ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР И ЕГО БЛОК УПРАВЛЕНИЯ ИМПУЛЬСНЫМ ИЗЛУЧЕНИЕМ ЛАЗЕРНОГО ДИОДА

Заявляемая группа полезных моделей относится к области оптоэлектроники и может быть использована в системах с автономным питанием в качестве излучающего прибора с регулируемыми параметрами излучения, например, в дальнометрии при полевых условиях эксплуатации.
Известен полупроводниковый лазер, описанный в патенте RU 2172514, кл. G05D 6/02, H01S 5/06, 2001.08.20, «Драйвер полупроводникового лазера».
Известное устройство содержит регулятор тока накачки полупроводникового лазера, сам полупроводниковый лазер, датчик тока, датчик мощности прямого излучения лазера, датчик температуры лазера, дифференциальные, линейный и экспотенциальный усилители, сумматор, дискриминатор и входы для управляющего напряжения и для сигнала установки максимального тока.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся невозможность регулирования формы излучаемого импульса и низкая воспроизводимость параметров излучения.
Известен также полупроводниковый лазер, описанный в патенте RU 2233519, кл. H01S 5/00, 2004.07.27, «Мощный регулируемый лазерный прибора, который по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого лазера.
Известное устройство содержит группу лазерных диодов, блок питания диодов, модуль управления с входом запуска, встроенные
фотоприемники контроля мощности диодов, блок установки мощности излучения прибора, двухвходовые компараторы, модуль управления током соответствующих лазерных диодов и управляемый электронный коммутатор с управляемой цепью.
Известный полупроводниковый лазер позволяет регулировать мощность излучения за счет включения в рабочий режим заданного количества излучающих лазерных диодов.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся невозможность регулирования формы излучаемого импульса и низкая воспроизводимость параметров излучения.
Известен «Формирователь импульсов тока» SU 1287263 А1, Н03К 5/08, 1987.01.30, который может быть использован для управления излучением лазерного диода. Известный формирователь импульсов тока содержит электронный ключ, индуктивную нагрузку, элемент обратной связи, демпфирующий элемент, компаратор, блок формирования порога, задающий блок и блок управления.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относится невозможность формирования импульса выходного излучения заданной формы.
Известен «Стабилизатор импульсной мощности излучения диодного лазера» RU 2103810 С1, 6 Н03К 5/08, 1998.01.27, в котором блок управления импульсным излучением лазерного диода с модулем стабилизации тока накачки диода по совокупности существенных признаков является наиболее близким аналогом заявляемого блока управления импульсным излучением лазерного диода в заявляемом полупроводниковом лазере.
Известный блок управления выполнен в виде мультивибратора на двух вентилях 2ИЛИ-НЕ КМОП-структуры с дополнительным
вентилем-буфером и токоограничивающим резистором на выходе, при этом выход первого вентиля соединен с первым входом второго вентиля и с первым выводом первого резистора, второй вывод которого соединен с точкой подключения конденсатора и второго резистора, соответственно второй вывод конденсатора соединен с выходом второго вентиля и с объединенными входами вентиля-буфера, а второй вывод второго резистора соединен с первым входом первого вентиля, при этом выход второго вентиля через последовательно включенные диод и третий резистор соединен с первым входом первого вентиля, а вторые входы первого и второго вентилей соединены с общей шиной питания.
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании известного устройства, относятся невозможность формирования импульса выходного излучения заданной формы, недостаточная мощность излучения и возможность работы только в лабораторных условиях.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа полезных моделей, является обеспечение возможности формирования импульса выходного излучения заданной формы и воспроизводимости параметров излучения в широком диапазоне значений внешних условий.
Технический результат, получаемый при осуществлении заявляемой группы полезных моделей, заключается в обеспечении возможности регулирования формы излучаемого импульса, в том числе его амплитуды и длительности, и точное воспроизведение параметров излучения в широком диапазоне внешней температуры.
