基于微型壓縮機(jī)的高精度紫外激光器溫控研究

熊偉國,朱元成,2

(1.深圳市酷凌時(shí)代科技有限公司,廣東 深圳 518000;2.清華大學(xué)深圳國際研究生院,廣東 深圳 518000)

1 全固態(tài)紫外激光器及其發(fā)展

自1961年梅曼[1]發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器以來,經(jīng)過半個(gè)多世紀(jì)的研究和探索,激光技術(shù)取得了迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、測(cè)量、通信、醫(yī)學(xué)、軍事以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)輸出波長(zhǎng)的不同,激光器可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等[2]。

其中,紫外激光器是指輸出波長(zhǎng)不大于400 nm的激光器,其波長(zhǎng)短、能量集中、分辨率高,根據(jù)泵浦方式不同可分為以下幾種:氣體激光器、準(zhǔn)分子激光器、半導(dǎo)體激光器、燈泵浦的固體激光器和LD泵浦的固體激光器等。其中,LD泵浦的固體激光器也叫全固態(tài)激光器。二十世紀(jì)主要使用的紫外激光器為氣體激光器和準(zhǔn)分子激光器,都存在體積大、效率低、可靠性有限、壽命短、成本高等問題[3]。

全固態(tài)紫外激光器采用激光二極管(LD)作為泵浦,利用激光晶體產(chǎn)生1 μm左右的紅外光,然后經(jīng)非線性光學(xué)晶體的倍頻或和頻效應(yīng)得到紫外激光。國外關(guān)于全固態(tài)紫外激光器的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代。1995年,日本Sony公司的Oka M[4]等人通過KTP倍頻和BBO四倍頻得到了1.5 W的266 nm連續(xù)Nd∶YAG紫外激光。隨后,各國都進(jìn)行了大量研究,先后制造出了功率為12 W[5]至160 W[6]全固態(tài)紫外激光器。國內(nèi)關(guān)于全固態(tài)紫外激光器的研究起步較晚,水平相對(duì)落后。1999年,西安光機(jī)所的陳國夫[7]等人利用BBO晶體獲得了266 nm的紫外激光輸出,這是國內(nèi)首次報(bào)道的全固態(tài)紫外激光器。此后,我國的紫外激光技術(shù)也進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)期。

全固態(tài)紫外激光器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長(zhǎng)、光束質(zhì)量好以及成本低等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)、通訊以及微加工領(lǐng)域。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面,可以利用紫外激光對(duì)大氣對(duì)流層的底層水汽含量和O3濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)[8-9],也可以對(duì)空氣中氣溶膠的分布進(jìn)行測(cè)定[10]；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,臨床上可以利用紫外激光的高能量特性直接打斷組織細(xì)胞之間的分子鍵,從而避免組織熱損傷[11]；在通訊領(lǐng)域,紫外激光通訊具有低竊聽率、高干擾性及非視距等優(yōu)點(diǎn)[12]；在加工領(lǐng)域,由于紫外激光在加工過程中直接破壞化學(xué)鍵的冷加工特性,因此能夠?qū)崿F(xiàn)精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工[13]。近年來,隨著深紫外及真空紫外技術(shù)的興起,全固態(tài)紫外激光器的應(yīng)用越來越廣泛[14]。

2 全固態(tài)紫外激光器溫度控制現(xiàn)狀

全固態(tài)紫外激光器的整體效率較低,在LD抽運(yùn)及倍頻、和頻過程中都會(huì)產(chǎn)生大量熱量。產(chǎn)生的熱量若不及時(shí)釋放,就會(huì)使激光器溫度升高。溫度對(duì)固態(tài)紫外激光器的性能影響很大,主要影響LD泵浦和非線性晶體。溫度變化會(huì)引起LD輸出功率不穩(wěn)定,當(dāng)溫度升高時(shí),LD輸出功率隨之增大[15]。溫度不穩(wěn)甚至?xí)l(fā)LD模式跳躍現(xiàn)象。同時(shí),溫度變化還會(huì)使激光晶體的折射率、形狀和體積發(fā)生變化,從而引起LD輸出波長(zhǎng)的變化,其波長(zhǎng)隨溫度的漂移為(0.3～0.4)nm/℃。紫外激光的波長(zhǎng)本來就較短,少量的漂移都會(huì)引起出光性能的大幅改變。非線性光學(xué)晶體在諧波過程中也會(huì)吸收基波能量,會(huì)引起晶體通光方向上的局域升溫[16]。溫度上升會(huì)使非線性光學(xué)晶體的折射率發(fā)生變化,輸出光束質(zhì)量和倍頻效率都會(huì)降低。

