一种半导体激光脉冲种子源的设计与实现

1 引言

随着社会的进步和国民经济的增长，高功率密度激光脉冲在现代工业中有着广泛的应用，在民用方面，现在常用的激光钻孔机、激光测距仪和材料加工等；在军事方面，高功率密度激光脉冲被广泛应用于激光武器、激光制导和光纤陀螺等[1]。目前高功率密度激光脉冲主要被Q开关的固体激光器和光光纤激光器所占据，但这些激光器一般仅用于方波光脉冲输出，在高功率情况下输出波形质量不佳，不能针对输出波形质量进行主动修正，且输出光脉冲的参量调整较为困难。而基于直接调制半导体激光器作为种子源的主振功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)系统具有脉冲波形可调、脉冲重复频率范围广、峰值功率高等优点[2]。

随着MOPA 系统的广泛运用,种子源技术成为改善激光输出特征的重要技术。种子源是MOPA脉冲光纤激光器的核心部分，通过对种子源时域波形的分析，有效地控制半导体激光种子源光脉冲波形,获得脉冲宽度、重复频率可调的大功率脉冲激光输出[3-4]。

本文通过对半导体激光器调制工作原理及脉冲激光输出的实现原理进行分析，设计了一种脉宽可调的半导体脉冲激光种子源，最后通过实验验证设计的可行性及合理性。

2 半导体激光器调制原理

半导体激光器也称激光二极管，其工作原理是：半导体材料中的电子在注入电流激励源的作用下，吸收能量后跃迁至高能级，高能级粒子积累到一定程度后，电子向低能级跃迁并释放出光子；将材料两端的晶面抛光形成激光谐振腔，使光子受振荡，最终形成稳定的激光输出。

半导体激光器的一个重要特性就是在驱动电流大于阈值电流（Ith）以上的一段区域，驱动电流与输出光功率近似呈线性关系，这样就可以通过调制驱动电流来对半导体激光器的输出光进行直接调制。在驱动电流大于激光器的阈值电流值的条件下，采用调制驱动电流的方法，使注入到半导体激光器内的载流子密度达到相应的脉冲调制，从而使激光器发出强度被调制的脉冲激光。调制原理如图1所示。

图1 半导体激光器调制原理图

3 半导体激光脉冲种子源的设计

根据半导体激光器调制原理，我们设计了图2所示的半导体脉冲激光种子源，其主要包括可编程脉冲产生与控制电路、脉冲压缩与整形电路、电流驱动电路和半导体激光器。其主要原理框图如图2所示。其中可编程脉冲产生电路产生脉宽为μs量级、重复频率可调的脉冲电信号。脉冲信号压缩与整形电路通过对基准脉冲信号进行压缩、整形，生成脉宽可调的ns量级电脉冲信号。参数可调的ns量级电脉冲信号通过电流驱动电路产生用以调制半导体激光器的脉冲电流，从而实现参数可调的脉冲光输出。脉冲光的脉冲宽度和重复频率可由控制软件进行设置。

图2 半导体脉冲激光器驱动电路原理图框图

4 半导体激光脉冲种子源的实现

4.1 可编程脉冲信号产生与控制电路

常见的脉冲信号源采用的设计方式有以下几种：采用专用的DDS集成芯片、利用单片机实现脉冲信号的产生、采用FPGA或则CPLD的技术方以及利用74系列芯片延时产生[5]。综合考虑了控制灵活性及长远应用性，我们采用Xilinx公司的XC2C64A编程逻辑器件（CPLD）作为产生参数可调的脉冲信号的主芯片，该芯片具有高速度、低功耗、开发方便、外围电路简单等特点，XC2C64A芯片外部连接图如图3所示。

图3 XC2C64A芯片外部连接图

运用HDL语言对XC2C64A芯片进行开发产生一定