Указанный технический результат достигается при осуществлении заявляемой группы одно-объектных полезных моделей, образующих единый изобретательский замысел и представляющих собой целое устройство и его часть.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемого технического решения достигается тем, что в заявляемом
полупроводниковом лазере, включающем излучатель в виде лазерного диода, блок питания диода и модуль управления лазером с входом запуска, в отличие от известного лазера излучатель выполнен в виде моноблока, содержащего кроме лазерного диода его охладитель, внешний радиатор с вентилятором и датчики температуры лазерного диода и внешнего радиатора; блок питания лазерного диода выполнен в виде емкостного накопителя энергии, подключенного к входу накопителя блока заряда и подключенного к выходу накопителя блока управления импульсным излучением лазерного диода с подключенными к этому блоку датчиками тока накачки и напряжения питания диода; модуль управления лазером выполнен в виде микроконтроллера, к управляющим выходам которого подключены управляющие входы блока заряда накопителя и блока управления импульсным излучением лазерного диода и подключены модули управления охладителем лазерного диода и вентилятором, к информационным входам микроконтроллера подключены информационные выходы накопителя и блока его заряда и через соответствующие преобразователи датчик температуры лазерного диода и датчик температуры внешнего радиатора, при этом к информационному выходу микроконтроллера подключен индикатор готовности лазера к работе.
Полупроводниковый лазер может быть снабжен затвором излучения лазерного диода и подключенным к затвору модулем формирования его импульсов, управляющий вход которого соединен с одним из управляющих выходов микроконтроллера.
Указанный технический результат при осуществлении заявляемого технического решения достигается также тем, что в заявляемом блоке управления импульсным излучением лазерного диода, включающем модуль стабилизации тока накачки диода, в отличие от известного блока управления заявляемый блок выполнен в виде транзисторного моста с плечами из четырех транзисторов с шунтирующими диодами, двух
драйверов управления соответственно правым и левым плечами моста, логической схемы формирования управляющих импульсов для моста и модуля стабилизации тока накачки, при этом вход питающей диагонали моста подключен к положительному полюсу емкостного накопителя энергии, а выход - через датчик тока связан с отрицательным полюсом накопителя, в исполнительную диагональ моста последовательно с катушкой индуктивности включен лазерный диод, затворы транзисторов левого и правого плечей моста связаны с управляющими выходами соответствующих драйверов, а сигнальные входы драйверов подключены к соответствующим выходам логической схемы формирования управляющих импульсов, сигнальный вход которого является управляющим входом блока управления, к входу обратной связи модуля стабилизации тока накачки подключен выход датчика тока, а к выходу - логический вход драйвера управления левого плеча транзисторного моста, при этом второй вход модуля стабилизации тока накачки является входом задания уровня тока накачки.
На фиг.1 изображена блок-схема заявляемого полупроводникового лазера, на фиг.2 - схема блока управления импульсным излучением лазерного диода, на фиг.3 - последовательность операций при работе заявляемого полупроводникового лазера, на фиг.4 - форма импульса тока накачки. Далее по тексту номера позиций, относящиеся к фиг.1 и фиг.2, выполнены арабскими цифрами без дополнений, а номера позиций по фиг.4 - арабскими цифрами в квадратных скобках.
Заявляемый полупроводниковый лазер (фиг.1) содержит блок питания 1 из последовательно включенных блока заряда 2, емкостного накопителя энергии (ЕНЭ) 3 и блока управления 4 импульсным излучением лазерного диода 5, размещенного в излучателе 6. К блоку управления 4 подключены датчик тока 7 накачки лазерного диода 5 и датчик напряжения 8 питания лазерного диода 5. Излучатель 6 выполнен в виде моноблока, в котором кроме лазерного диода 5 установлены затвор 9
для его излучения, охладитель 10 лазерного диода 5, внешний радиатор 11 с вентилятором 12 и датчики температуры 13 и 14 соответственно лазерного диода 5 и внешнего радиатора 11. Модуль управления полупроводниковым лазером - микроконтроллер 15 системы управления с управляющим входом 16 своими управляющими выходами подключен к управляющему входу 17 блока заряда 2 ЕНЭ 3, к управляющему входу 18 блока управления 4 импульсным излучением лазерного диода 5, к входам модуля 19 формирования импульсов затвора 9 и к входам 20 и 21 соответственно модуля 22 управления охладителем 10 лазерного диода 5 и модуля 23 управления вентилятором 12. К информационным входам микроконтроллера 15 подключен информационный выход 24 ЕНЭ 3 и информационный выход 25 блока заряда 2. К информационным входам 26 и 27 микроконтроллера 15 подключены также преобразователь 28 датчика 13 температуры лазерного диода 5 и преобразователь 29 датчика 14 температуры внешнего радиатора 11. К информационному выходу микроконтроллера 15 подключен индикатор 30 готовности лазера к работе.
