激光二极管之光路&电路设计

最近在完成激光光路设计的过程中，终于用上了自己的光电专业，现将我在激光电路以及光路的设计过程记录与此，方便日后在相关方向进一步的扩展下去！

一、LD激光器的基础知识

1. 基本相关概念及参数

    目前一般市面上的LD激光器由于体积很小因此会存在功率密度大，准直性不高的情况，而一般生产激光器的厂家有欧司朗、夏普、日立等企业。对于发光二极管激光器而言，根据是否带有光电二极管检测电路与否分为两大类，一般带有光电二极管的LD激光器都能够非常好的控制Laser激光器件的亮度参数，从而满足特定的应用场景。如下表所示为THORLAB公司的一种LD激光器L820P200:

   如下图所示为发光二极管的发光模型图：

紫色圈表示发光强度的梯度等强线，发散角表示光强降低一半时两侧光线的夹角。

表格中相关参数解释如下：

• Center WaveLength(中心波长)：820nm
• Output Power(输出功率)：200mW
• Threshold Current(阈值电流)：50mA
• Operating Current(工作电流)：250mA
• Operating Voltage(工作电压)：2.4V
• Slope Efficiency(转换效率)：0.95W/A
• PD光电二极管检测电流：0.3mA
• Polarization Extinction Ratio(TE/TM)-横电模和横磁模比例：20dB
• Beam Divergence(发散角)：9°-17°(由于是光柱，存在水平方向及垂直方向的发散角!)
• Off-Axis Deviation(机械轴和光轴夹角)：0°

2. 激光管的发光特性与温度关系及其光电功率参数

    如上图中所示，通过分析图中内容，可以知道以下三点内容：

• 在室温25°下，光谱正中心分布在波长820nm，由于激光二极管发热功率很高，温升较大，在散热情况下其温度保持在40°左右，中心波长为825nm.
• 从L-I-V图中可以看出，激光二极管的功率控制主要依赖电流源，光功率和电流线性相关，阈值电流为50mA，供电电压基本在2.3V左右.
• 一般而言，对于激光二极管器件的散热需要保证其基座与散热铜柱体紧密贴合，对于LD封盖部分在加工精度允许的情况下也可以紧密贴合，如若未添加散热铜柱，则激光器会迅速由于温升而断电保护.

3. LD器件实物图及内部结构

    如下图中所示，一个LD激光管中包括了6个主要的组成部分，其中LD用来产生不同波长的激光，PD(Photon Diode)光电二极管用来监测PD发出背光的强度，这样就能形成光功率闭环负反馈控制系统，基座一般都使用的金属铜(导热性良好)，封盖能够有效的密封LD激光管，减少粉尘的进入，提高激光管的使用寿命。

    带有PD的激光器件，实物图及其尺寸规格如下所示：

二、LD激光器驱动电路

1. 简易光强控制电路

    简易的激光控制电路中使用了两个MMBT3904三级管对激光的电路进行了负反馈管理，电路中P4接口为电源输出端，接入3.3V电源电压即可，可以通过修改R2的电阻值，从而有效的控制LD发光管的光强度(R2越小亮度越大)，一般选用典型值25K欧即可，右图为实际焊接电路，其大小非常小，接近激光二极管的基座尺寸，使用起来非常的方便。

2. 专业的激光控制电路

    专业的控制电路可以选用德国ircu公司的LD激光器驱动芯片iC-NZN，其内部原理图如下所示，详细原理图见附件：

    该芯片可以使用高速的LVDS差分信号控制激光管的通断，频率可以达到1KHz以上，同时可以通过调节PMD可调电阻的阻值，从而有效的控制激光的强度.

三、LD激光器光路设计

3. 光纤对接光路示意图

Reference

 1. 参考资料下载：

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