高精度光源控制系統(tǒng)的研究

范存玉

摘要：本文詳細(xì)給出了本課題所采用的自動(dòng)功率控制、自動(dòng)溫度控制的工作原理。自動(dòng)功率控制是采用光電二極管的輸出電流，處理后與設(shè)定值比較來(lái)調(diào)整激光器的工作電流，從而實(shí)現(xiàn)激光器功率閉環(huán)控制。自動(dòng)溫度控制是通過(guò)熱敏電阻采集激光器的溫度，將得到的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而控制TEC驅(qū)動(dòng)電路中電流的流向及大小。

關(guān)鍵詞：半導(dǎo)體激光器，閉環(huán)控制，自動(dòng)溫度控制

一、半導(dǎo)體激光器穩(wěn)恒控制

對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制，常采用自動(dòng)控制的方法，其包括自動(dòng)電流控制（ACC）、自動(dòng)功率控制（APC）、自動(dòng)溫度控制（ATC）、電壓恒定控制（AVC）。

自動(dòng)電流控制（ACC）是對(duì)半導(dǎo)體激光器的注入電流進(jìn)行穩(wěn)恒控制的一種控制方式。即通過(guò)電流反饋控制回路，來(lái)獲得最低的電流偏差。當(dāng)要求驅(qū)動(dòng)電流穩(wěn)定時(shí)，常采用ACC工作模式。

自動(dòng)功率控制（APC）是對(duì)半導(dǎo)體激光器的輸出光功率進(jìn)行穩(wěn)恒控制的一種控制方式。即當(dāng)LD工作時(shí)， PD將接收的部分光功率轉(zhuǎn)化為監(jiān)測(cè)電流，該電流與PD接收到的光功率成正比。監(jiān)測(cè)電流經(jīng)過(guò)電流/電壓轉(zhuǎn)換后，通過(guò)反饋網(wǎng)絡(luò)與設(shè)定值進(jìn)行比較，形成閉環(huán)負(fù)反饋控制。

自動(dòng)溫度控制（ATC）是在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制時(shí)保證其溫度恒定不變。

電壓恒定控制（AVC）是在對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行控制時(shí)保證其驅(qū)動(dòng)電壓恒定不變。

通過(guò)上述分析可以看出，ACC、APC方式適用于帶有溫度調(diào)節(jié)的半導(dǎo)體激光器，配合ATC控制方式，會(huì)產(chǎn)生很好的效果。一般情況下，激光器的光電轉(zhuǎn)換效率隨著使用時(shí)間的增長(zhǎng)而降低，以此APC控制精度優(yōu)于ACC。當(dāng)要求LD的驅(qū)動(dòng)電壓恒定時(shí)，采用AVC模式[1] 。

鑒于以上分析本文采用APC和ATC控制方式相結(jié)合驅(qū)動(dòng)半導(dǎo)體激光器。

二、半導(dǎo)體激光器自動(dòng)功率控制（APC）原理

為方便功率的控制，通常半導(dǎo)體激光器內(nèi)部將半導(dǎo)體激光器與光電二極管集成在一起，裝在同一管芯內(nèi)。PD感應(yīng)的光電流很?。ㄒ话銥閹装傥玻虼?，對(duì)光電流檢測(cè)器的靈敏度和精度要求很高。檢測(cè)器的輸出信號(hào)反饋回單片機(jī)系統(tǒng)并通過(guò)輸入端控制電流驅(qū)動(dòng)模塊調(diào)整輸出光功率，一般將驅(qū)動(dòng)模塊與功率控制模塊統(tǒng)一考慮[2] 。

自動(dòng)功率控制原理框圖如1-1所示。

圖1-1自動(dòng)功率控制原理框圖

采用背向光反饋?zhàn)詣?dòng)偏置控制方式，即用半導(dǎo)體激光器組件中的光電二極管檢測(cè)激光器背向輸出光功率。因?yàn)楸诚蜉敵龉夤β誓芨櫱跋蜉敵龉夤β实淖兓?，通過(guò)閉環(huán)控制系統(tǒng)就可以調(diào)節(jié)激光器的工作電流，達(dá)到輸出穩(wěn)定光功率的目的。檢測(cè)光電二極管的輸出光電流，然后經(jīng)過(guò)光電轉(zhuǎn)換及前置放大電路，主放大電路以及濾波電路，A/D轉(zhuǎn)換以后進(jìn)入單片機(jī)系統(tǒng)，通過(guò)ADuC836單片機(jī)處理以后通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路反饋回恒流源電路，控制恒流值的大小，從而控制半導(dǎo)體激光器的光功率，達(dá)到穩(wěn)定光功率的目的。