全固態(tài)紫外激光器的產(chǎn)熱大,且其性能對(duì)溫度很敏感,因此,如果及時(shí)散出激光器產(chǎn)生的熱量并維持其溫度的穩(wěn)定性就成了激光行業(yè)中必須要解決的問題。傳統(tǒng)的風(fēng)扇散熱效率低且可控性差,不適合作為全固態(tài)紫外激光器的散熱方式。目前常用的方法主要有TEC制冷片散熱和水冷散熱。采用PID控制的TEC散熱方式已經(jīng)可以做到溫控精度±0.01 ℃[17],但是TEC普遍效率很低且穩(wěn)定性差,很難大規(guī)模應(yīng)用。傳統(tǒng)水冷散熱一般都要借助于用蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)制成的冷水機(jī),溫度精度控制通過熱氣旁通的方法來實(shí)現(xiàn)。在熱氣旁通閥切換的過程中,壓縮機(jī)系統(tǒng)的制冷或制熱都會(huì)有一定的過沖,因此冷水機(jī)很難做到很高的精度。要做到高精度,就必須采用很大的水箱,利用水的熱容來吸收熱量或冷量的過沖,這種冷水機(jī)體積大、成本高。

本文采用變頻蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)和電熱耦合的方式,利用水冷系統(tǒng),對(duì)全固態(tài)紫外激光器的溫度控制方法進(jìn)行了研究。

3 溫度控制原理

全固態(tài)紫外激光器的溫度控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of control system

激光器放置在熱沉上,其產(chǎn)生的熱量通過接觸傳導(dǎo)至熱沉。熱沉內(nèi)部有水通道,與水泵、水箱、換熱器構(gòu)成水循環(huán)。換熱器中有2組通道,一組為水通道,一組為冷媒通道,冷媒通道與壓縮機(jī)、冷凝器、節(jié)流閥組成制冷系統(tǒng)。水將熱沉吸收的激光器的熱量傳送至換熱器,冷媒和水在換熱器中進(jìn)行間壁式熱交換,并最終將熱量傳送至冷凝器,冷凝器在風(fēng)扇的作用下將熱量釋放到環(huán)境中去。通過這種方式,就實(shí)現(xiàn)了激光器的散熱。圖中的壓縮機(jī)為直流變頻壓縮機(jī),需要借助驅(qū)動(dòng)器將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電之后才能工作。

對(duì)于固定的系統(tǒng)來說,只需要保持水溫的穩(wěn)定,就能確保激光器溫度的穩(wěn)定。水的冷卻通過上述的制冷系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn),水的加熱可以通過布置在水箱內(nèi)部的電熱管來實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器將感應(yīng)到的水溫信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后反饋給單片機(jī)(MCU),單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前實(shí)際水溫和所需目標(biāo)溫度的關(guān)系,通過輸出電路來控制壓縮機(jī)和電熱管的工作,以實(shí)現(xiàn)水溫的穩(wěn)定。在控制模塊中,還設(shè)置有顯示屏和觸摸感應(yīng)電路,可實(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。使用者可以通過控制模塊實(shí)時(shí)觀察到水溫以及溫度控制系統(tǒng)的工作情況,也能根據(jù)需要設(shè)定目標(biāo)溫度。

4 硬件選型與功能實(shí)現(xiàn)

4.1 制冷系統(tǒng)

蒸氣壓縮式制冷是目前效率最高的制冷方式。常規(guī)的交流壓縮機(jī)只能通過啟?；驘釟馀酝ǖ姆绞絹砜刂葡到y(tǒng)的制冷量或加熱量,可控性差且精度不高。本文采用直流變頻壓縮機(jī),體積小、重量輕、效率高,最重要的是能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無極變速,轉(zhuǎn)速越高,制冷量越大,因此系統(tǒng)的制冷量十分可控。選定的壓縮機(jī)型號(hào)為CS-MCQ-19241100(圖2),該壓縮機(jī)重量約850 g,直徑56 mm,其制冷量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。

