一種LD泵浦固體激光器電源的設(shè)計(jì)

半導(dǎo)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(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡單，
安裝靈活方便、工作穩(wěn)定、牢固耐用等優(yōu)點(diǎn)被廣泛應(yīng)用在激光血管內(nèi)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(shí)，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(jī)時(shí)，必須在接電源后，再慢慢地將激光器的工作電流調(diào)到需要的適當(dāng)值。而每次關(guān)機(jī)時(shí)，又必須先將激光器的工作電流慢慢地調(diào)到零，然后再關(guān)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(shè)計(jì)一個(gè)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(guān)閉。因此，新型半導(dǎo)體激光器的電源除了具有一定的電源穩(wěn)定輸出，還應(yīng)針對LD激光器的安全工作的特殊要求，在電源電路中設(shè)計(jì)一系列的保護(hù)措施。

1 LD激光器電源的慢啟動(dòng)電路

為使LD激光電源任意開啟和關(guān)閉而不損壞，可以在LD激光使電源電路中安排一個(gè)慢啟動(dòng)電路，以使電源開啟和關(guān)閉時(shí)LD激光器的正向電流iF可以隨時(shí)間緩慢變化，從而保證LD激光器不因電源開啟和關(guān)閉而損壞。其慢啟動(dòng)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(fù)值），PNP型三極管T1由截止進(jìn)入導(dǎo)通狀態(tài)，直至飽和導(dǎo)通。由于電感L有減緩電流增長速度的作用，而T2的導(dǎo)通電流可同時(shí)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(shí)間。

2 LD電源電流可調(diào)的實(shí)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(nèi)進(jìn)行調(diào)整輸出。調(diào)節(jié)光功率的方法有很多，有用擋光板或偏振片的機(jī)械光學(xué)原理方法調(diào)節(jié)的，也有利于LD發(fā)光功率與驅(qū)動(dòng)電流之間的對應(yīng)關(guān)系來調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電流的方法來實(shí)現(xiàn)光功率調(diào)節(jié)的。本ILLLI血療儀就采用了后一種光功率調(diào)節(jié)方法，這種方法要求LD激光器的供電電源設(shè)計(jì)有輸出電流可調(diào)系統(tǒng)。LD激光器驅(qū)動(dòng)電流和輸出光功率的對應(yīng)關(guān)系如表1所列。

由表中數(shù)據(jù)可知，當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流為890mA時(shí)，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(qū)動(dòng)電流為300mA，筆者將LD電流的電流可調(diào)范圍定為0.3～1A。

要實(shí)現(xiàn)LD電源輸出電流可調(diào)，可將圖1電路中T2的基極電阻R1用可調(diào)電阻RW+Rs替換，具體電路如圖2所示。圖中，Rs為一個(gè)固定的起始電阻，用以防止T2電流太大而地進(jìn)入飽和。當(dāng)RW=0時(shí)，T2基極電阻為Rs，此時(shí)基極電流最大。因而R2的輸出電流Ic2也達(dá)到最大值ICmax=1A。而當(dāng)RW調(diào)節(jié)到最大值Rm時(shí)，R2的基極電阻為Rs+Rm，此時(shí)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(shè)Vi為24V，T2管的β=100，并忽圖T1、T2管導(dǎo)通電壓VBE(on)和L上的壓降時(shí)，可選用Rs=2.4kΩ，RW為0～5.6kΩ的電位器（可調(diào)電阻）。

3 LD電流電流可調(diào)的控制系統(tǒng)

在實(shí)際的激光血療儀中，如果使用可調(diào)電阻來調(diào)節(jié)輸出電流iF,將有可能由于電位器的頻繁旋轉(zhuǎn)而使得滑片與電阻絲之間的某些接觸點(diǎn)脫離，從而使可變電阻在調(diào)節(jié)過程中不斷出現(xiàn)斷路點(diǎn)。這些斷路點(diǎn)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(diào)節(jié)的安全可靠性，可以用單片微機(jī)控制系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)LD電源輸出電流的可調(diào)功能。另外，采用單片微機(jī)系統(tǒng)，還可以進(jìn)一步增加LD電源的使用功能，如顯示、定時(shí)和報(bào)時(shí)功能等。

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

在微控制器系統(tǒng)開機(jī)時(shí)，首先將雙擲開關(guān)K1、K2打向高電平一邊。RC7口由K1接向高電平，系統(tǒng)軟件進(jìn)入預(yù)置狀態(tài)，從而使用戶可以設(shè)置電源輸出電流范圍。調(diào)整S1～S4四個(gè)按鍵可將LD電源的輸出電流調(diào)到所需值。此時(shí)，再按下S5確認(rèn)鍵以確認(rèn)電流范圍。而RC0口的紅色指示燈點(diǎn)亮則表示系統(tǒng)已進(jìn)入輸出等待狀態(tài)。再將雙擲開關(guān)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(jìn)入輸出狀態(tài)；按下S6鍵，則微控制系統(tǒng)從慢啟動(dòng)程序開始控制LD電源并向LD激光器供電。這時(shí)，S1～S4四個(gè)按鍵，可調(diào)節(jié)LD電源輸出電流iF，以實(shí)現(xiàn)LD激光器功率的調(diào)節(jié)。同時(shí)，S1～S4還兼作工作時(shí)間的調(diào)節(jié)以控制激光血療時(shí)間。另外，電路中還安排了語音提示電路。在電源進(jìn)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(hù)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(shè)計(jì)應(yīng)用在ILLLI綠光血療儀中，目前正在試用，效果良好。