1 引言

隨著社會的進步和國民經(jīng)濟的增長，高功率密度激光脈沖在現(xiàn)代工業(yè)中有著廣泛的應用，在民用方面，現(xiàn)在常用的激光鉆孔機、激光測距儀和材料加工等；在軍事方面，高功率密度激光脈沖被廣泛應用于激光武器、激光制導和光纖陀螺等[1]。目前高功率密度激光脈沖主要被Q開關的固體激光器和光光纖激光器所占據(jù)，但這些激光器一般僅用于方波光脈沖輸出，在高功率情況下輸出波形質量不佳，不能針對輸出波形質量進行主動修正，且輸出光脈沖的參量調整較為困難。而基于直接調制半導體激光器作為種子源的主振功率放大(master oscillator power amplifier，MOPA)系統(tǒng)具有脈沖波形可調、脈沖重復頻率范圍廣、峰值功率高等優(yōu)點[2]。

隨著MOPA 系統(tǒng)的廣泛運用,種子源技術成為改善激光輸出特征的重要技術。種子源是MOPA脈沖光纖激光器的核心部分，通過對種子源時域波形的分析，有效地控制半導體激光種子源光脈沖波形,獲得脈沖寬度、重復頻率可調的大功率脈沖激光輸出[3-4]。

本文通過對半導體激光器調制工作原理及脈沖激光輸出的實現(xiàn)原理進行分析，設計了一種脈寬可調的半導體脈沖激光種子源，最后通過實驗驗證設計的可行性及合理性。

2 半導體激光器調制原理

半導體激光器也稱激光二極管，其工作原理是：半導體材料中的電子在注入電流激勵源的作用下，吸收能量后躍遷至高能級，高能級粒子積累到一定程度后，電子向低能級躍遷并釋放出光子；將材料兩端的晶面拋光形成激光諧振腔，使光子受振蕩，最終形成穩(wěn)定的激光輸出。

半導體激光器的一個重要特性就是在驅動電流大于閾值電流（Ith）以上的一段區(qū)域，驅動電流與輸出光功率近似呈線性關系，這樣就可以通過調制驅動電流來對半導體激光器的輸出光進行直接調制。在驅動電流大于激光器的閾值電流值的條件下，采用調制驅動電流的方法，使注入到半導體激光器內(nèi)的載流子密度達到相應的脈沖調制，從而使激光器發(fā)出強度被調制的脈沖激光。調制原理如圖1所示。

圖1 半導體激光器調制原理圖

3 半導體激光脈沖種子源的設計

根據(jù)半導體激光器調制原理，我們設計了圖2所示的半導體脈沖激光種子源，其主要包括可編程脈沖產(chǎn)生與控制電路、脈沖壓縮與整形電路、電流驅動電路和半導體激光器。其主要原理框圖如圖2所示。其中可編程脈沖產(chǎn)生電路產(chǎn)生脈寬為μs量級、重復頻率可調的脈沖電信號。脈沖信號壓縮與整形電路通過對基準脈沖信號進行壓縮、整形，生成脈寬可調的ns量級電脈沖信號。參數(shù)可調的ns量級電脈沖信號通過電流驅動電路產(chǎn)生用以調制半導體激光器的脈沖電流，從而實現(xiàn)參數(shù)可調的脈沖光輸出。脈沖光的脈沖寬度和重復頻率可由控制軟件進行設置。

圖2 半導體脈沖激光器驅動電路原理圖框圖

4 半導體激光脈沖種子源的實現(xiàn)

4.1 可編程脈沖信號產(chǎn)生與控制電路

常見的脈沖信號源采用的設計方式有以下幾種：采用專用的DDS集成芯片、利用單片機實現(xiàn)脈沖信號的產(chǎn)生、采用FPGA或則CPLD的技術方以及利用74系列芯片延時產(chǎn)生[5]。綜合考慮了控制靈活性及長遠應用性，我們采用Xilinx公司的XC2C64A編程邏輯器件（CPLD）作為產(chǎn)生參數(shù)可調的脈沖信號的主芯片，該芯片具有高速度、低功耗、開發(fā)方便、外圍電路簡單等特點，XC2C64A芯片外部連接圖如圖3所示。

圖3 XC2C64A芯片外部連接圖

運用HDL語言對XC2C64A芯片進行開發(fā)產(chǎn)生一定