圖2 壓縮機(jī)CS-MCQ-19241100Fig.2 Compressor CS-MCQ-19241100

圖3 壓縮機(jī)制冷量曲線Fig.3 Refrigerating capacity of compressor CS-MCQ-19241100

從圖3可以看出,壓縮機(jī)制冷量隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。控制模塊通過內(nèi)部程序計(jì)算出壓縮機(jī)當(dāng)前所需轉(zhuǎn)速,通過D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào),再降該模擬信號(hào)傳輸給壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)節(jié)其輸出的交流電頻率,這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

冷凝器、換熱器等都選用常用的高效率類型,節(jié)流閥可選用毛細(xì)管,這樣就制成了完整的制冷系統(tǒng)。

4.2 加熱裝置

由于壓縮機(jī)屬于機(jī)械裝置,控制程序?qū)ζ涞霓D(zhuǎn)速指令都需要一定的響應(yīng)時(shí)間才能體現(xiàn)到制冷量上。對(duì)于水箱較小的水冷系統(tǒng),在熱容不大的情況下,對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)雖然可以將水溫控制在很小的范圍之內(nèi),但還是有可能存在波動(dòng),需要通過加熱裝置對(duì)水溫進(jìn)行精調(diào)。另外,激光器的工作并不是一直穩(wěn)定的,甚至有時(shí)候不工作,這時(shí)溫度控制系統(tǒng)是處于空載待機(jī)狀態(tài),即使將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到最低,水溫還是會(huì)一直下降至目標(biāo)溫度以下,關(guān)閉壓縮機(jī)將會(huì)引起水溫更大的波動(dòng)。

水箱中內(nèi)置的電熱管能完美解決上述問題。在中空的不銹鋼管內(nèi)部布置螺旋狀的電阻絲,空隙中填充高溫氧化鎂。電阻絲通電后發(fā)熱,熱量通過氧化鎂陶瓷均勻地傳導(dǎo)至電熱管表面。將電熱管浸沒在水中,這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)水的加熱。通過對(duì)電熱管的輸入電壓進(jìn)行PWM調(diào)節(jié),可以對(duì)其發(fā)熱功率實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

4.3 溫度信號(hào)的采集

全固態(tài)紫外激光器的最佳工作溫度一般在(20～30)℃之間,實(shí)際測(cè)量水溫在(0～40)℃范圍內(nèi)。該溫度區(qū)間屬于常溫范圍,大部分的溫度傳感器都能滿足要求。高溫控精度需要溫度傳感器在此區(qū)間內(nèi)有高精度、較大的溫度系數(shù)和較好的線性度。本文選用三線制的不銹鋼封裝的Pt100溫度傳感器,其內(nèi)部由很細(xì)的鉑絲繞在云母支架上制成。Pt100的電阻隨溫度而變化,在0 ℃時(shí)阻值為100 Ω,在常溫區(qū)間內(nèi)具有很好的線性度。在Pt100兩端加上一個(gè)恒流源,溫度采樣電路在其兩端測(cè)出電壓差,從而就能得到其電阻,然后再根據(jù)Pt100自身的電阻特性線性插值得到其探測(cè)到的溫度。三線制的使用可以排除線上電阻的影響,從而更精確地得到實(shí)際溫度。將Pt100浸入水箱中,就能實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫,檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給MCU進(jìn)行分析和處理。

4.4 PID控制系統(tǒng)

系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電熱管開關(guān)的PWM參數(shù),控制制冷量和加熱量,最終使水溫達(dá)到穩(wěn)定。由于激光器的工作并不是穩(wěn)定的,且環(huán)境因素的不確定性對(duì)制冷系統(tǒng)的影響很大,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來確定,因此無法用一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來控制系統(tǒng)的工作。PID算法簡(jiǎn)單、魯棒性好、可靠性高,是最適合本系統(tǒng)的控制策略之一,它根據(jù)系統(tǒng)的誤差,計(jì)算出比例、積分、微分控制量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作。PID的工作流程如圖4所示,在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi),系統(tǒng)先對(duì)水溫誤差進(jìn)行計(jì)算,再對(duì)誤差進(jìn)行PID計(jì)算,然后得出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電熱管功率的調(diào)節(jié)量。如此反復(fù)進(jìn)行,直至溫度誤差控制在精度要求范圍內(nèi),此時(shí)水溫達(dá)到穩(wěn)定。P、I、D參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響很大,工程上一般依靠經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合試驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行整定。本文采用臨界比例度法進(jìn)行PID參數(shù)整定。