i
i
1
2
3
4
Блок управления импульсным излучением 4 лазерного диода 5, являющийся составной частью полупроводникового лазера, содержит (фиг.2) мост 31 с плечами из четырех транзисторов 32 с шунтирующими диодами 33, два драйвера управления правым 34 и левым 35 плечами моста 31, логической схемы 36 формирования управляющих импульсов для моста 31 и модуля 37 стабилизации тока накачки лазерного диода 5. Вход питающей диагонали 38 моста 31 подключен к положительному полюсу ЕНЭ 3, а выход - через датчик тока 7 связан с отрицательным полюсом ЕНЭ 3. В исполнительную диагональ 39 моста 31 последовательно с катушкой индуктивности 40 включен лазерный диод 5, параллельно которому включен датчик напряжения 8 питания диода 5. Затворы транзисторов 32 и 32 левого и затворы транзисторов 32 и 32 правого плечей моста 31 связаны с управляющими выходами соответственно левого 35 и правого 34 драйверов. Сигнальные входы 41 и
2
1
42 драйверов 34 и 35 подключены к соответствующим выходам логической схемы 36 формирования управляющих импульсов. Сигнальный вход 43 модуля стабилизации 37 тока накачки соединен с входом 18 блока управления импульсным излучением 4 лазерного диода 5. Выход модуля стабилизации 37 тока накачки соединен с входом 46 драйвера 35. К входу обратной связи 44 модуля стабилизации тока накачки 37 подключен выход 38 датчика тока 7. Вход 45 драйвера 34 соединен с соответствующим выходом логической схемы 36 формирования импульсов. Вход 47 логической схемы 36 формирования импульсов соединен с входом 18 блока управления импульсным излучением 4 лазерного диода 5.
Перед началом работы ([1] на фиг.3) оператор через управляющий вход 16 микроконтроллера 15 вводит требуемые параметры выходного излучения:
- длительность импульса;
- энергия импульса;
- частота следования импульсов.
имп
имп
На вход блока заряда 2 ЕНЭ 3 подается силовое питание (операция [2] на фиг.3). При этом с его информационного выхода 25 на вход микроконтроллера 15 поступает сигнал о значении напряжения силового питания. Если величина напряжения силового питания ниже установленного порогового значения, то принимается решение об аварийной ситуации [3] (фиг.3). Зажигается индикация «Авария 1» (см. табл.). После устранения «аварии 1» повторно подается силовое питание на блок заряда 2 ЕНЭ 3, и начинается процесс [4] накопления энергии в ЕНЭ 3 до достижения величины Е, необходимой для получения одного импульса излучения лазерным диодом 5. Величина Е автоматически рассчитывается по заданным оператором требованиям.
С информационного выхода 24 ЕНЭ 3 на вход микроконтроллера 15 поступает информация о текущем значении накопленной энергии ЕНЭ 3.
с
имп
Если накопленная энергия Е меньше необходимой Е, то принимается решение [5] об «аварии 2» (табл.), и соответствующая информация выводится на индикатор 30.
Одновременно выполняется опрос [6] датчика температуры 13 лазерного диода 5, сигнал с которого через преобразователь 28 поступает на информационный вход 26 микроконтроллера 16. Если значение температуры лазерного диода 5 не соответствует допустимому диапазону рабочей температуры лазерного диода 5, то принимается решение [7] об «аварии 3» и включается [8] охладитель 10 лазерного диода 5.
