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基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程

阅读：0发布：2020-12-07

专利汇可以提供基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且基于RC 电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程，该电路包括两个高压电源、四路脉冲信号、四个受脉冲信号控制的高速模拟开关、两个钳位二极管、两个储能元件、两个去耦电容、两个充电限流电阻、一个放电限流电阻以及一个激光二极管；设控制信号频率均为f，但左右两路的信号相位差为π；在控制信号作用下，两个储能元件交替放电，放电间隔T/2，使激光二极管发射频率为2f的激光脉冲；本发明的创新之处在于：一是在脉冲功率不变的前提下，频率实现了加倍提高；二是采用多个开关，避免了两个充放电电路间的互相影响；三是与传统方案相比，所需元件性能指标基本不变，易于实现。，下面是基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，其特征在于：包括第一高压电源(1)和第二高压电源(2)，两者电压相等；第一高压电源(1)负极接地，正极分别与第一去耦电容(3)正极板和第一限流电阻(7)一端相连；第一去耦电容(3)负极板接地，第一限流电阻(7)另一端分别与第一储能元件(5)一端和第一模拟开关(11)一端相连；第一模拟开关(11)另一端接地，开关状态受第一脉冲信号(13)的控制；第一储能元件(5)另一端分别与第一钳位二极管(8)的正极和第二模拟开关(12)的一端相连，第二模拟开关(12)的开关状态受第二脉冲信号(14)的控制；第二高压电源(2)负极接地，正极分别与第二去耦电容(4)正极板和第二限流电阻(9)一端相连；第二去耦电容(4)负极板接地，第二限流电阻(9)另一端分别与第二储能元件(6)一端和第三模拟开关(15)一端相连；第三模拟开关(15)另一端接地，开关状态受第三脉冲信号(17)的控制；第二储能元件(6)另一端分别与第二钳位二极管(10)的正极和第四模拟开关(16)的一端相连，第四模拟开关(16)的开关状态受第四脉冲信号(18)的控制；第二模拟开关(12)的另一端和第四模拟开关(16)的另一端分别与激光二极管(20)的负极和第三限流电阻(19)的一端依次相连，第三限流电阻(19)的另一端接地；
第一储能元件(5)的充电回路由第一高压电源(1)、第一限流电阻(7)、第一储能元件(5)和第一钳位二极管(8)组成；第二储能元件(6)的充电回路由第二高压电源(2)、第二限流电阻(9)、第二储能元件(6)和第二钳位二极管(10)组成；第一储能元件(5)的放电回路由第一储能元件(5)、第一模拟开关(11)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第二模拟开关(12)组成；第二储能元件(6)的放电回路由第二储能元件(6)、第三模拟开关(15)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第四模拟开关(16)组成。
2.根据权利要求1所述的基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，其特征在于：所述第三限流电阻(19)的电阻值远小于第一限流电阻(7)和第二限流电阻(9)的电阻值。
3.权利要求1所述基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路的工作过程，其特征在于：
包括如下步骤：
步骤1：初始化系统，打开第一高压电源(1)和第二高压电源(2)，此时第一脉冲信号(13)、第二脉冲信号(14)、第三脉冲信号(17)和第四脉冲信号(18)尚未输入，第一模拟开关(11)、第二模拟开关(12)、第三模拟开关(15)和第四模拟开关(16)均处于断开状态，第一储能元件(5)和第二储能元件(6)完成充电过程；
步骤2：加载第一脉冲信号(13)和第二脉冲信号(14),使第一模拟开关(11)和第二模拟开关(12)闭合，所在支路接通，依次经过第一储能元件(5)、第一模拟开关(11)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第二模拟开关(12)，第一储能元件(5)快速放电，使得激光二极管(20)发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；因为此时第三脉冲信号(17)和第四脉冲信号(18)为低电平，第三模拟开关(15)和第四模拟开关(16)是断开状态，因此第一储能元件(5)放电不受第二储能元件(6)的影响；
步骤3：第一储能元件(5)完成第一次放电后，第一模拟开关(11)和第二模拟开关(12)随之断开，两个相邻的第一脉冲信号(13)时间间隔为T，在下一个第一脉冲信号(13)到达之前，第一储能元件(5)在时间T内完成充电，且不受第二储能元件(6)的影响，第一储能元件(5)和第二储能元件(6)充电过程也是独立的；
步骤4：第三脉冲信号(17)和第四脉冲信号(18)比第一脉冲信号(13)和第二脉冲信号(14)滞后T/2到达，此时，第三模拟开关(15)和第四模拟开关(16)闭合，所在支路接通，依次经过第二储能元件(6)、第三模拟开关(15)、第三限流电阻(19)、激光二极管(20)和第四模拟开关(16)，第二储能元件(6)快速放电，使得激光二极管(20)发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，第一脉冲信号(13)和第二脉冲信号(14)为低电平，第一模拟开关(11)和第二模拟开关(12)是断开状态，因此第二储能元件(6)放电也不受第一储能元件(5)的影响；
步骤5：由以上分析可知，第一储能元件(5)、第二储能元件(6)的充放电是独立的；不断重复步骤2、3和4的充放电过程，第一储能元件(5)、第二储能元件(6)交替循环完成充放电；
对激光二极管(20)而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，实现了脉冲周期减半，频率加倍。