圖4 PID流程Fig.4 Flow chart of PID

5 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)控制流程如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)剛開機(jī)時(shí),若水溫高于目標(biāo)溫度1 ℃以上,則開啟制冷系統(tǒng),使壓縮機(jī)全速運(yùn)行,將水溫快速降低；若水溫低于目標(biāo)溫度1 ℃以上,則滿功率開啟電熱管,使水溫快速升高。當(dāng)水溫進(jìn)入目標(biāo)溫度±1 ℃范圍后,采用PID算法對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電熱管功率進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)控,最終使水溫穩(wěn)定。

圖5 系統(tǒng)控制流程Fig.5 Flow chart of system control

PID算法控制精度高,但需要較長(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)間。本文所采用的控制策略,先將水溫快速控制在目標(biāo)溫度附近,再用PID算法進(jìn)行精調(diào),大大縮短了穩(wěn)定時(shí)間。

6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

對(duì)某型號(hào)10 W紫外激光器進(jìn)行了溫控試驗(yàn)。采用了前文所述的制冷系統(tǒng)、電熱器件等功能單元及控制算法,系統(tǒng)循環(huán)水量?jī)H1 L。設(shè)定目標(biāo)溫度為25 ℃,激光器和溫控系統(tǒng)同時(shí)開啟,圖6記錄了系統(tǒng)從開機(jī)到穩(wěn)定的水溫變化全過程。

圖6 溫度控制系統(tǒng)響應(yīng)圖Fig.6 Response graph of temperature control system

從圖中可以看出,系統(tǒng)穩(wěn)定時(shí)間較短,僅6 min。穩(wěn)定后,水溫維持在(25±0.01)℃,這說明此溫控系統(tǒng)的精度可以達(dá)到了0.01 ℃。水溫穩(wěn)定后,激光器工作溫度也是穩(wěn)定的。

7 結(jié) 語

溫度對(duì)全固態(tài)紫外激光器的輸出特性起著至關(guān)重要的作用,本文針對(duì)該激光器設(shè)計(jì)了一種基于微型直流壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)和電熱補(bǔ)償相耦合的溫度控制方法。通過對(duì)微型直流變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和輔助電熱設(shè)備的功率進(jìn)行控制,實(shí)現(xiàn)對(duì)激光器冷卻系統(tǒng)水溫的精確調(diào)控。用該方法采用微型變頻壓縮機(jī)制冷技術(shù),制成的溫控系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,系統(tǒng)響應(yīng)速度快,穩(wěn)定時(shí)間短,且溫控精度很高,能達(dá)到0.01 ℃。

與常規(guī)冷水機(jī)相比,該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、制冷精度高的突出優(yōu)勢(shì),同時(shí)因系統(tǒng)內(nèi)部使用的壓縮機(jī)為直流壓縮機(jī),非常適合冷卻系統(tǒng)匹配不同國家的電源制式,其通用性更強(qiáng)。與TEC電子制冷相比,壓縮機(jī)系統(tǒng)制冷能力更大,能效比更高,在長(zhǎng)期持續(xù)使用中能大大降低用戶的能耗,降低使用成本。同時(shí)機(jī)器內(nèi)部自帶加熱控制,可在冬季初始使用時(shí)快速預(yù)熱。目前該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本隨著微型壓縮機(jī)成本的降低也已經(jīng)可以和TEC制冷或同制冷量級(jí)別的壓縮機(jī)想抗衡。隨著紫外激光器在打標(biāo)、精密切割等行業(yè)的大量應(yīng)用,該方法兼具體積小、重量輕、精度好、能效高、成本低等諸多優(yōu)勢(shì),具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。