脉冲式半导体激光器的制作方法

1.本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其涉及一种脉冲式半导体激光器。


背景技术：

2.脉冲式半导体激光器因其具有体积小、功耗低、可靠性高等特点，已广泛应用于测距、探测、激光引信、激光制导、激光雷达等领域。随着技术的发展，对激光光源的输出单脉冲能量稳定性提出了更高的要求。
3.目前，激光器输出单脉冲能量随温度变化有较大差异，导致激光器输出单脉冲能量稳定性较差。


技术实现要素：

4.本发明实施例提供了一种脉冲式半导体激光器，以解决目前激光器输出单脉冲能量稳定性较差的问题。
5.本发明实施例提供了一种脉冲式半导体激光器，包括脉冲宽度调节电路和驱动电路；驱动电路包括激光器芯片；
6.脉冲宽度调节电路用于对输入脉冲电信号进行脉冲宽度调节，得到输出脉冲电信号；输出脉冲电信号的脉冲宽度与环境温度呈正相关关系；
7.驱动电路用于根据输出脉冲电信号驱动激光器芯片发射激光，并使流经激光器芯片的电流与环境温度呈正相关关系；激光器芯片的光脉冲宽度与输出脉冲电信号的脉冲宽度呈正相关关系。
8.在一种可能的实现方式中，脉冲宽度调节电路包括d触发器、第一功率管、第一电容、第二电容和第一电阻；第二电容的容值与环境温度呈正相关关系；
9.d触发器，第一输入端用于接收输入脉冲电信号，第二输入端用于连接第一电源，第一输出端分别与第一电阻的第一端和第一功率管的第一端连接，第二输出端用于输出输出脉冲电信号，第二输出端还分别与第一功率管的控制端和第二电容的第一端连接；
10.第一电容，第一端用于连接第二电源，第一端还与第一电阻的第二端连接，第二端用于接地；
11.第一功率管的第二端和第二电容的第二端均用于接地。
12.在一种可能的实现方式中，脉冲宽度调节电路还包括第二电阻；
13.d触发器的第二输出端通过第二电阻分别与第一功率管的控制端和第二电容的第一端连接。
14.在一种可能的实现方式中，脉冲宽度调节电路还包括第三电阻；
15.第三电阻，第一端与d触发器的第一输入端连接，第二端用于接地。
16.在一种可能的实现方式中，d触发器，电源端用于与第二电源连接，接地端用于接地。
17.在一种可能的实现方式中，第二电容为瓷介电容。
18.在一种可能的实现方式中，第一电源和第二电源均输出 5v电压。
19.在一种可能的实现方式中，驱动电路还包括第二功率管、第三电容和第四电阻；第四电阻为负温度系数电阻；
20.第二功率管，控制端用于接收输出脉冲电信号，第一端与激光器芯片的第一端连接，第二端通过第四电阻接地；
21.激光器芯片的第二端与第三电容的第一端连接，激光器芯片的第二端还用于与第三电源连接；
22.第三电容的第二端用于接地。
23.在一种可能的实现方式中，驱动电路还包括第五电阻；
24.第二功率管的第一端通过第五电阻与激光器芯片的第一端连接。
25.在一种可能的实现方式中，驱动电路还包括第六电阻；
26.激光器芯片的第二端通过第六电阻与第三电源连接。
27.本发明实施例提供一种脉冲式半导体激光器，通过脉冲宽度调节电路能够对输入脉冲电信号进行脉冲宽度调节，使得输出脉冲电信号与环境温度呈正相关关系，通过驱动电路能够使流经激光器芯片的电流与环境温度呈正相关关系，并通过输出脉冲电信号驱动激光器芯片发射激光，使激光器芯片的光脉冲宽度与输出脉冲电信号的脉冲宽度呈正相关关系，从而可以在环境温度变化时，使得激光器输出单脉冲能量保持稳定。
附图说明
28.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
29.图1是本发明实施例提供的脉冲式半导体激光器的结构示意图；
30.图2是本发明实施例提供的脉冲宽度调节电路的电路示意图；
31.图3是本发明实施例提供的驱动电路的电路示意图；
32.图4是本发明实施例提供的脉冲式半导体激光器的整体结构示意图。
具体实施方式