说明书全文

基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程

技术领域

[0001] 本发明属于激光发射技术领域，具体涉及一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程。

背景技术

[0002] 半导体激光器(Semiconductor Laser),也称作激光二极管(Laser Diode)，简称LD，是利用半导体中的电子跃迁，引起光子受激发射，而产生的光振荡和光放大等器件的总称。

[0003] 半导体激光器与其它类型的激光器相比，具有以下优点：转换的效率高；频率范围广；调制方便；驱动电源电压比较低。

[0004] 半导体激光器在很多领域都得到广泛应用。半导体激光器广泛应用在激光通讯、激光制导跟踪、激光雷达、激光测距、激光武器模拟、激光瞄准与告警、激光探潜、激光制自武器等军事领域；在工业生产过程中,大功率半导体激光器可用于激光打孔、切割、焊接、钎焊、划片、打标、激光材料表面硬化处理、激光烧结、热压成型等方面；此外,半导体激光器在矿业、建筑业、基础学科研究、宇航等方面也有广泛的应用。半导体激光器的功率与电流和温度有关。如果要提高半导体激光器的性能，主要有两个途径:一是采用新的半导体技术，二是提高半导体激光电源的性能指标。

[0005] 半导体激光电源是半导体激光器的重要组成部分,它随着激光器的发展而不断发展。固体激光器最初采用直流电源经过限流电阻给储能电容器充电,即RC充电方式。其缺点是只适用于低频率及电源充电效率不高的场合。随着新型激光装置的不断发展,对激光器提出了高效率、高重复频率、低成本和高可靠性的要求。LC恒流充电电路能够满足在低频大能量工作条件下的激光装置,其特点是以恒定电流给储能电容器充电,既提高了充电效率又提高了电源稳定性。为了满足高重复频率的激光装置,研制出了直流LC谐振充电电路。它有效地解决了激光电源在高频下工作的充电效率问题,缺点是体积和重量不能明显地减少。为了进一步减小体积和重量并提高充电效率,人们又把开关电源技术引入激光器电源中。随着电子技术的发展,电子开关的电路从快速晶体管，到自行关断的功率场效应晶体管和绝缘栅双极晶体管电路,激光电源的性能也不断提高，适应领域也不断扩大。

发明内容

[0006] 针对原有激光脉冲电路频率和功率难以同时提升，脉宽不易进一步降低的问题，本发明的目的在于提供一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路及其工作过程，本发明在传统RC充放电电路的基础上，采用多重信号下两个储能电路联合供电的方案，并采用了高速模拟开关，例如高速开关mos管等，在保证原有方案功率不变的前提下，既能实现频率加倍，又能降低脉宽和上升时间，从而提高了激光脉冲发射电路的性能。

[0007] 为了达到上述目的，本发明是通过以下技术方案来实现的：

[0008] 一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路,包括第一高压电源1和第二高压电源2，两者电压相等；第一高压电源1负极接地，正极分别与第一去耦电容3正极板和第一限流电阻7一端相连；第一去耦电容3负极板接地，第一限流电阻7另一端分别与第一储能元件5一端和第一模拟开关11一端相连；第一模拟开关11另一端接地，开关状态受第一脉冲信号13的控制；第一储能元件5另一端分别与第一钳位二极管8的正极和第二模拟开关12的一端相连，第二模拟开关12的开关状态受第二脉冲信号14的控制；第二高压电源2负极接地，正极分别与第二去耦电容4正极板和第二限流电阻9一端相连；第二去耦电容4负极板接地，第二限流电阻9另一端分别与第二储能元件6一端和第三模拟开关15一端相连；第三模拟开关15另一端接地，开关状态受第三脉冲信号17的控制；第二储能元件6另一端分别与第二钳位二极管10的正极和第四模拟开关16的一端相连，第四模拟开关16的开关状态受第四脉冲信号18的控制；第二模拟开关12的另一端和第四模拟开关16的另一端分别与激光二极管20的负极和第三限流电阻19的一端依次相连，第三限流电阻19的另一端接地；

