0 导言
半导体激光器自上世纪60年代面世以来，历经半个世纪的展开，因为其一系列杰出的长处，如体积小、价格低、转化功率高、易调制、可靠性高、辐射波长规模宽等，在通讯、传感、激光加工、医疗等很多范畴得到了广泛的运用，成为现在世界上运用量最大的激光器品种。比较于其他类型的激光器而言，半导体激光器具有其本身的一些特色，如腔长较短、质量因子较低、固体增益介质受载流子浓度改动的影响很大;特别是阈值电流邻近，注入载流子浓度的瞬态改动会形成自发发射光场相位的动摇;以及因为半导体激光器内不彻底的粒子数回转所发生的自发发射光子会添加场强的动摇，等等;这些特色使得半导体激光器的激光线宽相对较宽，频率受电流和温度等环境要素影响明显，这些特色限制了其在某些精细测验范畴中的运用，如精细干与丈量与计量、高分辨率光谱等等。这也使得针对半导体激光器线宽压窄和稳频技能的研讨成为热门。
频率安稳的窄线宽半导体激光器在原子和分子光谱学、激光冷却、光通讯、光传感器、激光干与、激光拉曼光谱、气体剖析和检测等很多范畴有着广泛的运用远景。展开半导体激光器稳频和线宽压窄首要需求处理其精细驱动问题，为此，本电路在坚持其较小体积的前提下，通过选用专用恒流和恒温操控芯片结合数字操控技能，对半导体激光器的注入电流和作业温度进行实时监测和精细操控，使半导体激光器频率安稳性得到很大的改进，有望在往后半导体激光器线宽压窄和稳频技能中得到运用。
1 精细驱动电路规划
从作业方法和特性研讨可知，激光二极管是一种高功率密度且具有极高量子功率的器材，电流细小的改动将导致激射波长的明显改动和其他器材参数(如输出光功率、噪声功用、形式安稳度等)的改动，一起，激光二极管的PN结受温度影响较大，温度的细小改动将不只影响到半导体激光器的出射波长、输出功率及阈值电流等特性，还会增大激光输出噪声，乃至影响激光器的正常作业。一起，因为存在较大损耗，激光二极管的一部分电功率会转化为热量，若不采纳恒温散热办法，激光器的寿数会大大缩短。依据上述考虑，本文所规划的精细驱动电路首要包含恒流(恒功率)和恒温两大模块，其结构如图1所示。
规划中，为了使激光二极管作业功用(如作业波长和输出光功率)安稳，要求驱动电路别离能对温度和电流进行准确的监测和操控;并且，为了确保整个驱动电路的安全运转，要求电流操控模块具有过流维护、避免浪涌冲击、延时软启动等功用。此外，为能完结对激光二极管的作业温度和作业电流进行设定和实时监控，电路还规划有以单片机为中心的中心处理模块，由该模块(需带有AD和DA转化功用)实时操控和监测激光二极管各项参数功用，如作业温度、注入电流、光功率等。对激光二极管一类的小型元件进行温度操控，最常用热电制冷器(Ther mal Electric Cooler，简称TEC)。TEC的制造依据帕尔贴效应，即电流流过两种不同导体的界面时，会向外界开释热量或从外界吸收热量的现象。
2 电路器材选型
依据上述规划方案，进行各器材选型和电路规划。首要是中心操控模块，依据其功率要求，本电路中选用C8051F007，该类型单片机是彻底集成的低功耗混合信号片上体系型MCU，一起C8051F007是现在单片机中价格相对较低的，并且从其时钟频率和扩展功用来讲，都要好于一般的单片机，且彻底能够满意驱动电路数据收集、体系操控等运用的要求。更为重要的是，C8051F007具有如下重要接口：12位多通道AD C、可编程增益放大器和2个12位DAC。
电路中的恒流操控模块选用鞍山中心电子有限公司的ATLS100MA103。该芯片是一款专为驱动激光二极管的电子芯片，其体积细巧、免散热片，具有超低噪音(2 μA)、大电流(100mA)、高精度(0.1%)、高安稳性(100ppm/℃)、全屏蔽等特色。芯片内部包含了限流器、温度传感器、关断和软启动电路、电流传感器及低噪声驱动器，具有软启动功用。满意电路对激光二极管电流操控的要求。
