現(xiàn)代半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)講座

現(xiàn)代半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)講座第一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三以半導(dǎo)體激光器件為核心的新型激光器是現(xiàn)在及未來激光器發(fā)展的主方向；“更快、更高、更強(qiáng)”也是半導(dǎo)體激光器本身向著KW以上功率等級(jí)發(fā)展的真實(shí)寫照；半導(dǎo)體激光器已經(jīng)在醫(yī)療、工業(yè)、軍事、科研等四大核心領(lǐng)域獲得廣發(fā)應(yīng)用，是未來的行業(yè)技術(shù)發(fā)展方向；KW級(jí)半導(dǎo)體激光器應(yīng)用市場(chǎng)需求旺盛，2014年將突破88億美元，復(fù)合年增長(zhǎng)率為9％；國內(nèi)偏重光學(xué)系統(tǒng)研究，驅(qū)動(dòng)與控制技術(shù)限制了應(yīng)用的深入開展；國外技術(shù)配套更加均衡；背景概要第二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三認(rèn)識(shí)一下半導(dǎo)體激光器；半導(dǎo)體激光器所需要的驅(qū)動(dòng)需求。半導(dǎo)體激光器的精密溫度控制需求；將應(yīng)用與驅(qū)動(dòng)、控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合，將賦予半導(dǎo)體激光器強(qiáng)大的生命力；激光器驅(qū)動(dòng)與控制的最新研究動(dòng)向；內(nèi)容概要第三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體激光器—基本結(jié)構(gòu)PN結(jié)高功率半導(dǎo)體激光器及其泵浦的固體激光器具有體積小、重量輕、光電轉(zhuǎn)換效率高、性能穩(wěn)定、可靠性高、壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)，已經(jīng)成為光電行業(yè)中最有發(fā)展前途的產(chǎn)品，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)、軍事、醫(yī)療和直接材料處理等領(lǐng)域。組成大功率半導(dǎo)體激光器的基本單元是單發(fā)射腔或單陣列（單陣列由多個(gè)單發(fā)射腔線性排列而成）。圖1、圖2分別是單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器和單陣列半導(dǎo)體激光器的發(fā)光示意圖。圖1單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器圖2單陣列半導(dǎo)體激光器第四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體激光器—長(zhǎng)大后我就成了你對(duì)于半導(dǎo)體激光器而言，輸出功率、轉(zhuǎn)換效率和可靠性是描述器件性能的三個(gè)主要參數(shù)。增加輸出功率主要有兩種方式：1、改進(jìn)芯片生長(zhǎng)技術(shù)，增加單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器的輸出功率。2、提陣列高半導(dǎo)體激光器發(fā)光單元的個(gè)數(shù)，從而提高輸出功率。為進(jìn)一步提高光輸出功率，可以采用多種封裝技術(shù)，其中包括多單管模組、水平疊陣、垂直疊陣、面陣。隨著芯片制備技術(shù)的成熟、成本的降低以及性能的提高，半導(dǎo)體激光器出現(xiàn)了新的發(fā)展趨勢(shì)，主要有高輸出功率、高亮度、無銦化封裝、窄光譜和低“smile”效應(yīng)。第五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體激光器—長(zhǎng)大后我就成了你第六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體激光器—增加輸出功率的限制單發(fā)射腔：最大光輸出功率受限于災(zāi)難性光學(xué)腔面損傷（COMD）或ThermalRollover現(xiàn)象，COMD的主要原因是由于光吸收和非輻射復(fù)合導(dǎo)致的腔面過熱而使腔毀壞。ThermalRollover現(xiàn)象是由于產(chǎn)生的熱量高于制冷裝置能夠冷卻的熱量，通常此時(shí)在腔內(nèi)將累積大量熱量，使腔內(nèi)的溫度顯著上升。應(yīng)盡量降低器件的熱阻。隨著COMD和ThermalRollover現(xiàn)象的改善，輸出功率5～8W、波長(zhǎng)808nm和輸出功率8～12W、波長(zhǎng)9xxnm，發(fā)光區(qū)寬度分別為200μm和100μm的單發(fā)射腔半導(dǎo)體激光器，已獲得廣泛應(yīng)用。第七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三認(rèn)識(shí)半導(dǎo)體激光器—增加輸出功率的限制第八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三半導(dǎo)體激光器所需要的驅(qū)動(dòng)需求典型的PUI曲線—典型的低壓大電流特性第九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三LD巴條驅(qū)動(dòng)的特殊性—

