一種半導(dǎo)體激光脈沖種子源的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

1 引言

隨著社會(huì)的進(jìn)步和國民經(jīng)濟(jì)的增長，高功率密度激光脈沖在現(xiàn)代工業(yè)中有著廣泛的應(yīng)用，在民用方面，現(xiàn)在常用的激光鉆孔機(jī)、激光測距儀和材料加工等；在軍事方面，高功率密度激光脈沖被廣泛應(yīng)用于激光武器、激光制導(dǎo)和光纖陀螺等[1]。目前高功率密度激光脈沖主要被Q開關(guān)的固體激光器和光光纖激光器所占據(jù)，但這些激光器一般僅用于方波光脈沖輸出，在高功率情況下輸出波形質(zhì)量不佳，不能針對(duì)輸出波形質(zhì)量進(jìn)行主動(dòng)修正，且輸出光脈沖的參量調(diào)整較為困難。而基于直接調(diào)制半導(dǎo)體激光器作為種子源的主振功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)系統(tǒng)具有脈沖波形可調(diào)、脈沖重復(fù)頻率范圍廣、峰值功率高等優(yōu)點(diǎn)[2]。

隨著MOPA 系統(tǒng)的廣泛運(yùn)用,種子源技術(shù)成為改善激光輸出特征的重要技術(shù)。種子源是MOPA脈沖光纖激光器的核心部分，通過對(duì)種子源時(shí)域波形的分析，有效地控制半導(dǎo)體激光種子源光脈沖波形,獲得脈沖寬度、重復(fù)頻率可調(diào)的大功率脈沖激光輸出[3-4]。

本文通過對(duì)半導(dǎo)體激光器調(diào)制工作原理及脈沖激光輸出的實(shí)現(xiàn)原理進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了一種脈寬可調(diào)的半導(dǎo)體脈沖激光種子源，最后通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證設(shè)計(jì)的可行性及合理性。

2 半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理

半導(dǎo)體激光器也稱激光二極管，其工作原理是：半導(dǎo)體材料中的電子在注入電流激勵(lì)源的作用下，吸收能量后躍遷至高能級(jí)，高能級(jí)粒子積累到一定程度后，電子向低能級(jí)躍遷并釋放出光子；將材料兩端的晶面拋光形成激光諧振腔，使光子受振蕩，最終形成穩(wěn)定的激光輸出。

半導(dǎo)體激光器的一個(gè)重要特性就是在驅(qū)動(dòng)電流大于閾值電流（Ith）以上的一段區(qū)域，驅(qū)動(dòng)電流與輸出光功率近似呈線性關(guān)系，這樣就可以通過調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流來對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出光進(jìn)行直接調(diào)制。在驅(qū)動(dòng)電流大于激光器的閾值電流值的條件下，采用調(diào)制驅(qū)動(dòng)電流的方法，使注入到半導(dǎo)體激光器內(nèi)的載流子密度達(dá)到相應(yīng)的脈沖調(diào)制，從而使激光器發(fā)出強(qiáng)度被調(diào)制的脈沖激光。調(diào)制原理如圖1所示。

圖1 半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理圖

3 半導(dǎo)體激光脈沖種子源的設(shè)計(jì)

根據(jù)半導(dǎo)體激光器調(diào)制原理，我們?cè)O(shè)計(jì)了圖2所示的半導(dǎo)體脈沖激光種子源，其主要包括可編程脈沖產(chǎn)生與控制電路、脈沖壓縮與整形電路、電流驅(qū)動(dòng)電路和半導(dǎo)體激光器。其主要原理框圖如圖2所示。其中可編程脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生脈寬為μs量級(jí)、重復(fù)頻率可調(diào)的脈沖電信號(hào)。脈沖信號(hào)壓縮與整形電路通過對(duì)基準(zhǔn)脈沖信號(hào)進(jìn)行壓縮、整形，生成脈寬可調(diào)的ns量級(jí)電脈沖信號(hào)。參數(shù)可調(diào)的ns量級(jí)電脈沖信號(hào)通過電流驅(qū)動(dòng)電路產(chǎn)生用以調(diào)制半導(dǎo)體激光器的脈沖電流，從而實(shí)現(xiàn)參數(shù)可調(diào)的脈沖光輸出。脈沖光的脈沖寬度和重復(fù)頻率可由控制軟件進(jìn)行設(shè)置。

圖2 半導(dǎo)體脈沖激光器驅(qū)動(dòng)電路原理圖框圖

4 半導(dǎo)體激光脈沖種子源的實(shí)現(xiàn)

4.1 可編程脈沖信號(hào)產(chǎn)生與控制電路

常見的脈沖信號(hào)源采用的設(shè)計(jì)方式有以下幾種：采用專用的DDS集成芯片、利用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)脈沖信號(hào)的產(chǎn)生、采用FPGA或則CPLD的技術(shù)方以及利用74系列芯片延時(shí)產(chǎn)生[5]。綜合考慮了控制靈活性及長遠(yuǎn)應(yīng)用性，我們采用Xilinx公司的XC2C64A編程邏輯器件（CPLD）作為產(chǎn)生參數(shù)可調(diào)的脈沖信號(hào)的主芯片，該芯片具有高速度、低功耗、開發(fā)方便、外圍電路簡單等特點(diǎn)，XC2C64A芯片外部連接圖如圖3所示。

圖3 XC2C64A芯片外部連接圖

運(yùn)用HDL語言對(duì)XC2C64A芯片進(jìn)行開發(fā)產(chǎn)生一定