［摘 要］文章對(duì)基于STM32 的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，介紹了半導(dǎo)體激光器的基本原理和應(yīng)用場景，分析了現(xiàn)有驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)存在的問題，提出了一種基于STM32 的新型驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)方案。在設(shè)計(jì)過程中，充分考慮了電路的穩(wěn)定性、可靠性。結(jié)果表明，該驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)能夠有效控制激光器的輸出功率和頻率，且具有較高的穩(wěn)定性和可調(diào)性。

［關(guān)鍵詞］STM32 ；半導(dǎo)體激光器；驅(qū)動(dòng)電路；控制；精確控制

［中圖分類號(hào)］TN248.4 ［文獻(xiàn)標(biāo)志碼］A ［文章編號(hào)］2095–6487（2024）09–0045–03

半導(dǎo)體激光器是一種重要的光電子器件，具有電光轉(zhuǎn)換效率高、功耗低、壽命長、體積小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于光纖通信、激光測距、激光切割、激光醫(yī)療等領(lǐng)域。激光器的性能受驅(qū)動(dòng)電路的影響較大，驅(qū)動(dòng)電路需要為激光器提供穩(wěn)定可靠、精確的電流和溫度控制，以保證激光器的穩(wěn)定輸出和使用壽命。傳統(tǒng)激光器驅(qū)動(dòng)電路多采用模擬電路設(shè)計(jì)，電路結(jié)構(gòu)復(fù)雜，調(diào)試?yán)щy，使用精度難以保證。隨著嵌入式技術(shù)的不斷發(fā)展，基于微處理器的數(shù)字控制驅(qū)動(dòng)電路逐漸成為主流，其中STM32 系列單片機(jī)以其高性能、低成本、低功耗、豐富的外設(shè)接口等優(yōu)點(diǎn)在激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)中得到了廣泛應(yīng)用。

1 半導(dǎo)體激光器工作原理

半導(dǎo)體激光器工作原理基于半導(dǎo)體材料的特性。半導(dǎo)體材料是一種介于導(dǎo)體和絕緣體之間的材料，在半導(dǎo)體中存在電子和空穴兩種載流子。在外加電場作用下，電子從N 區(qū)（富電子區(qū)）向P 區(qū)（富空穴區(qū)）流動(dòng)，空穴則從P 區(qū)向N 區(qū)流動(dòng)，這種電子和空穴的流動(dòng)形成電流。半導(dǎo)體激光器通常由P 型半導(dǎo)體和N 型半導(dǎo)體組成，其中N 型半導(dǎo)體中富含自由電子，而P 型半導(dǎo)體中則富含空穴。兩種半導(dǎo)體材料結(jié)合形成的PN 結(jié)，被稱為“激活層”。當(dāng)施加外加電壓時(shí)，電子從N 區(qū)向P 區(qū)躍遷，與空穴復(fù)合，這些復(fù)合過程會(huì)釋放出能量，這些能量釋放的方式有輻射和非輻射兩種。在激活層中，電子從高能級(jí)躍遷到低能級(jí)時(shí)，會(huì)通過輻射的方式釋放出能量，產(chǎn)生光子。這些光子會(huì)與其他激活層內(nèi)的電子發(fā)生相互作用，進(jìn)一步產(chǎn)生大量光子，該過程被稱為“光放大”。

在激活層兩側(cè)，分別設(shè)置一對(duì)反射鏡，其中一個(gè)鏡子是半透明的，允許部分光子通過；而另一個(gè)鏡子則是完全反射的，通過反射鏡反射，光子被限制在激活層內(nèi)來回傳播，形成一個(gè)光學(xué)諧振腔。只有當(dāng)光子的頻率和諧振腔的固有頻率匹配時(shí)，光子才能得到放大，形成激光。因此，半導(dǎo)體激光器的工作原理為，通過施加外加電壓，電子與空穴在PN 結(jié)中復(fù)合，產(chǎn)生光子；光子與其他激活層內(nèi)的電子相互作用，進(jìn)一步產(chǎn)生大量光子；通過反射鏡的反射，光子在激活層內(nèi)來回傳播，形成光學(xué)諧振腔；當(dāng)光子的頻率和諧振腔的固有頻率匹配時(shí)，光子得到放大，形成激光。