33.为了使本技术领域的人员更好地理解本方案，下面将结合本方案实施例中的附图，对本方案实施例中的技术方案进行清楚地描述，显然，所描述的实施例是本方案一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本方案中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本方案保护的范围。
34.本方案的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”以及其他任何变形，是指“包括但不限于”，意图在于覆盖不排他的包含，并不仅限于文中列举的示例。此外，术语“第一”和“第二”等是用于区别不同对象，而非用于描述特定顺序。
35.以下结合具体附图对本发明的实现进行详细的描述：
36.图1为本发明实施例提供的一种脉冲式半导体激光器的结构示意图。参照图1，该脉冲式半导体激光器包括脉冲宽度调节电路11和驱动电路12；驱动电路12包括激光器芯片
ld；
37.脉冲宽度调节电路11用于对输入脉冲电信号ttlin进行脉冲宽度调节，得到输出脉冲电信号ttlout；输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度与环境温度呈正相关关系；
38.驱动电路12用于根据输出脉冲电信号ttlout驱动激光器芯片ld发射激光，并使流经激光器芯片ld的电流与环境温度呈正相关关系；激光器芯片ld的光脉冲宽度与输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度呈正相关关系。
39.其中，激光器输出单脉冲能量e＝(流经激光器芯片ld的电流i
×
斜率效率η)/光脉冲宽度tw。
40.流经激光器芯片ld的电流也可以称为激光器芯片ld的驱动电流或脉冲驱动电流。
41.激光器芯片ld的斜率效率η随环境温度升高而降低，也就是说激光器芯片ld的斜率效率η与环境温度呈负相关关系。
42.本实施例为了保证激光器输出单脉冲能量稳定，通过脉冲宽度调节电路11对输入脉冲电信号ttlin进行脉冲宽度调节，得到输出脉冲电信号ttlout，输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度与环境温度呈正相关关系，激光器芯片ld的光脉冲宽度tw与输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度呈正相关关系，因此，激光器芯片ld的光脉冲宽度tw与环境温度呈正相关关系。
43.本实施例通过驱动电路12使流经激光器芯片ld的电流i与环境温度呈正相关关系。
44.在本实施例中，当环境温度升高时，斜率效率η减小，通过使流经激光器芯片ld的电流i和光脉冲宽度tw增大来抵消斜率效率η减小带来的影响；当环境温度降低时，斜率效率η增大，通过使流经激光器芯片ld的电流i和光脉冲宽度tw减小来抵消斜率效率η增大带来的影响，从而可以使激光器输出单脉冲能量稳定。
45.其中，输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度与环境温度的具体正相关关系、流经激光器芯片ld的电流与环境温度的具体正相关关系以及激光器芯片ld的光脉冲宽度与输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度的具体正相关关系，可以通过相关实验确定，在此不做具体限制。
46.本实施例通过脉冲宽度调节电路11能够对输入脉冲电信号ttlin进行脉冲宽度调节，使得输出脉冲电信号ttlout与环境温度呈正相关关系，通过驱动电路12能够使流经激光器芯片ld的电流与环境温度呈正相关关系，并通过输出脉冲电信号ttlout驱动激光器芯片ld发射激光，使激光器芯片ld的光脉冲宽度与输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度呈正相关关系，从而可以在环境温度变化时，使得激光器输出单脉冲能量保持稳定。
47.在一些实施例中，参见图2，脉冲宽度调节电路11包括d触发器u1、第一功率管q1、第一电容c1、第二电容c2和第一电阻r2；第二电容c2的容值与环境温度呈正相关关系；
