现代半导体激光器驱动与控制技术讲座

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1、现代半导体激光器驱动与控制技术研究概述现代电子与工程应用专题讲座以半导体激光器件为核心的新型激光器是现在及未来激光器发展的主方向；“更快、更高、更强”也是半导体激光器本身向着KW以上功率等级发展的真实写照；半导体激光器已经在医疗、工业、军事、科研等四大核心领域获得广发应用，是未来的行业技术发展方向；KW级半导体激光器应用市场需求旺盛，2014年将突破88亿美元，复合年增长率为9％；国内偏重光学系统研究，驱动与控制技术限制了应用的深入开展；国外技术配套更加均衡；背景概要认识一下半导体激光器；半导体激光器所需要的驱动需求。半导体激光器的精密温度控制需

2、求；将应用与驱动、控制技术有机结合，将赋予半导体激光器强大的生命力；激光器驱动与控制的最新研究动向；内容概要认识半导体激光器—基本结构PN结高功率半导体激光器及其泵浦的固体激光器具有体积小、重量轻、光电转换效率高、性能稳定、可靠性高、寿命长等优点，已经成为光电行业中最有发展前途的产品，被广泛应用于工业、军事、医疗和直接材料处理等领域。组成大功率半导体激光器的基本单元是单发射腔或单阵列（单阵列由多个单发射腔线性排列而成）。图1、图2分别是单发射腔半导体激光器和单阵列半导体激光器的发光示意图。图1单发射腔半导体激光器图2单阵列半导体激光器认识半导体激

3、光器—长大后我就成了你对于半导体激光器而言，输出功率、转换效率和可靠性是描述器件性能的三个主要参数。增加输出功率主要有两种方式：1、改进芯片生长技术，增加单发射腔半导体激光器的输出功率。2、提阵列高半导体激光器发光单元的个数，从而提高输出功率。为进一步提高光输出功率，可以采用多种封装技术，其中包括多单管模组、水平叠阵、垂直叠阵、面阵。随着芯片制备技术的成熟、成本的降低以及性能的提高，半导体激光器出现了新的发展趋势，主要有高输出功率、高亮度、无铟化封装、窄光谱和低“smile”效应。认识半导体激光器—长大后我就成了你认识半导体激光器—增加输出功率的

4、限制单发射腔：最大光输出功率受限于灾难性光学腔面损伤（COMD）或ThermalRollover现象，COMD的主要原因是由于光吸收和非辐射复合导致的腔面过热而使腔毁坏。ThermalRollover现象是由于产生的热量高于制冷装置能够冷却的热量，通常此时在腔内将累积大量热量，使腔内的温度显著上升。应尽量降低器件的热阻。随着COMD和ThermalRollover现象的改善，输出功率5～8W、波长808nm和输出功率8～12W、波长9xxnm，发光区宽度分别为200μm和100μm的单发射腔半导体激光器，已获得广泛应用。认识半导体激光器—增加输出

5、功率的限制半导体激光器所需要的驱动需求典型的PUI曲线—典型的低压大电流特性LD巴条驱动的特殊性—电流品质的要求：同样参数名称VS.不同的含义与要求LD巴条是对驱动电流与工作温度都非常敏感的器件；纹波电流的风吹草动会引起激光功率的波澜壮阔；激发激光之后，电流变化率就是内部热量的变化率，纹波电流将直接导致PN结微结构的热伸缩应力；LD巴条驱动，不再是传统的电压品质，而是直接的严格回路电流限制；LD巴条驱动的纹波电流，不再是传统的RMS值，而是实时测量的峰峰值；驱动的特殊性—电流调节快慢要与巴条封装相匹配LD巴条的工作模式分成三大类：CW（连续模式）

6、，QCW（准连续模式），Pulse（脉冲模式）；目前使用最广泛的大功率半导体激光器以CW和QCW模式为主；电流变化率就是内部热功率变化率；电流调节导致的内部热量累积一定要与具体封装的热传导率相匹配、与热弛豫时间常数相匹配；电流调节不仅仅是快慢的问题，而是要考虑调解率的稳定，或者说电流变化的线性度，还有电流上升与下降的斜率一致性，功率越大，线性度与对称性要求越高；安全限制电流的控制品质决定了LD的在线可靠性（电流过冲、过调制、电缆虚接、ESD防护等）；电压、电流、功率、温度的联合安全限制；完备的安全防护技术，是区别与普通电源的特色之一；驱动的特殊性

7、—驱动的同时完成保护半导体激光器的精密温度控制需求TEC温控驱动模式会影响到温控精度，与制冷功率等参数；TEC阵列方式驱动，按实际热量分布，匹配制冷功率，“按需分配取代平均主义”模拟-数字混合PID控制算法，模拟要精度，数字要速度；-Point技术采用特殊的散热结构，结合精密TEC温控驱动与控制算法，对LD模块的出光进行精细的中心波长校准，协调LD驱动电流进行电流-温度联合驱控，最终使得多个模块的输出功率与中心波长进入设计偏差允许范围之内。微通道与复合水路设计颗粒度、离子浓度；水压与流量;不同部件的优化温度不同；多回路，多温区；应用与驱动、控

8、制技术有机结合3KW激光照片激光器驱动与控制的最新研究动向1、超紧凑、高效率300A及以上高纯净恒流源的研制与工艺实现，满足更大功率与电