电路中的恒温操控模块相同选用鞍山中心电子有限公司的产品，类型为TECA1-5V-5V-D。该芯片是专为驱动TEC而规划的一种小款电子芯片，具有体积细巧、零电磁搅扰等特色。TECA1-5V-5V-D操控器的温度操控电路是一种依据闭环负反应原理的温控技能，它通过负反应减小输出值与设定值之间的误差，然后到达对温度的实时、准确操控的意图。依据TECA1-5V-5V-D芯片，本文规划了温度操控电路，电路选用+5V供电，理论功率≥90%，最大输出电流2.5A，温度安稳性可优于0.01℃乃至到达0.001℃。
为了满意电路在数据收集和操控的要求，单片机C8051F007作为驱动电路数据收集和操控的微处理芯片，能够通过接头衔接下载器下载程序，用以操控单片机作业，AD和DA转化接口别离衔接电流操控芯片和温度操控芯片，用以设置和监测输出电流和作业温度，单片机可通过串口将所丈量的激光二级管参数发送给核算机进行接纳和显现。
3 电路测验及成果剖析
电路规划制造完结后，进行试验测验，以验证其作业功用。试验中选用的激光二极管是日本SANYO公司出产的GaAlAs红光激光二极管DL-
3148-025，中心波长635nm，额外输出功率5mW，阈值电流20mA。结合激光二极管的热传导方法，本文规划了一套温度操控设备，它由紫铜热沉、铝制散热片、导热硅胶、TEC和热敏电阻等组成。如图3所示，激光二极管通过绝缘导热硅胶固定在热沉上面，附着在热沉上的热敏电阻将温度反应回温控芯片，温控芯片操控TEC对热沉制冷并通过散热便能够间接地完结对激光器的温度操控。通过调理安装在激光二极管前的准直透镜能够改动输出激光的发散角，将整个温控设备安装在光学调整架并放置在安稳的光学平台上，激光二极管、热敏电阻和TEC的导线衔接驱动电路。因为电流和温度的操控精度终究反映在激光二极管的频率(或波长)安稳度上，在完结电路的制造及相关参数设定后，即可用该电路驱动激光二极管测验其频率安稳度。
试验中，激光二极管的波长安稳度选用加拿大EXFO Burleigh公司出产的WA—1500型波长计进行丈量，其肯定精度可到达±0.2×10-3nm。将激光二极管敞开预热，待安稳作业后，把激光耦合到波长计中，此刻激光二极管输出单模激光，丈量其中心波长。当激光器作业于恒温、恒流形式时，其激光频率安稳度取决于驱动电路的功用，因而能够通过丈量激光器频率的安稳度反表演驱动电路的功用。以1Hz的频率接连500s丈量输出激光的波长，得到的试验成果如图4所示。
图4中图(a)为丈量得到的数据与拟合曲线图，图(b)为对数据处理得到的残差曲线，通过对丈量数据的剖析可知，500s内，激光波长丈量的平均值为637.4nm，均方差为2.4×10-4nm，依据拟合曲线得到激光波长的漂移量为7.2×10-4nm。试验中运用的SANYO公司中心波长为635nm的半导体激光器的波长-电流系数为0.01～0.02nm/mA，波长-温度系数为0.2nm/℃，由此核算得到电路的电流安稳性为1.2～2.4 ×10-2mm，温度安稳性为1.2×10-3℃。
4 总结
本文具体介绍了所规划制造的激光二极管数字式驱动电路，本电路以单片机C8051F007为操控中心，结合激光二极管专用恒流操控芯片ATLS100MA103和温度操控芯片TECA1-5V-5V-D，可完结对激光二极管注入电流和作业温度的高精度操控。结合635nm激光二极管的实践测验标明，本电路驱动下的激光二级管输出激光波长安稳度到达了10-4nm量级，折算成电流和温度的安稳性别离为1.2～2.4×10-2mA和1.2×10-3℃。本电路可用于半导体激光器稳频和线宽压窄研讨，亦可用于腔衰荡丈量体系等。
