連續(xù)可調(diào)恒流的半導(dǎo)體激光器恒溫控制

郝震 南京諾派激光技術(shù)有限公司

一、激光器恒溫控制技術(shù)分析及其發(fā)展現(xiàn)狀

關(guān)于半導(dǎo)體激光器控制，工作人員可以從LD 器件入手，利用其較高的量子效率，深入分析電力與溫度變化與光功率輸出之間的關(guān)系，從而發(fā)現(xiàn)其中問題，提出解決措施。作為一種應(yīng)用技術(shù)，LD 需要具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性，這主要是由于驅(qū)動(dòng)電流產(chǎn)生的波動(dòng)會(huì)影響激光強(qiáng)度噪聲，更會(huì)拓寬輸出波長光譜線寬，因此，工作人員要結(jié)合激光器的實(shí)際情況，選擇能夠滿足其運(yùn)行需求的電力源。LD 對(duì)溫度極為敏感，環(huán)境中的溫度變化會(huì)引起電力的供給波動(dòng)，促使激光器的輸出功率發(fā)生較大的變化。

隨著現(xiàn)代社會(huì)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，現(xiàn)如今生產(chǎn)LD 器件的公司不僅有ILXlight 公司，還有Thorlabs 公司與Wavelength 公司，其中Thorlabs 公司的產(chǎn)品綜合性能指標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)較高、Wavelength 公司主要產(chǎn)品為連續(xù)電力的LD 器件。相關(guān)工作人員將恒流驅(qū)動(dòng)與恒功率驅(qū)動(dòng)融合設(shè)計(jì)，促使用戶能夠結(jié)合自身實(shí)際需求，優(yōu)化設(shè)計(jì)恒流或者恒功率部分的運(yùn)行方式。

二、連續(xù)可調(diào)恒流的半導(dǎo)體激光器恒溫控制設(shè)計(jì)及應(yīng)用

（一）把握半導(dǎo)體激光器的溫度特征

在連續(xù)可調(diào)恒流的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中，工作人員要綜合考慮半導(dǎo)體激光器的效率標(biāo)準(zhǔn)，且考慮到其會(huì)受到各種非輻射的影響，產(chǎn)生損耗，比如：自由載流吸收、符合損耗等。由于各種外界因素的影響，半導(dǎo)體激光器的微分量子效率只能發(fā)揮出25%-30%的水平，這就相當(dāng)于部分輸入的電功率會(huì)轉(zhuǎn)化成為熱量，引起半導(dǎo)體激光器溫度的提升。基于此，工作人員要把握半導(dǎo)體激光器的溫度變化原理，考慮到溫度變化對(duì)于閾值電力的影響、考慮溫度變化對(duì)于激光器正向壓降的影響、考慮溫度變化對(duì)于輸出波長的影響。

（二）安裝相應(yīng)傳感器

在連續(xù)可調(diào)恒流的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中，工作人員可以在已經(jīng)把握溫度特征的基礎(chǔ)上，安裝相應(yīng)的溫度傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)控激光器的溫度變化，及時(shí)解決溫度提升的問題，以此實(shí)現(xiàn)恒溫控制目的。工作人員利用熱敏電阻，將其安裝在工作區(qū)域的兩端，監(jiān)測溫度變化，若溫度低于Tp1 值，則溫度靈敏度較低，若溫度高于Tp2 值，則電阻值會(huì)隨著溫度的不斷提升而發(fā)生變化。工作人員要充分發(fā)揮熱敏電阻的應(yīng)用優(yōu)勢，把握溫度與電阻值曲線變化關(guān)系，從而控制激光器的溫度，構(gòu)建連續(xù)可調(diào)的恒溫控制器系統(tǒng)。

（三）利用控制算法

在連續(xù)可調(diào)恒流的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用過程中，工作人員要引進(jìn)相應(yīng)的控制算法，比如：PID 控制算法。在PID控制算法的應(yīng)用過程中，可以發(fā)現(xiàn)，這一算法具有明顯典型的結(jié)構(gòu)，便于帶入數(shù)據(jù)計(jì)算，參數(shù)整定比較方便，結(jié)構(gòu)調(diào)整靈活，能夠基本滿足溫度控制要求。工作人員可以結(jié)合具體的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)，運(yùn)用PID 控制規(guī)律，設(shè)計(jì)PID 控制器，明確線性函數(shù)變化，優(yōu)化微分與積分之間的線性組合，形成控制量，以此實(shí)現(xiàn)控制目的。工作人員還要利用比例控制法，盡可能的減小誤差，保證運(yùn)行狀態(tài)穩(wěn)定，優(yōu)化控制效果。

（四）安裝智能系統(tǒng)

在連續(xù)可調(diào)恒流的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，工作人員可以引進(jìn)智能系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)恒溫控制系統(tǒng)的智能化運(yùn)行。近兩年，我國單片機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展，被廣泛運(yùn)用于各個(gè)領(lǐng)域中，改變了人們的日常生活。工作人員可以引進(jìn)小型嵌入式單片機(jī)應(yīng)用系統(tǒng)，模擬系統(tǒng)指令，同時(shí)進(jìn)行多種運(yùn)算，提高處理效率。工作人員還要利用單片機(jī)系統(tǒng)的集成性能，設(shè)計(jì)安裝精密比較器、USART 模塊、A/D 轉(zhuǎn)換模塊、看門狗定時(shí)器、大容量存儲(chǔ)器等，促使單片機(jī)能夠充分滿足控制系統(tǒng)的運(yùn)行需求。

（五）設(shè)計(jì)抗干擾功能

在連續(xù)可調(diào)恒流的半導(dǎo)體激光器恒溫控制系統(tǒng)的應(yīng)用過程中，還要在系統(tǒng)中融入抗干擾功能，有效降低半導(dǎo)體激光器的運(yùn)行波動(dòng)，提高整體性能。若半導(dǎo)體激光器的CPU 受到干擾，則會(huì)收到錯(cuò)誤的數(shù)據(jù)，促使運(yùn)算結(jié)果產(chǎn)生偏差，形成一系列的運(yùn)行指令錯(cuò)誤，不利于維護(hù)激光器運(yùn)行穩(wěn)定性。因此，工作人員可以適當(dāng)引進(jìn)指令冗余法與軟件陷阱法，還可以利用上述文章中提到的“看門狗技術(shù)”；其中指令冗余法就是設(shè)置單字節(jié)指令，或者重復(fù)書寫單字節(jié)指令，從而降低錯(cuò)誤幾率；軟件陷阱就是指在非程序區(qū)域設(shè)置一段攔截指令，促使程度能夠在運(yùn)行錯(cuò)誤時(shí)進(jìn)入陷阱。

結(jié)語

綜上所述，工作人員要想提高半導(dǎo)體激光器的整體運(yùn)行水平，提高其運(yùn)行效率，充分發(fā)揮其應(yīng)用價(jià)值，就要優(yōu)化設(shè)計(jì)控制器，重點(diǎn)進(jìn)行激光驅(qū)動(dòng)與恒溫控制設(shè)計(jì)，從而維護(hù)半導(dǎo)體激光器的穩(wěn)定、可靠運(yùn)行。在實(shí)際設(shè)計(jì)與運(yùn)用過程中，工作人員要把握半導(dǎo)體激光器的溫度特征；還要結(jié)合實(shí)際情況，選擇并且安裝相應(yīng)的傳感器與智能系統(tǒng)；安裝抗干擾設(shè)備，以此強(qiáng)化半導(dǎo)體激光器的綜合性能。