正常狀態(tài)下，半導(dǎo)體激光器工作在設(shè)定點(diǎn)，流過(guò)其驅(qū)動(dòng)電流I與其輸出光功率處于穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)LD因某種原因功率增大時(shí)，耦合至PD的光電流也按比例增大；當(dāng)LD光功率降低時(shí)，PD的光電流相應(yīng)減小。監(jiān)測(cè)PD輸出光電流的變化控制LD的注入電流，當(dāng)輸出光電流減小時(shí)，通過(guò)單片機(jī)控制增大LD的注入電流，以保證輸出功率的穩(wěn)定；反之，若輸出光電流增大時(shí)，則降低LD的注入電流。

自動(dòng)功率控制是以穩(wěn)定輸出功率為目的，以輸出光功率作為反饋信號(hào)，控制驅(qū)動(dòng)電流源，以消除溫度和浪涌等因素造成的輸出功率的不穩(wěn)定。

入射光強(qiáng)Pin與光電流Im的關(guān)系如公式（1-1）所示[3]：

式中R：光電二極管的響應(yīng)度，可由所使用的半導(dǎo)體激光器組件參數(shù)求得。

三、半導(dǎo)體激光器自動(dòng)溫度控制（ATC）原理

溫度是LD性能惡化、壽命減少的主要因素，溫度升高使輸出功率下降，并且影響波長(zhǎng)的穩(wěn)定性[4]。目前已經(jīng)提出了很多種半導(dǎo)體激光器溫控電路，采用模擬技術(shù)和數(shù)字技術(shù)，但高精度溫度控制并不是一件容易實(shí)現(xiàn)的事情。本文在軟件上采用PID（Proportion，Integrator，Differentiator）控制技術(shù)及模糊控制作為核心，以減少靜態(tài)誤差、提高控制精度。

自動(dòng)溫度控制（ATC）電路系統(tǒng)原理框圖如圖1-2所示。

圖1-2自動(dòng)溫度控制原理框圖

自動(dòng)溫度控制（ATC）系統(tǒng)包括：采樣部分、轉(zhuǎn)換部分、單片機(jī)系統(tǒng)部分和制冷控制部分[9]。半導(dǎo)體激光器工作時(shí)，隨時(shí)間的推移其溫度會(huì)逐漸升高，測(cè)溫傳感器將溫度變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換成電阻信號(hào)，由溫度—電壓轉(zhuǎn)換電路（T/V）將信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)以便后續(xù)處理，儀表運(yùn)算放大電路是將電壓信號(hào)進(jìn)行高精度放大以利于A/D轉(zhuǎn)換，由于本文所選的單片機(jī)自帶A/D轉(zhuǎn)換器，可直接將代表溫度的信號(hào)從A/D轉(zhuǎn)換模擬通道輸入到單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)系統(tǒng)經(jīng)過(guò)PID算法處理后由輸出端口輸出數(shù)字控制信號(hào)到D/A轉(zhuǎn)換電路，經(jīng)過(guò)D/A轉(zhuǎn)換的模擬控制信號(hào)就可以控制半導(dǎo)體制冷器的驅(qū)動(dòng)電路，達(dá)到控制半導(dǎo)體制冷器的電流及制冷功率，從而保證半導(dǎo)體激光器溫度恒定。

溫度傳感器采用負(fù)溫度系數(shù)熱敏電阻，其工作原理是將溫度的變化轉(zhuǎn)化為自身電阻的變化。因此，測(cè)溫的精度取決于這個(gè)電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓變化過(guò)程的精度。將電阻值的變化轉(zhuǎn)換為電壓的變化常采用電橋方法，并用儀表運(yùn)算放大電路保證信號(hào)轉(zhuǎn)換和傳輸。控制程序采用PID控制算法控制帕耳帖的電流，來(lái)控制帕耳帖的制冷量，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器的恒溫度控制。自動(dòng)溫度控制電路通過(guò)改變半導(dǎo)體制冷器上的電流大小和方向，對(duì)半導(dǎo)體激光器進(jìn)行加熱或制冷，來(lái)控制其溫度，使功率穩(wěn)定輸出。當(dāng)半導(dǎo)體激光器溫度升高時(shí)，制冷器制冷，其溫度下降；當(dāng)半導(dǎo)體激光器溫度降低時(shí)，制冷器加熱，其溫度上升。

四、總結(jié)

本文主要介紹了半導(dǎo)體激光器的四種驅(qū)動(dòng)方式及各種方式的優(yōu)缺點(diǎn)；并詳細(xì)給出了本課題所采用的自動(dòng)功率控制、自動(dòng)溫度控制的工作原理。自動(dòng)功率控制是采用光電二極管的輸出電流，處理后與設(shè)定值比較來(lái)調(diào)整激光器的工作電流，從而實(shí)現(xiàn)激光器功率閉環(huán)控制。自動(dòng)溫度控制是通過(guò)熱敏電阻采集激光器的溫度，將得到的溫度值與設(shè)定值進(jìn)行比較，從而控制TEC驅(qū)動(dòng)電路中電流的流向及大小。

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