低功耗窄脉冲编码激光器驱动设计探讨
摘要：高速窄脉冲激光器因为其高功率密度和高时间分辨率，在激光测距和激光探测领域被广泛应用。文章介绍了窄脉冲激光器的工作原理，设计出基于特定半导体激光二极管的驱动电路。便携式移动设备多为电池供电，低功耗是设计的另一个主要方向。通过仿真和样机测试，证明其可行性。
关键词：半导体激光二极管；窄脉冲激光器；低功耗便携激光器；激光测距；激光探测 文献标识码：A
中图分类号：TN242 文章编号：1009-2374（2015）12-0024-02 DOI：10.13535/j.cnki.11-4406/n.2015.12.012
半导体激光器具有体积小、质量轻、驱动功率较低等特点，在激光制导、测距领域都得到重要应用。由于在激光探测、激光测距领域，激光脉冲质量直接影响其识别能力、抗干扰能力和测距精度。激光脉冲质量和特性取决于所使用的激光二极管和配套的驱动电路的设计。普通的驱动电路通常采用三极管设计，满足了高速开关的要求，但是驱动能力有限。目前射频领域高速MOSFET发展迅速，开关速度可以达到纳秒级，而且瞬间导通电流大。本文参考了已有设计实例，在总结了相关设计思想的基础上，通过相关计算，设计出了基于TC1412N和FDS3692的激光器驱动。通过采集和分析实际探测数据，证实了这一设计思路的可行性。
1 总体结构及工作原理
半导体激光器是依靠载流子直接注入而工作的，当驱动电流小于阈值时，激光器输出光功率近似为零，在驱动电流大于阀值电流以上的一段区域，驱动电流与输出光功率近似呈线性关系。这样就可通过调制驱动电流来对LD的输出光进行直接调制。而且输出脉冲宽度越小，允许最大输出功率越大。因此，驱动模块要能够提供较大的峰值电流和较窄的电流脉宽。
工作原理如图1，由控制电路产生触发信号，触发信号经过脉冲整形作为功率放大电路的开关信号，脉冲电流经由放电回路激发半导体激光器。
2 电路设计与参数分析
半导体激光器放电回路是驱动电路的核心，由储能模块、MOSFET开关、LD组成。脉冲产生及放大电路的核心采用TC1412N，该芯片是一个峰值输出达到2A的高速MOSFET驱动器，高容性负载驱动能力：1000PF的负载，输出脉冲上升时间为18ns，脉宽为36ns。放电回路中MOSFET开关器件是核心，它的导通时间和导通电流直接影响输出能量和脉宽。本文选用FAIRCHILD公司的FDS3692功率MOSFET，其漏极电压最大可达100V，脉冲电流最大
可达60A，导通时间为26ns，寄生电感小于2nH。
充电过程：当MOSFET开关断开时，放电回路断开，电源模块的输出电压经调制后给储能模块充电。电压调制模块可以改变储能模块的充电电压，进而改变激光脉冲的能量和脉冲宽度。充电过程中，电压调制模块还可以稳定输入电压，保护电池模块不受大电流损伤。
经分析图4可知，影响脉冲质量的主要因素是寄生电感，而电路中寄生电感主要产生于LD的封装形式。
完成仿真后，通过实验验证仿真结果。由触发电路控制，输出激光脉冲信号，采用美国thorlabs公司的硅光电探测器DET10A/M探测输出的激光脉冲，通过Tectronix公司的DPO3052示波器观察脉冲波形。
通过调整电路中参数进行了多次实验，最后实际测量的结果脉宽为15ns。
4 结语
本设计结构简单紧凑、能量效率较高，实现了窄脉冲激光信号的调制输出和功率控制，非常适用于高分辨率的便携式激光测距系统，具有广泛的应用价值。
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作者简介：卢唯实（1986-），男，吉林辽源人，中国电子科技集团公司光电研究院助理工程师，研究方向：光电
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（责任编辑：周 琼）