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选择和驱动激光二极管

通过克里斯·弗朗西斯|2014年12月1日

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激光二极管有很多种类型和功率。它们用于DVD和CD播放机和刻录机,用于光纤通信、可见激光笔、距离测量、打印机、医药和工业。主要的决策要点是:

  • 波长
  • 权力
  • 脉冲或连续的。

波长取决于应用程序。如果你想用激光做指针,那么很明显你会选择在可见光谱中,可能是红色,如果你想要最便宜的溶液。对于医疗应用,可能会有特定的吸收或荧光,这将决定波长,例如荧光素血管造影约490nm。在某些情况下,你可以使用LED,这取决于激光的小源尺寸或相干性是应用的特殊要求。

半导体激光光源的尺寸只能为2µm,远小于led。然而,它们是发散光源,所以需要光学来制造平行光束。当视在一个平面上的视在源与另一个平面上的视在源的位置略有不同时,它们也是象散的。这两个平面的散度也是不同的。因此,为了从激光二极管得到最小光斑大小的图像,你需要一个聚焦时不旋转的散光透镜。大多数激光笔使用简单的透镜,所以光斑往往看起来像一个圆形或椭圆形,而不是激光源的清晰图像。

对于高权力脉冲激光测距仪通常使用905纳米,肉眼是看不见的。1540nm是提高眼睛安全的有用波长,因为该波长在到达视网膜之前就被眼睛吸收了,所以在保证眼睛安全的前提下,可以使用更高的激光功率。虽然1540nm传统上是使用铒玻璃激光器产生的,但现在可以使用该波长的半导体激光器。然而,1540纳米激光的成本往往超过905纳米,探测器也是如此。然而,光纤电缆的吸收更低,这可能是有用的。

所需的功率取决于你想用激光做什么,但请记住眼睛安全要求,这可能会严重限制你能做什么,如果激光不是在封闭的环境中使用,它看不到。DVD/CD刻录机对眼睛是安全的,因为你不能使用激光——否则使用的功率就不安全。功率范围从用于测量仪器的小于毫瓦到用于切割、标记或医疗应用的数百或数千瓦。

脉冲激光可以用于激光测距仪,高脉冲功率与非常短的脉冲结合提供了低平均功率,可以产生一个眼睛安全的解决方案。其他脉冲应用是光纤数据传输或DVD/CD写入。连续驱动将用于DVD/CD阅读器、激光笔、测量仪器或一些医疗应用,如消炎使用(例如660nm)。

开车激光的强度取决于激光的类型,以及你是连续驱动还是脉冲驱动。有些激光器仅仅靠恒定电流驱动。这通常会在DVD阅读器中发现。如果激光有一个内建的监控二极管,它通常意味着你应该使用它来控制电源。这确实意味着你需要一个功率计来设置功率-内置的监视器二极管是没有校准的。即使有恒定电流驱动,也可能需要设置电流来实现一定的功率。

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请注意,在互联网上有很多坏的激光驱动电路和激光笔里面有很多坏的电路,你可以买到。许多不使用内建的监控二极管,将有一个短的激光寿命。一个好的控制电路将保持激光功率,即使温度变化(例如当激光升温)。另一个要求是不要过度驱动激光,即使是很短的时间。打开瞬态开关可以非常迅速地摧毁低功率激光器。一个好的功率控制电路不需要复杂。下图所示的电路,加上R2上的一个大电容,将以低成本提供合理的功率控制(来自专利US5199039 -现在已经失效)。

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如果你想要更复杂的产品,可以从iC-Haus GmbH等公司购买专门的芯片。他们为各种类型的激光制造一系列驱动芯片,有些是调制的,有些是连续的,有些是集成了故障保护电路的。例如,iC-WK可以配置为与大多数激光二极管/光电二极管连接,在降低温度范围的情况下驱动高达70mA或90mA,成本低于3美元。

3.

使用平均功率控制电路,通常可以使用简单的电阻来增加和减少通过激光的电流来调制激光。对于一些激光器,阈值电流可以很高——几十毫安——但斜坡效率也可以很高,只需要一个小的额外电流来增加激光功率或小幅度降低几乎关闭。这意味着一个方便的调制方法可以是一个简单的逻辑门通过电阻连接到激光器。记住不要超过峰值和平均激光功率/电流。这种驱动方法依赖于有一个激光功率控制电路来控制平均功率,即它有一个缓慢的响应。

对于驱动高功率脉冲激光器,你经常需要超过10A的电流,并且很可能会寻找小于100ns的脉冲。产生极短脉冲的一个困难是轨道和封装电感。目前仍在使用的一种方法是使用高驱动电压和雪崩晶体管,如Diodes Inc(前身为Zetex)的ZTX415。

4

更常见的高功率脉冲激光器是简单地驱动一个MOSFET和较低的电压。通常使用一个源输出电路,它有助于提高速度,但由于mosfet的栅源电压有限而限制了工作电压。

欧司朗已经将场效应晶体管(MOSFET)与激光器件(如SPL LL90_3)集成在同一封装内,以克服封装电感问题。它们也包含了一些电容,所以从激光连接到电容的电感是非常低的。MOSFET连接作为一个源跟随器,所以你被限制在20V电源和栅极驱动。在典型的40nm脉冲宽度(FWHM)下,905nm波长下的峰值功率输出通常为70W。使用25W版本的SPL LL90,您可以通过使用短栅驱动脉冲将脉冲宽度降低到4ns,但降低峰值输出功率。

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