電流品質(zhì)的要求：同樣參數(shù)名稱VS.不同的含義與要求LD巴條是對(duì)驅(qū)動(dòng)電流與工作溫度都非常敏感的器件；紋波電流的風(fēng)吹草動(dòng)會(huì)引起激光功率的波瀾壯闊；激發(fā)激光之后，電流變化率就是內(nèi)部熱量的變化率，紋波電流將直接導(dǎo)致PN結(jié)微結(jié)構(gòu)的熱伸縮應(yīng)力；LD巴條驅(qū)動(dòng)，不再是傳統(tǒng)的電壓品質(zhì)，而是直接的嚴(yán)格回路電流限制；LD巴條驅(qū)動(dòng)的紋波電流，不再是傳統(tǒng)的RMS值，而是實(shí)時(shí)測(cè)量的峰峰值；第十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三驅(qū)動(dòng)的特殊性—電流調(diào)節(jié)快慢要與巴條封裝相匹配LD巴條的工作模式分成三大類：CW（連續(xù)模式），QCW（準(zhǔn)連續(xù)模式），Pulse（脈沖模式）；目前使用最廣泛的大功率半導(dǎo)體激光器以CW和QCW模式為主；電流變化率就是內(nèi)部熱功率變化率；電流調(diào)節(jié)導(dǎo)致的內(nèi)部熱量累積一定要與具體封裝的熱傳導(dǎo)率相匹配、與熱弛豫時(shí)間常數(shù)相匹配；電流調(diào)節(jié)不僅僅是快慢的問題，而是要考慮調(diào)解率的穩(wěn)定，或者說電流變化的線性度，還有電流上升與下降的斜率一致性，功率越大，線性度與對(duì)稱性要求越高；第十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三安全限制電流的控制品質(zhì)決定了LD的在線可靠性（電流過沖、過調(diào)制、電纜虛接、ESD防護(hù)等）；電壓、電流、功率、溫度的聯(lián)合安全限制；完備的安全防護(hù)技術(shù)，是區(qū)別與普通電源的特色之一；驅(qū)動(dòng)的特殊性—驅(qū)動(dòng)的同時(shí)完成保護(hù)第十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三半導(dǎo)體激光器的精密溫度控制需求TEC溫控驅(qū)動(dòng)模式會(huì)影響到溫控精度，與制冷功率等參數(shù)；TEC陣列方式驅(qū)動(dòng)，按實(shí)際熱量分布，匹配制冷功率，“按需分配取代平均主義”模擬-數(shù)字混合PID控制算法，模擬要精度，數(shù)字要速度；-Point技術(shù)采用特殊的散熱結(jié)構(gòu)，結(jié)合精密TEC溫控驅(qū)動(dòng)與控制算法，對(duì)LD模塊的出光進(jìn)行精細(xì)的中心波長(zhǎng)校準(zhǔn)，協(xié)調(diào)LD驅(qū)動(dòng)電流進(jìn)行電流-溫度聯(lián)合驅(qū)控，最終使得多個(gè)模塊的輸出功率與中心波長(zhǎng)進(jìn)入設(shè)計(jì)偏差允許范圍之內(nèi)。第十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三微通道

與復(fù)合水路設(shè)計(jì)顆粒度、離子濃度；水壓與流量;不同部件的優(yōu)化溫度不同；多回路，多溫區(qū)；第十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三應(yīng)用與驅(qū)動(dòng)、控制技術(shù)有機(jī)結(jié)合第十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第二十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第二十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三第二十二頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三3KW激光照片第二十三頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三激光器驅(qū)動(dòng)與控制的最新研究動(dòng)向1、超緊湊、高效率300A及以上高純凈恒流源的研制與工藝實(shí)現(xiàn)，滿足更大功率與電流的發(fā)展，為高端工業(yè)和航天等特殊需求做好技術(shù)儲(chǔ)備。