一種LD泵浦固體激光器電源的設計

半導體二極管LD泵浦固體激光器（以下簡稱LD激光器）以其發(fā)熱少、光泵耦合方便、結構設計簡單，
安裝靈活方便、工作穩(wěn)定、牢固耐用等優(yōu)點被廣泛應用在激光血管內照射血液（ILLLI）治療儀中作為激光泵浦源。但是，這種LD激光器在電路裝配或工作過程中易受電壓、電流或靜電荷浪涌的沖擊而造成損壞。同時，由于這種LD激光器不能承受電流突變的浪涌沖擊。因此，對使用功能不完善的簡單電源LD激光器來說，在每次開機時，必須在接電源后，再慢慢地將激光器的工作電流調到需要的適當值。而每次關機時，又必須先將激光器的工作電流慢慢地調到零，然后再關閉電源。這對激光器的工作很不安全，也給ILLLI激光血療儀的使用帶來極大的不便。

為此，要設計一個好的LD激光器電源，就必須保證LD激光器能在各種類型的浪涌沖擊情況下安全工，包括LD激光電源的任意開啟和關閉。因此，新型半導體激光器的電源除了具有一定的電源穩(wěn)定輸出，還應針對LD激光器的安全工作的特殊要求，在電源電路中設計一系列的保護措施。

1 LD激光器電源的慢啟動電路

為使LD激光電源任意開啟和關閉而不損壞，可以在LD激光使電源電路中安排一個慢啟動電路，以使電源開啟和關閉時LD激光器的正向電流iF可以隨時間緩慢變化，從而保證LD激光器不因電源開啟和關閉而損壞。其慢啟動電路的原理圖如圖1所示。

圖中，Vi為輸入直流穩(wěn)定電壓，K閉合表示電源開啟的Vi接入瞬間。RC為充電電路，隨著電容C上充電電壓的上升（負值），PNP型三極管T1由截止進入導通狀態(tài)，直至飽和導通。由于電感L有減緩電流增長速度的作用，而T2的導通電流可同時提供給LD激光器作供電電流iF，因此流過LD激光器的供電電流也必然是慢速增加的。

由圖中可以看出：LD供電電流iF的增長速度取決于RC的數(shù)值。合理選取RC的值便可以確定iF的增加時間。

2 LD電源電流可調的實現(xiàn)

在ILLLI激光血療儀中，往往要對固體激光器的光功率在一定范圍內進行調整輸出。調節(jié)光功率的方法有很多，有用擋光板或偏振片的機械光學原理方法調節(jié)的，也有利于LD發(fā)光功率與驅動電流之間的對應關系來調節(jié)驅動電流的方法來實現(xiàn)光功率調節(jié)的。本ILLLI血療儀就采用了后一種光功率調節(jié)方法，這種方法要求LD激光器的供電電源設計有輸出電流可調系統(tǒng)。LD激光器驅動電流和輸出光功率的對應關系如表1所列。

由表中數(shù)據(jù)可知，當驅動電流為890mA時，LD激光器輸出光功率為13.3mW，經(jīng)光纖光針耦合后的輸出光功率大于5mW，可滿足ILLLI血療儀的要求，而LD激光器的閾值驅動電流為300mA，筆者將LD電流的電流可調范圍定為0.3～1A。

要實現(xiàn)LD電源輸出電流可調，可將圖1電路中T2的基極電阻R1用可調電阻RW+Rs替換，具體電路如圖2所示。圖中，Rs為一個固定的起始電阻，用以防止T2電流太大而地進入飽和。當RW=0時，T2基極電阻為Rs，此時基極電流最大。因而R2的輸出電流Ic2也達到最大值ICmax=1A。而當RW調節(jié)到最大值Rm時，R2的基極電阻為Rs+Rm，此時的基極電流最小，因而T2的輸出電流IC2也為最小Icmin=0.3A。假設Vi為24V，T2管的β=100，并忽圖T1、T2管導通電壓VBE(on)和L上的壓降時，可選用Rs=2.4kΩ，RW為0～5.6kΩ的電位器（可調電阻）。

3 LD電流電流可調的控制系統(tǒng)

在實際的激光血療儀中，如果使用可調電阻來調節(jié)輸出電流iF,將有可能由于電位器的頻繁旋轉而使得滑片與電阻絲之間的某些接觸點脫離，從而使可變電阻在調節(jié)過程中不斷出現(xiàn)斷路點。這些斷路點將使輸出電流iF產(chǎn)生突變而形成脈沖電流從而損壞LD激光器。為了改善電流調節(jié)的安全可靠性，可以用單片微機控制系統(tǒng)來實現(xiàn)LD電源輸出電流的可調功能。另外，采用單片微機系統(tǒng)，還可以進一步增加LD電源的使用功能，如顯示、定時和報時功能等。

LD電源的單片微機控制系統(tǒng)是采用美國Microchip技術公司的PIC系列微控制器PIC16C55。該單片機采用精簡指令集、兩級流水線指令結構和哈佛（Harvard）雙總線結構，是一個高性價比的8位嵌入式微控制器。同時，該單片機還具有工作電壓低（最低工作電壓可為3V）、功耗低（3V，32kHz時鐘下的工作電流為15μA）、輸出驅動LED能力大以及編程方便等特點。其單片微控制器系統(tǒng)電路如圖3所示。圖中D/A轉換器DAC0832和集成運放LF356可將微控制器PIC16C55的RB口輸出的數(shù)字信號轉化為模擬控制電壓，這樣就可以直接控制T2的基極來調節(jié)電流iF。

在微控制器系統(tǒng)開機時，首先將雙擲開關K1、K2打向高電平一邊。RC7口由K1接向高電平，系統(tǒng)軟件進入預置狀態(tài)，從而使用戶可以設置電源輸出電流范圍。調整S1～S4四個按鍵可將LD電源的輸出電流調到所需值。此時，再按下S5確認鍵以確認電流范圍。而RC0口的紅色指示燈點亮則表示系統(tǒng)已進入輸出等待狀態(tài)。再將雙擲開關K1、K2打向低電平一邊，使綠燈熄滅；RC7由K向低電平，系統(tǒng)進入輸出狀態(tài)；按下S6鍵，則微控制系統(tǒng)從慢啟動程序開始控制LD電源并向LD激光器供電。這時，S1～S4四個按鍵，可調節(jié)LD電源輸出電流iF，以實現(xiàn)LD激光器功率的調節(jié)。同時，S1～S4還兼作工作時間的調節(jié)以控制激光血療時間。另外，電路中還安排了語音提示電路。在電源進入穩(wěn)定工作以后，如果發(fā)生異常情況，則可按下S6鍵以使系統(tǒng)軟件控制LD電源停止供電，來保護LD激光器。微控制器系統(tǒng)軟件程序框圖如圖4所示。該微控制器LD電源與LD激光器已成功設計應用在ILLLI綠光血療儀中，目前正在試用，效果良好。