Одновременно контролируется [9] температура радиатора 11 излучателя 6. В зависимости от разности температуры радиатора 11 и температуры лазерного диода 5 производится корректировка работы модуля 19 управления охладителем 10 лазерного диода 5 и модулем 29 управления вентилятором 12. В случае превышения предельно допустимого значения температуры радиатора 11 принимается решение [10] об «аварии 4», выключается охладитель 10 лазерного диода и включается [11] вентилятор 12.
2
ном
Когда все параметры (силовое напряжение на входе, накопленная энергия на ЕНЭ 3, температуры лазерного диода 5 и радиатора 11) в норме, микроконтроллером 15 на управляющий вход 18 блока управления 4 импульсным излучением задаются параметры тока накачки I лазерного диода 5 с рассчитанными значениями: номинальной амплитуды тока I, и точности стабилизации тока ΔI, которые поступают [12] на сигнальный вход 43 (фиг.2) модуля стабилизации тока накачки 37. Одновременно по результатам опроса датчиков тока 7 и напряжения 8 микроконтроллер 15 определяет [13] целостность цепей питания лазерного диода 5. При отсутствии короткого замыкания или обрыва цепей питания лазерного диода 5 (ситуации [14] - «авария 5» и «авария 6») выводится соответствующая информация на индикатор 30 - «Норма».
После этого напряжение с ЕНЭ 3 поступает на вход питающей
диагонали 38 транзисторного моста 31 блока управления импульсным излучением 4 лазерного диода 5.
1
4
1
Через управляющий вход 16 микроконтроллера 15 оператор формирует команду [15] на накачку лазерного диода 5, которая подается на вход 18 логической схемы 36 блока управления импульсным излучением 4. Логическая схема 36 формирует сигналы, которые поступают на входы 41 и 45 драйверов 34 и 35 соответственно. Драйвер 34 открывает нижний транзистор 32 правого плеча транзисторного моста 31. Драйвер 35 открывает верхний транзистор 32 левого плеча транзисторного моста 31.
1
4
Напряжение с положительного вывода ЕНЭ 3 через транзистор 32 и катушку индуктивности 40 поступает на лазерный диод 5. Далее цепь через транзистор 32 и датчик тока 7 замыкается на отрицательном выводе ЕНЭ 3. Сигнал с датчика тока 7 поступает на вход обратной связи 44 модуля стабилизации тока 37 и на измерительный вход микроконтроллера 15.
ном
1
ном
1
Происходит линейное увеличение тока накачки лазерного диода 5. При достижении значения тока накачки (I+ΔI) (фиг.4), с модуля стабилизации тока 37 на вход 42 драйвера 35 подается команда на выключение транзистора 32. Ток накачки плавно снижается и при достижении значения (I-ΔI) модуль стабилизации тока 37 подает на вход 42 драйвера 35 команду на включение транзистора 32. Цикл повторяется на протяжении всего импульса накачки до его завершения, осуществляя высокочастотную стабилизацию тока накачки лазерного диода 5.
1
4
2
3
По заднему фронту импульса управления, поступающего на вход 47 логической схемы 36, формируются управляющие логические сигналы на запирание транзисторов 32 и 32 транзисторного моста 31 и сигналы для отпирания транзисторов 32 и 32 транзисторного моста 31, которые поступают на входы 46 и 42 драйверов 34 и 35 соответственно.
пф
и
зф
Происходит вывод [16] импульса излучения полупроводникового лазера, длительность которого соответствует длительности (τ+Т+τ)
импульса полного тока (фиг.4). Выводом импульса заканчивается первый штатный цикл работы полупроводникового лазера.
имп
Второй и последующие циклы, не требующие ввода новых параметров, начинаются с подачи напряжения на вход блока заряда 2 ЕНЭ 3 (операция [2]). При этом контролируется величина накопленной энергии на ЕНЭ 3, а при необходимости идет процесс накопления энергии до уровня Е. Далее операции [1]-[16] повторяются до конца цикла штатной работы.
