿。高端电流取样电路是激光器的负极和金属外壳接地，人体在触碰激光器时静电是回到大地的，这种情况下能够大大减少人体被静电击穿的概率，进而在电路设计时可以采用高端电流采样电路。除此之外，半导体激光器本身具有较高的效能和高量子效应，同时其也是一种比较容易受损的电子元件，易被高压电流影响。为了防止受外界不良因素干扰，在设计电流时，需要额外增加保护电路，使其能够保持长时间稳定性工作，并且还需要增加静电、短路保护电路和延时启动电路。
由于影响恒流源电路的主要参数是恒流源的稳定度以及输出的电流纹波，因此我们主要针对这两者进行测试。首先对恒流电路的输出稳定性进行测试，采用的固定电流为100ma，采样电阻两端的采样电压与采样电阻的电流成正比，在本次试验中，采用的采样电阻是金属薄膜的贴片电阻，电阻阻值为10，精度为1%，同时高精度也会引起高温度，但其所产生的阻值误差是可以忽略不计的。我们可以将电路认为其电阻不变，通过采集到的电压信号来反映电路中通过电流的真实值，给予恒流源电路通电并在室温下进行测试，利用万能表测量采样电阻两端的电压记录数据，并每隔一定的时间记录一次数据，最终将测试到的数据利用绘图软件绘制其电流的波动图。从测试数据可以看出，所涉及的恒流源电流稳定度可以达到4a，是完全符合系统设计要求的。其次，对纹波电流进行测试，模块供电是通过整流滤波实现的，因此在使用过程中电路中可能会产生一些噪声，而测试纹波与电流稳定性的检测采用了相同的方法，通过对采样电阻两端的电压值进行测量，在恒流源电路通电的情况下测试电压值，结果发现采样电阻两端的交流电压纹波电流为3a。通过介绍电路设计的一些注意事项和恒流源的稳定性以及纹波测试的方法及结果，从测试结果来看，所设计的高稳定度半导体激光器恒流控制器可以达到设计要求。
本文通过设计半导体激光器恒流控制器系统，研制了高精度的恒流源电路，实现了在100ma的工作电流下能够保持恒流稳定度为4a，且具备一定的静电、过流过压保护等，有效避免了敏感电子元件受外界干扰的情况。此外，采用完全电气隔离的方式来有效阻隔外界的强烈干扰，保证电路的稳定运行。在该系统设计中为了达到高精度要求，避免数字地中的开关噪声耦合到模拟地中，我们在设计过程中采用了数字地的电气隔离和模拟地处理方式，在两地之间使用放电管连接，能够将模拟地和数字地的电气进行有效隔离，降低噪声干扰。
[1]罗亮,胡佳成,王婵媛,等.高精度半导体激光器驱动电源及温控电路设计[j].激光技术,2024,41(2):200-204.
[2]党玉杰,董全林,孙茂多,等.高稳定度恒流源的研究与影响因素分析[j].电源技术,2024,40(4):865-868.
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