半導體激光器驅動及溫控系統(tǒng)研究

摘 要：體積小、重量輕、穩(wěn)定性高的特點，使半導體激光驅動器在許多領域都有廣泛的應用，而且在未來仍具有突出的發(fā)展前景。本文就半導體激光器驅動及溫控系統(tǒng)進行研究，首先介紹了半導體激光器恒流驅動的整體設計以及驅動電路設計，再針對溫控系統(tǒng)的系統(tǒng)方案設計和溫控硬件系統(tǒng)設計進行簡要介紹。

關鍵詞：半導體激光器；驅動系統(tǒng)；溫控系統(tǒng)

隨著科技水平以及科學期間的發(fā)展，半導體物理學也得到了質的發(fā)展，并孕育了半導體激光器[1]。半導體激光器具有體積小、重量輕、能耗低、效率高、可靠性強的特點，半導體激光器的問世極大的推動了電子科技的發(fā)展，并且廣泛應用于測距、雷達、通信等多領域的模擬數字器件集成中，極大降低硬件和元器件電路的成本。文章就半導體激光器驅動和溫控系統(tǒng)進行研究。

1 半導體激光器恒流驅動設計

1.1 整體設計

半導體激光器驅動的整體設計如圖1，半導體激光器驅動整體系統(tǒng)包括單片機控制模塊、系統(tǒng)電源模塊、恒流源和溫控模塊、等等幾個主要組成部分。在半導體激光器運行中，注入的電流與器件溫度有密切的關系。注入的電流越大，器件的溫度也會越高[2]。當激光器器件的溫度升高，激光器輸出電流的功率以及波長又會受到溫度的影響。因此，半導體激光器的驅動系統(tǒng)必須協(xié)調恒流模塊和溫控模塊兩部分的關系，確保兩個模塊在半導體激光器運行過程中能夠同時工作，而且兩個模塊會相互配合，共同實現控制工作。

1.2 驅動電路設計

驅動電路設計有時序產生電路設計、脈沖產生電路設計以及開關電路設計三種。在激光探測技術中，由于探測信號需要遵循探測系統(tǒng)的時序求求才能發(fā)送，因此需要采用時序信號控制。當前激光探測系統(tǒng)中，一類由時序電路自身產生，另一類則有外部輸入時鐘進行分頻或倍頻產生。脈沖產生電路設計則是由于電路要求前一級電路需要具備較強的驅動能力，因此脈沖產生電路的要求為能夠產生開關連讀所需的激勵信號，而且電路輸出端的驅動必須具備較高的能力。開關電路有開關器件、充電元件以及其他的電阻電容等諸多元件組成。半導體激光器驅動電路使用的開關電器可分為雙極性高額大功率晶體管、晶體閘流管電流兩種，雙極性高頻大功率晶體管的電路較為復雜，因而應用較少。而晶體閘流管的電路簡單，使用于激光器，但是開關速度對其限制較大。

2 半導體激光器溫控系統(tǒng)設計

2.1 半導體激光溫控系統(tǒng)方案

2.1.1 半導體激光器溫度控制系統(tǒng)方案

依據控制原理以及組成結構，經典溫控系統(tǒng)可分為開環(huán)控制系統(tǒng)、閉環(huán)控制系統(tǒng)以及復合控制系統(tǒng)三種。開環(huán)控制系統(tǒng)是指控制器和被控對象的單項控制過程，即只有輸入才能控制系統(tǒng)輸出，因此開環(huán)控制系統(tǒng)控制的精確度不高，抗干擾性較差。開環(huán)控制系統(tǒng)依據順序控制系統(tǒng)控制輸入裝置、檢測元件、執(zhí)行機構和被控對象，即依據時序進行邏輯控制。因此，開環(huán)控制系統(tǒng)應用的測量過程的控制具有精準對要求低、控制點少且易取得數量的特點。

2.1.2 閉環(huán)控制系統(tǒng)

閉環(huán)控制系統(tǒng)是建立在反饋原理基礎上的控制系統(tǒng)，而且它依照偏差進行控制，因此閉環(huán)控制系統(tǒng)也被稱為反饋控制系統(tǒng)。和開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制系統(tǒng)不僅具有正向作用，閉環(huán)控制系統(tǒng)還具有反饋作用。即系統(tǒng)輸出量可直接影響控制量。閉環(huán)控制系統(tǒng)將負反饋控制系統(tǒng)引入反饋控制系統(tǒng)中，不僅可以有效減少系統(tǒng)產生的偏差，而且控制的精度和范圍也得到極大的提升[3]。因此，半導體激光器溫控系統(tǒng)多采用閉環(huán)負反饋控制系統(tǒng)結構。當控制器處理系統(tǒng)輸出與輸出的偏差量后，輸出的控制量調節(jié)被控對象的問題，而且被控對象的溫度被實時反饋到偏差量，從而達到實時、精準控制被控對象溫度的目的。

2.2 半導體激光器溫度控制系統(tǒng)的硬件設計

溫控系統(tǒng)的硬件系統(tǒng)包括溫度檢測采集、微控制器、鍵盤設定、存儲卡、溫度控制機處理、鍵盤處理等多個模塊[4]。硬件系統(tǒng)工作過程：溫度傳感器測量被控對象的問題，再將測量結果轉換為既定的數字信號并傳遞至溫度檢測采集模塊，由溫度檢測采集模塊處理轉換信號。LCD顯示屏也同時顯示被控對象的測量溫度，并將處理的信號傳輸至微處理器上，通過既定的算法計算、調整等步驟，使信號成為溫度執(zhí)行數據。最后，溫度執(zhí)行數據被傳送至執(zhí)行模塊內，完成加熱被控對象，獲獎被控對象降溫。存儲模塊不僅可以存放即時文件，還能系統(tǒng)運行時產生的所有數據，以便進一步分析控制結果。此外，溫控硬件模塊控制系統(tǒng)還具備一定的安全報警功能，對被控對象出現過亞、超溫等問題，系統(tǒng)會自動發(fā)出警報。

3 結語

隨著數據信號處理技術的進步，基于數字信號處理的半導體激光器設計在未來發(fā)展中具極大前景，憑借數字信號處理強大的運算能力，可以改進當前半導體激光器中數字適應性差和運算能力低下的問題，提高工作運行的穩(wěn)定性和可靠性。

[參考文獻]

[1]張悅玲，楊紹巖，張曉娟.基于MSP430F449的半導體激光器溫控系統(tǒng)設計[J].光電技術應用.2012，（03）.

[2]周冠軍，張雪松，蔡軍，楊海波.高溫環(huán)境下高功率半導體激光器驅動電源設計[J].光電技術應用.2012，（05）.

[3]張晶，劉東明.半導體激光器驅動電路的計算機仿真分析[J].計算機仿真.2009，（12）.

[4]叢夢龍，李黎，崔艷松，張真騫，王一丁.控制半導體激光器的高穩(wěn)定度數字化驅動電源的設計[J].光學精密工程.2010，（07）.