[0009] 第一储能元件5的充电回路由第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8组成；第二储能元件6的充电回路由第二高压电源2、第二限流电阻9、第二储能元件6和第二钳位二极管10组成；第一储能元件5的放电回路由第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12组成；第二储能元件6的放电回路由第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20、第四模拟开关16组成。

[0010] 所述第三限流电阻19的电阻值远小于第一限流电阻7和第二限流电阻9的电阻值。

[0011] 上述一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，其工作过程如下：

[0012] 步骤1：初始化系统，打开第一高压电源1和第二高压电源2，此时第一脉冲信号13、第二脉冲信号14、第三脉冲信号17和第四脉冲信号18尚未输入，第一模拟开关11、第二模拟开关12、第三模拟开关15和第四模拟开关16均处于断开状态，第一储能元件5和第二储能元件6完成充电过程；

[0013] 步骤2：加载第一脉冲信号13和第二脉冲信号14,使第一模拟开关11和第二模拟开关12闭合，所在支路接通，依次经过第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12，第一储能元件5快速放电，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；因为此时第三脉冲信号17和第四脉冲信号18为低电平，第三模拟开关15和第四模拟开关16是断开状态，因此第一储能元件5放电不受第二储能元件6的影响；

[0014] 步骤3：第一储能元件5完成第一次放电后，第一模拟开关11和第二模拟开关12随之断开，两个相邻的第一脉冲信号13时间间隔为T，在下一个第一脉冲信号13到达之前，第一储能元件5在时间T内完成充电，且不受第二储能元件6的影响，第一储能元件5和第二储能元件6充电过程也是独立的；

[0015] 步骤4：第三脉冲信号17和第四脉冲信号18比第一脉冲信号13和第二脉冲信号14滞后T/2到达，此时，第三模拟开关15和第四模拟开关16闭合，所在支路接通，依次经过第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20和第四模拟开关16，第二储能元件6快速放电，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，第一脉冲信号13和第二脉冲信号14为低电平，第一模拟开关11和第二模拟开关12是断开状态，因此第二储能元件6放电也不受第一储能元件5的影响；

[0016] 步骤5：由以上分析可知，第一储能元件5、第二储能元件6的充放电是独立的；不断重复步骤2、3和4的充放电过程，第一储能元件5、第二储能元件6交替循环完成充放电；对激光二极管而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，实现了脉冲周期减半，频率加倍。

[0017] 本发明提出的一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路的设计方案，充分兼顾了功率、频率和脉宽等因素，对于已有电路所存在的问题进行了针对性的解决；其创新之处在于：一是克服了传统方案频率和功率不能兼顾的矛盾，引入两路充放电电路分别作用于激光二极管，在保证脉冲功率不变的情况下，激光脉冲的频率实现了加倍提高；二是采用了四路信号分别控制四个高速模拟开关，从原理上消除了两个充放电电路间的互相影响，使得两路电源能够按照既定方案，既互相协调，同时又独立工作；三是与传统方案相比，所需元件性能指标基本不变，易于实现，有很高的实用价值。附图说明

[0018] 图1是本发明电路原理图。

[0019] 图2是本发明控制信号示意图。

[0020] 图3是本发明电路工作流程图。

具体实施方式

[0021] 现结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述：

[0022] 本发明在原有RC充放电电路的基础上，采用多重信号下两个储能电路联合供电的方案，在不降低功率的前提下，实现激光脉冲频率的加倍。

[0023] 如图1所示，本发明一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路，包括第一高压电源1和第二高压电源2，两者电压相等；第一高压电源1负极接地，正极分别与第一去耦电容3正极板和第一限流电阻7一端相连；第一去耦电容3负极板接地，第一限流电阻7另一端分别与第一储能元件5一端和第一模拟开关11一端相连；第一模拟开关11另一端接地，开关状态受第一脉冲信号13的控制；第一储能元件5另一端分别与第一钳位二极管8的正极和第二模拟开关12的一端相连，第二模拟开关12的开关状态受第二脉冲信号14的控制；第二高压电源2负极接地，正极分别与第二去耦电容4正极板和第二限流电阻9一端相连；第二去耦电容4负极板接地，第二限流电阻9另一端分别与第二储能元件6一端和第三模拟开关15一端相连；第三模拟开关15另一端接地，开关状态受第三脉冲信号17的控制；第二储能元件6另一端分别与第二钳位二极管10的正极和第四模拟开关16的一端相连，第四模拟开关16的开关状态受第四脉冲信号18的控制；第二模拟开关12的另一端和第四模拟开关16的另一端分别与激光二极管20的负极和第三限流电阻19的一端依次相连，第三限流电阻19的另一端接地；