пф
и
зф
пф
и
зф
Если параметры излучения лазерного диода 5, формируемые стабилизацией током накачки τ, временем его нарастания, длительностью импульса Т и временем спада τ, соответствуют требуемым, то первый цикл штатной работы полупроводникового лазера заканчивается. При этом длительность выведенного импульса излучения полупроводниковым лазером соответствует длительности полного импульса тока (τ+Т+τ).
Если длительность импульса излучения больше требуемых для выполнения поставленной задачи, то на затвор 9 излучателя 6 через модуль управления 19 подается [16] сигнал на открытия и закрытие затвора.
из
В этом случае длительность выведенного полупроводниковым лазером импульса излучения соответствует длительности Т открытого состояния затвора 9 (фиг.4).
Полупроводниковый лазер обеспечивает возможность регулирования следующих параметров импульса:
- длительность переднего фронта импульса, за счет изменения скорости нарастания тока;
- точность стабилизации тока накачки за счет изменения частоты переключения модуля 37 стабилизации тока (варианты А и Б, фиг.4);
i
- длительность заднего фронта импульса за счет изменения скорости спада или комбинации переключения транзисторов 32 моста 31.
Технический результат достигается благодаря следующему.
Применение предварительного накопления энергии ЕНЭ 3 позволяет исключить влияние нестабильности напряжения питания блока питания, вследствие воздействия внешних параметров (например, колебания напряжения питания, электромагнитных помех, температуры и др.) и существенно уменьшить потребляемую энергию, а, следовательно, использовать в качестве источника автономную систему электропитания.
Высокочастотная стабилизация тока накачки, а также регулирование температуры лазерного диода 5 в реальном масштабе времени позволяют воспроизводить параметры импульса выходного излучения лазерного диода с высокой точностью вне зависимости от условий эксплуатации полупроводникового лазера в широком диапазоне температур внешней среды, включая возможность использования в полевых условиях.
Таблица
Работа полупроводникового лазера и реакция системы управления при наступлении аварийных режимов
Индикация
Неисправность
Реакция системы управления
«Авария 1»
Напряжение на входе ниже допустимого
Остановка работы блока питания 1, индикация об аварии «напряжение питания ниже нормы» на индикаторе 30
«Авария 2»
Напряжение на ЕНЭ 3 ниже допустимого
Остановка работы блока питания 1, индикация об аварии «U<sub>С</sub> ниже нормы» на индикаторе 30
«Авария 3»
Температура лазерного диода 5 выше допустимой
Остановка работы блока накачки 4, индикация об аварии «Перегрев диода» на индикаторе 30, работает модуль термостабилизации 19 и вентилятор 12
«Авария 4»
Температура радиатора 11 лазерного диода 5
Остановка работы блока накачки 4 и модуля термостабилизации, индикация «Перегрев» на индикаторе 30 об
выше допустимой
аварии, работает вентилятор 12
«Авария 5»
Обрыв цепи накачки
Остановка работы блока питания 1, индикация об аварии «Обрыва на индикаторе 30
«Авария 6»
Короткое замыкание цепи накачки
Остановка работы блока питания 1, индикация об аварии «Короткое замыкание» на индикаторе 30
Для реализации заявленного полупроводникового лазера могут быть применены следующие элементы.
- в качестве излучателя 6 - излучатель Л-12М производства ОАО «ЛОМО»;
- в модуле стабилизации тока накачки 37 - микросхемы TL494 фирмы Philips;
- силовые транзисторы FB180SA10 и драйверы управления IR2184 фирмы International Rectifiers.
Микроконтроллерная система управления (микроконтроллер 15) построена с применением микропроцессора Atmega 128 фирмы Atmel.
Для измерения температуры лазерного диода и радиатора применены платиновые терморезисторы.
Преобразователи температуры построены с использованием микросхемы XTR105.
В качестве ЕНЭ 3 применены электролитические конденсаторы Epcos с низким импедансом и допускающие большие токовые пульсации.
Модули управления охладителем и вентилятором построены на базе микросхем TEA 3717 SGS-Thomson microelectronics.
Таким образом, приведенные выше сведения подтверждают возможность осуществления заявленного полупроводникового лазера, достижения указанного технического результата и решения поставленной задачи.