2 基于STM32的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路整體設(shè)計(jì)

半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路整體設(shè)計(jì)是一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)，其在實(shí)現(xiàn)激光器的穩(wěn)定工作和性能優(yōu)化方面起著重要作用。除了激光器件LD（鐳射二極管）本身外，還需要集成其他輔助元件，如TEC（半導(dǎo)體制冷器）、熱敏電阻及光敏二極管。半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定工作對(duì)于整個(gè)電路的性能至關(guān)重要。在激光器工作過程中，溫度變化會(huì)直接影響激光器的輸出功率和波長穩(wěn)定性。為了解決該問題，集成了TEC 來控制激光器的溫度，TEC 通過珀?duì)柼?yīng)將熱量從激光器中移走，從而保持激光器的溫度穩(wěn)定。同時(shí)，為了監(jiān)測激光器的溫度變化，集成了熱敏電阻。熱敏電阻可根據(jù)溫度的變化來改變電阻值，通過測量電阻值的變化可以得到激光器的溫度信息，放大處理熱敏電阻信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器溫度的精確控制。為了檢測激光器的輸出功率，還集成了光敏二極管。光敏二極管可將激光器的輸出光信號(hào)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，通過測量電信號(hào)的強(qiáng)度可以得到激光器的輸出功率。通過對(duì)光敏二極管信號(hào)進(jìn)行放大和處理，可實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器輸出功率的實(shí)時(shí)監(jiān)測和控制。

基于STM32 的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路利用STM32 的ADC 功能實(shí)時(shí)監(jiān)測激光器的溫度，并控制TEC 和熱敏電阻進(jìn)行精確的溫度調(diào)節(jié)，保證激光器工作在最佳溫度范圍內(nèi)。通過STM32 的PWM 信號(hào)調(diào)節(jié)恒流電路的占空比，以精確控制激光器的輸出電流。利用STM32 的ADC 功能實(shí)時(shí)檢測激光器內(nèi)部的光敏二極管電壓，從而計(jì)算出實(shí)際的輸出光強(qiáng)，實(shí)現(xiàn)閉環(huán)控制。通過串口等接口，實(shí)現(xiàn)STM32與上位機(jī)的通信，接收上位機(jī)指令并上傳溫度、光強(qiáng)等數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)過溫、過流等保護(hù)電路，確保激光器工作的安全性和穩(wěn)定性。硬件電路設(shè)計(jì)包括恒流源電路、TEC 控制電路、光強(qiáng)檢測電路、溫度檢測電路等，并選擇合適的元器件，設(shè)計(jì)電路原理圖和PCB 板，編寫STM32 的固件程序，實(shí)現(xiàn)ADC、PWM 等外設(shè)的控制，完成數(shù)據(jù)采集、處理和控制輸出，并設(shè)計(jì)通信協(xié)議與上位機(jī)軟件進(jìn)行交互。通過電路連接和程序下載，對(duì)整個(gè)電路進(jìn)行調(diào)試，以實(shí)現(xiàn)溫度和電流的精確控制。通過以上步驟，可設(shè)計(jì)出一個(gè)功能完善、性能穩(wěn)定的基于STM32 的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路，如圖1 所示。