[0024] 第一储能元件5的充电回路由第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8组成；第二储能元件6的充电回路由第二高压电源2、第二限流电阻9、第二储能元件6和第二钳位二极管10组成；第一储能元件5的放电回路由第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12组成；第二储能元件6的放电回路由第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20和第四模拟开关16组成。

[0025] 本发明一种基于RC电路的高重频短脉冲激光调制电路的工作过程，包括如下步骤：

[0026] 步骤1：初始化系统

[0027] 打开第一高压电源1和第二高压电源2，此时第一脉冲信号13、第二脉冲信号14、第三脉冲信号17和第四脉冲信号18尚未输入，第一模拟开关11、第二模拟开关12、第三模拟开关15和第四模拟开关16均处于断开状态，第一储能元件5经第一高压电源1、第一限流电阻7、第一储能元件5和第一钳位二极管8回路完成充电，第二储能元件6经第二高压电源2、第二限流电阻9、第二储能元件6和第二钳位二极管10回路完成充电；对于充电电流而言，激光二极管20处于反向截止状态，因此没有电流通过激光二极管20所在支路；

[0028] 步骤2：第一储能元件5放电

[0029] 加载第一脉冲信号13和第二脉冲信号14,使第一模拟开关11和第二模拟开关12闭合，所在支路接通，依次经过第一储能元件5、第一模拟开关11、第三限流电阻19、激光二极管20和第二模拟开关12，第一储能元件5放电；又因为第三限流电阻19远小于第一限流电阻7的值，因此第一储能元件5放电速度要比充电速度快得多，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；因为此时第三脉冲信号17和第四脉冲信号18为低电平，第三模拟开关15和第四模拟开关16是断开状态，因此第一储能元件5放电不受第二储能元件6的影响；

[0030] 实际电路中，考虑到高速模拟开关的闭合仍需要一定时间，以及同一型号器件之间参数的偏差，第二脉冲信号14和第四脉冲信号18的脉宽均要略大于第一脉冲信号13和第三脉冲信号17，也即第二模拟开关12和第四模拟开关16要分别比第一模拟开关11和第三模拟开关15提前闭合，目的是保证在放电开始时，激光二极管20所在支路已经处于充分闭合的状态，以避免第二模拟开关12和第四模拟开关16的闭合滞后对储能元件的放电造成影响，进而影响到脉冲的波形；

[0031] 步骤3：第一储能元件5充电

[0032] 第一储能元件5完成第一次放电后，第一模拟开关11和第二模拟开关12随之断开，两个相邻的第一脉冲信号13时间间隔为T，在下一个第一脉冲信号13到达之前，第一储能元件5在时间T内完成充电，充电方式和步骤1中的描述相同；第一模拟开关11和第二模拟开关12的断开，保证了两个充放电电路的相互隔离，使第一储能元件5充电不受第二储能元件6的影响；

[0033] 步骤4：第二储能元件6放电

[0034] 第三脉冲信号17和第四脉冲信号18比第一脉冲信号13和第二脉冲信号14滞后T/2到达，此时，第三模拟开关15和第四模拟开关16闭合，所在支路接通，依次经过第二储能元件6、第三模拟开关15、第三限流电阻19、激光二极管20和第四模拟开关16，第二储能元件6反向放电；又因为第三限流电阻19远小于第二限流电阻9的值，因此第二储能元件6放电速度要比充电速度快得多，使得激光二极管20发射一个窄脉宽大功率的激光脉冲；在此过程中，第一脉冲信号13和第二脉冲信号14为低电平，第一模拟开关11和第二模拟开关12是断开状态，因此第二储能元件6放电也不受第一储能元件5的影响；

[0035] 步骤5：第二储能元件6充电

[0036] 第二储能元件6完成第一次放电后，第三模拟开关15和第四模拟开关16随之断开，两个相邻的第三脉冲信号17时间间隔为T，在下一个第三脉冲信号17到达之前，第二储能元件6在时间T内完成充电，充电方式和步骤1中的描述相同；由步骤3的分析可知，第二储能元件6充电也不受第一储能元件5影响；

[0037] 步骤6：循环交替充放电

[0038] 由以上分析可知，第一储能元件5和第二储能元件6的充放电是独立的；不断重复步骤2、3、4和5的充放电过程，第一储能元件5和第二储能元件6交替循环完成充放电；对激光二极管20而言，每隔T/2就释放出激光脉冲，在保证单次放电的峰值功率不变的前提下，实现了脉冲的周期减半，频率加倍。

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