48.d触发器u1，第一输入端用于接收输入脉冲电信号ttlin，第二输入端用于连接第一电源，第一输出端分别与第一电阻r2的第一端和第一功率管q1的第一端连接，第二输出端用于输出输出脉冲电信号ttlout，第二输出端还分别与第一功率管q1的控制端和第二电容c2的第一端连接；
49.第一电容c1，第一端用于连接第二电源，第一端还与第一电阻r2的第二端连接，第二端用于接地gnd；
50.第一功率管q1的第二端和第二电容c2的第二端均用于接地gnd。
51.参见图2，d触发器u1的第一输入端为u1的1脚(cp)，d触发器u1的第二输入端为u1的3脚(d)，d触发器u1的第一输出端为u1的6脚d触发器u1的第二输出端为u1的4脚(q)。
52.第一功率管q1的控制端为q1的1脚(g)，第一功率管q1的第一端为q1的3脚(d)，第一功率管q1的第二端为q1的2脚(s)。第一功率管q1可以是mosfet(metal-oxide-semiconductor field-effect transistor，金氧半场效晶体管)。
53.当d触发器u1捕获到输入脉冲电信号ttlin的上升沿时，d触发器u1的第二输出端输出高电平，d触发器u1的第二输出端输出的高电平对第二电容c2和第一功率管q1的控制端的电容(即栅极电容)充电，充电完成后，d触发器u1的第一输出端，即6脚为低电平，d触发器u1的第二输出端为低电平，实现脉冲宽度变换功能。
54.当环境温度升高时，第二电容c2的容值变大，输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度也变大；当环境温度降低时，第二电容c2的容值变小，输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度也变小。
55.本实施例提供的脉冲宽度调节电路11为自适应可调节脉冲宽度电路，采用d触发器u1、第一功率管q1、第二电容c2以及外围电阻和电容实现，将外部输入的不同脉冲电信号转换成随温度动态调节的脉冲输出。
56.在一些实施例中，参见图2，脉冲宽度调节电路11还包括第二电阻r3；
57.d触发器u1的第二输出端通过第二电阻r3分别与第一功率管q1的控制端和第二电容c2的第一端连接。
58.在一些实施例中，参见图2，脉冲宽度调节电路11还包括第三电阻r1；
59.第三电阻r1，第一端与d触发器u1的第一输入端连接，第二端用于接地gnd。
60.在一些实施例中，参见图2，d触发器u1，电源端用于与第二电源连接，接地端用于接地gnd。
61.参见图2，d触发器u1的电源端为u1的5脚(vcc)，d触发器u1的接地端为u1的2脚(gnd)。
62.在一些实施例中，第二电容c2为瓷介电容。
63.在一些实施例中，第一电源和第二电源均输出 5v电压。
64.需要说明的是，第一电源和第二电源可以为同一电源，也可以为不同电源，两者均输出 5v电压。
65.在一些实施例中，参见图3，驱动电路12还包括第二功率管q2、第三电容c3和第四电阻r6；第四电阻r6为负温度系数电阻；
66.第二功率管q2，控制端用于接收输出脉冲电信号ttlout，第一端与激光器芯片ld的第一端连接，第二端通过第四电阻r6接地gnd；
67.激光器芯片ld的第二端与第三电容c3的第一端连接，激光器芯片ld的第二端还用于与第三电源vcc1连接；
68.第三电容c3的第二端用于接地gnd。
69.其中，第三电源vcc1为外部供电电源，第三电容c3为储能电容。第二功率管q2可以为mos管。第四电阻r6为负温度系数电阻，可以采用厚膜或者薄膜工艺实现。激光器芯片ld的数量可以根据实际需求设置，在此不做具体限制。在装配过程中，激光器芯片ld装配、电
路装配要有温度梯度。图4是本发明实施例提供的脉冲式半导体激光器的整体结构示意图，其示出了该激光器的部分器件的装配位置。