2、全數(shù)字幅度、相位、光功率復(fù)合脈沖調(diào)制算法與實(shí)現(xiàn)，滿足工業(yè)加工中多光源合束、高功率合成等應(yīng)用中需要同時(shí)調(diào)節(jié)激光功率與中心波長(zhǎng)的需求；3、基于傳導(dǎo)散熱的新一代巴條精密溫控技術(shù)與系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)，滿足超緊湊，高功率密度激光器設(shè)計(jì)；4、復(fù)雜材料的優(yōu)化加工曲線的獲取與聯(lián)合閉環(huán)控制技術(shù)，滿足工業(yè)自動(dòng)化、精密加工等需求；5、新一代光纖激光器的復(fù)雜陣列驅(qū)動(dòng)與電流源相控調(diào)制技術(shù)，滿足對(duì)電流陣列復(fù)雜控制的需求。第二十四頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三核心技術(shù)的突破與創(chuàng)新在“驅(qū)動(dòng)賦予生命&控制輸入靈魂”的工作中，核心技術(shù)的突破與創(chuàng)新，集中體現(xiàn)在三大方面：1、高品質(zhì)大電流驅(qū)動(dòng)；2、高精密溫度控制；3、復(fù)合調(diào)制與加工曲線控制；第二十五頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三能量微通道的一舉多得全功率范圍內(nèi)的高效率變換；可以一勞永逸的任意拼接成更大功率的系統(tǒng)；全數(shù)字化控制，系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)，提高可靠性；合理分配相位，實(shí)現(xiàn)更加理想的紋波電流；第二十六頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三局部供電結(jié)構(gòu)解決300A電流輸送遠(yuǎn)端PFC高壓控制箱與激光頭電流源模組的連接示意更大功率的激光頭與電流源模組連接示意第二十七頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三大功率巴條的發(fā)展，讓溫控超越“熱不死”行業(yè)內(nèi)對(duì)于單體功率的瘋狂追求，單巴條300A已經(jīng)商品化，單巴500A已經(jīng)開發(fā)成功！誰先解決了未來超級(jí)電流驅(qū)動(dòng)與精密溫控問題，誰就掌控了未來半導(dǎo)體激光器應(yīng)用與轉(zhuǎn)化的先機(jī)。LD巴條固有的波長(zhǎng)/溫度系數(shù)將是新興激光器設(shè)計(jì)中的一個(gè)新增的調(diào)制對(duì)象，即波長(zhǎng)微調(diào)制；驅(qū)動(dòng)電流與溫度進(jìn)行二維調(diào)節(jié)調(diào)節(jié)可以構(gòu)造中心波長(zhǎng)環(huán)境適應(yīng)性更強(qiáng)的激光器系統(tǒng)；直接激光功率調(diào)制也是未來發(fā)展的方向之一；通過合作，在溫控與調(diào)制技術(shù)方面為我國的大功率半導(dǎo)體激光器營造一個(gè)可控的持續(xù)性發(fā)展的技術(shù)支撐；第二十八頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三驅(qū)動(dòng)與溫控具備獨(dú)立調(diào)制能力，

----是復(fù)雜控制的基礎(chǔ)LD偏置電流LD調(diào)幅脈沖LD數(shù)字TTL調(diào)制信號(hào)LD模擬幅度調(diào)制信號(hào)獨(dú)立的TTL調(diào)制只能構(gòu)造等副脈沖；獨(dú)立的模擬調(diào)制，只能產(chǎn)生連續(xù)幅度變化；電調(diào)制的二元聯(lián)合：TTL-模擬聯(lián)合調(diào)制可以構(gòu)造變幅脈沖；電調(diào)制-溫度調(diào)制聯(lián)合：構(gòu)造二維調(diào)制；電調(diào)制-溫度調(diào)制-功率調(diào)制聯(lián)合：構(gòu)造三維調(diào)制；復(fù)雜的調(diào)制模式，才能應(yīng)對(duì)日益復(fù)雜的激光器應(yīng)用環(huán)境；第二十九頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三開關(guān)控制，只能滿足低端、小功率應(yīng)用；不是做不了，而是工業(yè)應(yīng)用環(huán)境不成熟激光器/頭的復(fù)雜控制一直是我們的弱項(xiàng)第三十頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三一個(gè)工業(yè)大功率激光頭內(nèi)部含有大量的溫度、濕度、壓力、功率、電壓、電流、開關(guān)狀態(tài)等傳感器；國外的簡(jiǎn)化標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)也要比想像的復(fù)雜第三十一頁，共三十三頁，編輯于2023年，星期三加工方式（焊接、切割、熔覆等）不同，加工對(duì)象不同（材料、形狀）、工作環(huán)境等因素的不同，對(duì)控制器及其內(nèi)部算法都提出了很高的要求；治療的人種不同，部位不同，治療的方式不同等因素，對(duì)于醫(yī)療的治療曲線，要求具備很高、高靈活的臨床在編程能力，同時(shí)還要具備友好的人機(jī)界面；大功率半導(dǎo)體激光的控制，核心要解決電流、溫度的精確調(diào)節(jié)，