Bachelor's Thesis

Laser diode driver - design and testing

Author of thesis: Anna Killerová

Acad. year: 2025/2026

Supervisor: Ing. Miroslav Klein

Reviewer: Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Abstract:

This bachelor's thesis deals with the design and implementation of a laser diode driver for driving the COHERENT D4F8S22-638.3-375Q-IS45.6M5 laser diode intended to use in newely developed alexandrite laser. The main objective is to study the theoretical principles of continuous and pulsed current sources, analyse the possibilities of their implementation for nonlinear loads, and design a driver meeting the requirements for high current, fast transient response, and stability. The proposed circuit enables current regulation up to 15 A in continuous mode and up to 25 A in pulsed mode with a repetition rate of up to 10 kHz and a pulse width of 100–300 μs. Furthermore, both rise and fall times shorter than 40 μs are required. The thesis includes the design of the power stage, control electronics, and protection circuits, followed by prototype implementation and measurement of the achieved parameters. The final part evaluates the functionality of the with respect to the stability of generated pulses.

Keywords:

Laser diode, laser diode driver, current source, pulsed current source, continuous mode, MOSFET, LIBS, Laser-Induced Breakdown Spectroscopy, power electronics, STM32 microcontroller, DAC, current regulation

Date of defence

17.06.2026

Date of publish

16.06.2031

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znamkaBznamka

Grading

B

Process of defence

Studentka prezentovala výsledky své práce a komise byla seznámena s posudky. Prof. Augustynek položil otázku: můžete vysvětlit, jak funguje zátěž? Jak jste prováděla měření? Studentka obhájila bakalářskou práci a odpověděla na otázky členů komise a oponenta.

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Biomedical Technology and Bioinformatics (BPC-BTB)

Composition of Committee

prof. Ing. Martin Augustynek, Ph.D. (předseda)
Ing. Martin Mézl, Ph.D. (místopředseda)
MUDr. Tibor Stračina, Ph.D. (člen)
Mgr. Monika Čechová, Ph.D. (člen)
Ing. Lukáš Smital, Ph.D. (člen)
Ing. Inna Zumberg (člen)

Supervisor’s report
Ing. Miroslav Klein

Cílem bakalářské práce bylo navrhnout, vyrobit a otestovat driver pro laserovou diodu. Vyvíjené zařízení je jedním z dílčích výstupů projektu TAČR, který se zabývá vývojem nového pulzního pevnolátkového laseru na bázi alexandritového krystalu. Cílové parametry driveru byly definovány členy řešitelského konsorcia projektu.
Práce je rozdělena na teoretickou, návrhovou, realizační a experimentální část. Teoretická část shrnuje základní principy související s návrhem proudového driveru a použitými elektronickými bloky. Poskytuje potřebný základ pro pochopení navrženého zařízení, místy je však zpracována spíše obecně. Ocenil bych zejména podrobnější rozbor možných topologií proudových zdrojů a hlubší zdůvodnění volby zvoleného řešení, přestože samotnou volbu považuji za správnou.
Těžiště práce spočívá v praktické části. Studentka navrhla kompletní elektronické schéma zařízení zahrnující výkonovou část, řídicí elektroniku, komunikační rozhraní, referenční obvody a napájení. Schématický návrh považuji po technické stránce za velmi zdařilý a na úrovni přesahující bakalářskou práci. Součástí řešení byl rovněž návrh a realizace umělé zátěže simulující chování cílové laserové diody, která umožnila bezpečné testování navrženého driveru.
Na základě schématu byla navržena a vyrobena deska plošných spojů, zařízení bylo osazeno, oživeno a experimentálně ověřeno. Oceňuji, že práce neprezentuje pouze finální funkční výsledek, ale popisuje také problémy, které se během oživování a testování objevily, a provedené úpravy vedoucí k jejich odstranění. Dosažené výsledky potvrzují správnost zvoleného řešení. Výsledné zařízení nejen že splňuje zadané parametry, ale v případě rychlosti náběžných / sestupných hran je výrazně převyšuje.
Po formální stránce vykazuje práce několik nedostatků. V textu se vyskytují stylistické nepřesnosti, překlepy a místy méně vhodné členění teoretické části. Některé kapitoly by si zasloužily hlubší odbornou diskusi a podrobnější interpretaci dosažených výsledků. Tyto nedostatky však nesnižují technickou hodnotu výsledného řešení.
Studentka pracovala po celou dobu řešení aktivně a samostatně. Průběžně konzultovala postup řešení, reagovala na připomínky a prokázala schopnost samostatně řešit vzniklé technické problémy. Výsledky práce mají přímou praktickou využitelnost, neboť navržený driver bude použit jako součást vyvíjeného laserového systému v rámci projektu TAČR.
Předložená bakalářská práce splňuje zadání v plném rozsahu. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím ji 87 body, stupněm B. Points proposed by supervisor: 87

Grade proposed by supervisor: B

Reviewer’s report
Ing. Martin Mézl, Ph.D.

Předložená práce Anny Killerové se zabývá návrhem a realizací laserového diodového driveru. Práce má logickou strukturu a je členěna do  6 kapitol na 53 stranách. Práce vzniká v rámci TAČR projektu ve spolupráci s firmou Lightigo, s.r.o.
V rámci teoretického úvodu jsou shrnuty základní poznatky z elektrotechniky, především z oblasti součástek a jejich zapojení. V kapitole 1.4.2 by bylo vhodné jednotlivé součástky ještě dále oddělit alespoň tučným nadpisem. Na některé obrázky zde není odkazováno, případně nejsou dostatečně vysvětleny.
Praktická část začíná návrhem obvodu dle požadavků zadání. Všechny části jsou navrženy s ohledem na požadované vlastnosti zdroje s ohledem na typ plánované laserové diody. Pro ověření zapojení byla na základě simulací navržena umělá zátěž. Na základě tohoto návrhu byla vyrobena DPS kompaktních rozměrů.  V rámci oživení desky bylo provedeno odladění a byl realizován soubor úprav s ohledem na měřené průběhy. Realizace byla testována na umělé zátěži a požadované parametry ze zadání byly ověřeny a dosaženy.
Po formální stránce je práce na průměrné úrovni. Vytýkám nezačínání hlavních kapitol na samostatných stranách a především v kapitole 1 nevhodné členění do příliš mnoha podkapitol. V praktické části práce bych ocenil lepší kvalitu výstupních průběhů z osciloskopu. V práci je minimálně odkazováno na prezentované obrázky.
Práci hodnotím jako vysoce aplikační, která splňuje všechny body zadání. Nicméně prezentace vlastní práce mohla být pečlivější a v lepší formální kvalitě práce. Práci doporučuji k obhajobě a hodnotím známkou dobře (C – 78 bodů). Topics for thesis defence:
  1. Jak velké jsou výkonové ztráty na použitém lineárním regulátoru při kontinuálním provozu?
Points proposed by reviewer: 78

Grade proposed by reviewer: C

Reasons for publication postponement

Publication of the final thesis has been postponed in compliance with the provisions of Section 47b (4) of Act No. 111/1998 Coll., on the Higher Education Institutions and on amendments and supplements to other acts, as amended.

Commercial use of the output.

Responsibility: Mgr. et Mgr. Hana Odstrčilová