70.当输出脉冲电信号ttlout为低电平时，第二功率管q2截止，第三电源vcc1向第三电容c3充电，第三电容c3储存能量。当输出脉冲电信号ttlout为高电平时，第二功率管q2导通，第三电容c3储存的能量通过激光器芯片ld、第二功率管q2和第四电阻r6释放，产生脉冲驱动电流，驱动激光器芯片ld出光。激光器光脉冲宽度由输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度决定，且为正相关关系。
71.根据前述描述，激光器输出单脉冲能量e＝(流经激光器芯片ld的电流i
×
斜率效率η)/光脉冲宽度tw。当环境温度升高时，第四电阻r6的阻值减小，驱动电路12的回路整体阻值减小，脉冲驱动电流i增加，第二电容c2容值变大，输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度变大，光脉冲宽度tw变大。当环境温度降低时，第四电阻r6的阻值增大，驱动电路12的回路整体阻值增大，脉冲驱动电流i减小，第二电容c2的容值变小，输出脉冲电信号ttlout的脉冲宽度变小，光脉冲宽度tw变小。
72.由于激光器芯片ld的斜率效率η随温度升高而降低，随温度降低而升高。当温度升高时，通过增加驱动电流i及输出脉冲宽度tw来实现激光器单脉冲能量e稳定输出，当温度降低时，通过减小驱动电流i及输出脉冲宽度tw来实现激光器单脉冲能量e稳定输出。
73.在一些实施例中，驱动电路12还包括第五电阻r5；
74.第二功率管q2的第一端通过第五电阻r5与激光器芯片ld的第一端连接。
75.其中，第五电阻r5为回路电阻。
76.在本实施例中，第三电容c3可以采用芯片电容实现，具体参数需和激光器芯片ld的光电参数以及回路电阻参数匹配，以保证宽温区内稳定激光功率输出。
77.在一些实施例中，驱动电路12还包括第六电阻r4；
78.激光器芯片ld的第二端通过第六电阻r4与第三电源vcc1连接。
79.其中，第六电阻r4为限流电阻。
80.当输出脉冲电信号ttlout为低电平时，第二功率管q2截止，第三电源vcc1通过第六电阻r4向第三电容c3充电，第三电容c3储存能量。当输出脉冲电信号ttlout为高电平时，第二功率管q2导通，第三电容c3储存的能量通过激光器芯片ld、第五电阻r5、第二功率管q2和第四电阻r6释放，产生脉冲驱动电流，驱动激光器芯片ld出光。
81.驱动电路12采用通用的能量压缩原理实现，在能量放电电路方面，电路中串联采用负温度系数材料电阻作为放电回路一部分，该材料的电阻随着温度的升高而减小，实现驱动电流随着温度的升高而升高，由于激光器芯片ld的电光转换效率随温度升高而降低，通过增加驱动电流来提高输出功率，实现激光器功率稳定输出。
82.在一种可能的实现方式中，脉冲式半导体激光器中的电容可以采用硅基片式集成电容进行实现。
83.本发明实施例涉及自适应可调节脉冲宽度调节电路11、脉冲激光器芯片ld和自适应动态调节驱动电路12的集成封装设计。采用驱动电流随温度变化动态调节输出，以及动态调节光脉冲宽度，与激光器芯片ld集成封装后，实现单脉冲能量稳定输出。
84.为实现激光器在宽温区内稳定单脉冲能量输出，由于激光器芯片ld在不同温度下电光转换效率的不同，导致激光器输出功率不同，因此需要动态调节不同温度下的激光器
驱动电流。在恒定输入信号脉冲条件下，由于驱动电路12导致不同温度下光脉冲宽度差异较小，因此需要动态调节不同温度下的光脉冲宽度。
85.在本实施例中，单独调节光脉冲宽度或者单独调节驱动电流，无法达到激光器单脉冲能量稳定输出的目的，通过动态调节两者，从而实现激光器单脉冲能量稳定输出。需要说明的是，脉冲宽度调节电路11和驱动电路12中的各个器件的参数可以通过实验确定，在此不做具体限定。
86.本发明实施例通过将激光器芯片ld与脉冲宽度调节电路11和驱动电路12集成封装，采用脉冲宽度调节电路11自适应动态调节激光器驱动脉冲宽度，通过驱动电路12，自适应动态调节激光器芯片ld的调节电流，最终实现宽温区(-55℃～125℃)内激光单脉冲能量稳定输出。
87.以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。