基于频率补偿的窄脉冲量子级联激光器快速驱动

　　脉冲量子级联激光器(QCL)因其近室温操作和单模连续调谐等优点，逐渐成为理想的高分辨率中红外光源，在气体检测、医疗、化学、石油冶炼等众多领域有着广泛的潜在应用。在基于脉冲量子级联激光器的应用系统中，驱动电路的脉冲宽度决定激光器的线宽，从而会影响气体探测的灵敏度。因此，研究窄脉冲量子级联激光器的驱动电路对于加速激光器的应用推广，具有重要的研究价值和应用前景。

　　针对目前存在的脉冲量子级联激光器驱动技术的优缺点，文中研究在传统脉冲恒流驱动技术的基础上，通过理论分析和模型仿真，采用频率补偿的方法，设计了一款稳定的纳秒级激光器驱动电路。在详细分析补偿参数与脉冲质量的关系之后，给出了驱动电路的测量结果和结论。

　　综合以上分析，可以发现当使用基于运放的恒流驱动来实现窄脉冲时，电路容易振荡或者过冲，信号完整性差;当使用PWM技术来驱动激光器时，虽然可以实现窄脉冲驱动，但此电路并非是真正的脉冲恒流驱动，峰值电流难以精确控制。对于分布反馈(DFB)QCL激光器，由于驱动电流对波长的调制作用，此电流的漂移会导致谱线失锁。因此这种驱动方式也不适用高灵敏度气体吸收光谱检测应用。

　　针对脉冲量子级联激光器，脉宽为5~15ns的脉冲电流可以获得傅里叶变换极限线宽。但目前商用的QCL驱动器满足不了这个要求。如瑞士AlpesLasers的QCL驱动器最短脉冲为，由于米用PWM驱动技术，没有电流反馈机制，容易受奇生参数影响，信号完整性不好。美国ILXLightwave的产品虽然采用了恒流驱动模式与PWM驱动技术相结合的方式，但其最短脉冲只达到，且脉冲电流信号欠冲严重。

　　2驱动电路设计

　　脉冲电流驱动电路的功能框图。包括AC-DC转换电路、电源产生电路、脉冲产生电路、基于运放的反馈电路和主控支路等模块。

　　通常，运放工作需要正负压供电，Vld需要独立高压，AC-DC转换电路的输出不足以给整个电路供电，因此，在AC-DC转换电路输出的基础上，需通过电源产生电路，为整个电路系统各模块供电。电源产生电路或采用LDO电源控制芯片，或采用DC-DC芯片，具体可依据转换效率和电源纹波等需求指标决定。

　　文中系统的脉冲产生模块依赖于上升时间、脉宽和频率等需求指标，有多种方法可以实现，最直接的方式是由数字逻辑电路来产生相应控制信号，并经幅度调节后直接生成。由于运放输入为高阻，故运放前级应确保寄生电容小，但为提高脉冲幅度的稳定性，也可以增加无源滤波器模块来滤波，提高波形质量。

　　基于频率补偿的恒流源电路的详细电路，此电路具有电流可控性以及精确调节性等优点，在实际工程中被广泛应用。列举了两种恒流源电路，是负载不接地的驱动电路，是负载接地的驱动电路，这两种驱动电路原理相同，差别仅在于输入信号的参考点不同以及负载的连接形式不同，中的输入信号是相对地信号而言，中的输入信号则是相对Vld电源。是在图1的基础上，通过增加了反馈电阻R2和反馈支路C1等补偿元件来提高系统的相位裕度。其中，控制信号连接到运算放大器U1的正相输入端，运算放大器的输出端经由NMOSFET的源级反馈到运放的负相输入端，构成一闭环的反馈电路。由于运放的输入电阻很大，因此私两端几乎没有电流，流过负载QCL的电流等于流过电阻Rs的电流，如公式所示。由于中控制电压是相对电源电压，在控制上增加了难度，因此，系统采用所示的恒流源电路。

　　虽然基于运算放大器可以制作性能优良的恒流电路，但若输入的控制电压Vset是类似脉冲的交流信号时，电路有可能产生自激振荡。为正确分析电路的频率特性，设负载QCL内阻用Rl，MOSFETT!跨导为gm，栅极电压为Vx，源极电压为Vy，输出电压V。，运放U1同相输入电压为V,，反向输入电压为V„，输入电阻R,，增益为a(s)依据基尔霍夫电流定律和欧姆定律。将量子级联激光器输出的光送入德国Bruke公司生产的傅里叶光谱仪V80中进行线宽测试，频谱分辨率设置为仪器的极限线宽0.08cm-1，当驱动脉宽由100ns减小到10ns时，激光器线宽由0.35cm-1近似线性递减到0.12cm线宽随驱动器脉冲宽度的减小而下降，但当测量的线宽越接近傅里叶变换光谱仪的极限分辨率时，下降速度变慢，这应是受到傅里叶变换光谱仪分辨率的影响。

　　脉冲量子级联激光器的真实线宽可能会比此测量数据要窄，但是使用同样条件的光谱仪，线宽随驱动脉宽的变化趋势是正确的。这一现象在参考文献中均有报道，与笔者的测试结果一致。文中比较分析了QCL驱动设备中传统的基于运放的恒流技术和PWM驱动技术，并在分析二者优缺点基础上，通过理论分析和模型仿真，提出了一种基于频率补偿的窄脉冲驱动方法，实测最短脉宽可达到8.4ns，上升沿小于4ns，接近傅里叶变换极限线宽，而且脉冲电流几乎没有过冲或振荡，具有良好的信号完整性。因此，该窄脉冲驱动电路设计合理，技术指标优越，尤其适应于量子级联激光器性能测试及其便携式应用。