3 溫度控制電路

3.1 溫控芯片選型

在半導(dǎo)體激光器工作過程中，溫度的穩(wěn)定對(duì)于其性能和壽命都至關(guān)重要，而TEC 具有珀?duì)柼?yīng)，可實(shí)現(xiàn)對(duì)溫度的精確控制。珀?duì)柼?yīng)是指當(dāng)兩種不同材料的接觸點(diǎn)有電流通過時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱量的吸收或釋放現(xiàn)象，該效應(yīng)可以用來實(shí)現(xiàn)對(duì)半導(dǎo)體激光器的溫度調(diào)節(jié)。溫控芯片是實(shí)現(xiàn)溫度控制的核心部件，通常由多個(gè)熱電偶對(duì)組成，其中每對(duì)熱電偶由1 個(gè)PN 結(jié)和1 個(gè)銅聯(lián)結(jié)片焊接在一起。冷端和熱端則分別集中在芯片的兩端。在選擇溫控芯片時(shí)，要考慮溫度控制的精度，以芯片能夠提供高精度的溫度控制為目標(biāo)，確保半導(dǎo)體激光器在工作時(shí)保持穩(wěn)定的溫度。由于半導(dǎo)體激光器通常需要長時(shí)間運(yùn)行，因此低功耗和高效率的芯片能夠減少系統(tǒng)能耗。TEC 工作原理如圖2所示。

文章選用美信公司的MAX1978 芯片，該芯片采用單電源供電，具有兩個(gè)同步降壓穩(wěn)壓器，可以實(shí)現(xiàn)雙極性±3 A 輸出，沒有電流“死區(qū)”。通過熱敏器件反饋，MAX1978 能夠適應(yīng)環(huán)境變化并進(jìn)行雙向調(diào)節(jié)，溫度穩(wěn)定性可達(dá)0.001℃，集成控制電路還對(duì)激光器內(nèi)部的TEC 具有一定的保護(hù)作用。

3.2 溫度控制電路設(shè)計(jì)

激光器是一種半導(dǎo)體激光器，其在工作過程中會(huì)產(chǎn)生大量的熱量，為了確保激光器運(yùn)行的穩(wěn)定性，工作人員要設(shè)計(jì)半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)溫度控制電路。TEC是一種能夠通過電流控制溫度的裝置，由兩個(gè)不同材料的熱電偶組成。當(dāng)電流通過熱電偶時(shí)，一個(gè)熱端會(huì)吸收熱量，而另一個(gè)冷端則會(huì)散發(fā)熱量。通過調(diào)整電流的大小，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器的溫度控制。在設(shè)計(jì)TEC 驅(qū)動(dòng)電路前，要了解激光器內(nèi)部的NTC 熱敏電阻和TEC 特性。NTC 熱敏電阻在激光器溫度上升時(shí)，其電阻值會(huì)下降；而TEC 則具有根據(jù)電流大小調(diào)節(jié)激光器溫度的能力。MAX1978 芯片是一款專門設(shè)計(jì)用于驅(qū)動(dòng)TEC 的集成電路，具有多種功能，包括電流和溫度測量、閉環(huán)控制以及PWM（脈沖寬度調(diào)制）輸出等，借助于MAX1978 芯片，可輕松地實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器溫度的精確控制。下面是基于MAX1978 芯片設(shè)計(jì)的TEC 驅(qū)動(dòng)電路的原理圖，如圖3 所示。

4 結(jié)束語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，半導(dǎo)體激光器在眾多領(lǐng)域發(fā)揮著重要作用，對(duì)其驅(qū)動(dòng)電路的研究具有極高的理論和實(shí)踐意義。文章通過介紹基于STM32 微控制器的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光器的穩(wěn)定和精確控制，為半導(dǎo)體激光器的廣泛應(yīng)用提供了有力支持。通過文章的研究，基于STM32 的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)激光器的高精度控制，具有結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定、易于擴(kuò)展等優(yōu)點(diǎn)。該設(shè)計(jì)為進(jìn)一步提高半導(dǎo)體激光器在光纖通信、激光醫(yī)療、工業(yè)制造等領(lǐng)域的應(yīng)用水平提供了有力支持，同時(shí)也為類似激光器的驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)提供了參考。在未來的研究工作中，還將不斷優(yōu)化和改進(jìn)設(shè)計(jì)，以適應(yīng)不斷發(fā)展的應(yīng)用需求。

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