LD泵浦NPRO單頻雷射器的精密溫控系統

2020-11-23 OFweek維科網

　　文本根據高穩定性半導體雷射（LD）泵浦單塊非平面環形腔（NPRO）單頻雷射器對於功率穩定性和頻率穩定性的要求，設計並研製了一套高精度的精密溫控系統。該系統基於模擬比例積分微分（PID）控制原理，採用程控調節P和PI的方式通過對半導體製冷器（TEC）的驅動控制實現在-10---+70℃範圍內對LD和NPRO單塊晶體溫度的精確控制，控溫精度達±0.01℃。採用該溫控系統的LD泵浦1645nm NPRO單頻雷射器，30min內相對波長穩定性達8.32*10-2。

　　高穩定性的單頻雷射器在雷射測量光學頻標和雷射雷達等領域都有重要的應用。LD泵浦單塊NPRO雷射器是產生高穩定性單頻輸出的重要方法之一。在LD泵浦單塊NPRO雷射器中泵浦源LD和雷射晶體都需要有高精度的溫控系統。一般LD溫度漂移係數約為0.3nm/℃溫度的抖動極易引起其輸出波長的變化，而單塊NPRO的吸收譜線很窄，LD泵浦波長的偏移將破壞其單頻特性和功率穩定性。同時，NPRO單塊自身溫度的起伏也會影響輸出的單頻雷射的頻率穩定性。因此，高精度溫控系統的設計和應用是保證LD泵浦NPRO雷射器穩定性的關鍵。

　　針對上述要求，本文設計了一套基於模擬PID控制原理的精密溫控系統系統.採用程控調節P和PI的方式通過TEC的驅動控制實現-10---+70℃在範圍內對LD和NPRO單塊溫度的精確控制控，溫精度達±0.01℃.採用該溫控系統的LD泵浦1645nmNPRO雷射器，30min內相對波長穩定性達8.32*10-7。

　　1、高精度溫控系統設計

　　目前，精密溫控系統通常採用PID控制算法，通過放大溫度設定值與測量值的誤差信號獲得相應的調節量，反饋控制並驅動TEC製冷或加熱，實現對負載溫度的精確控制。具體電路實現方案主要包括模擬控制，數字控制和專用晶片控制等。其中，數字控制和專用晶片控制電路集成化程度高、結構簡單，但控制精度和負載能力較差；模擬控制元件分立、電路複雜，但輸出線性度與控制精度高，負載能力強。根據系統高精度、大負載能力的要求，本設計採用模擬PID控制技術，通過程控調節P和PI優化PI參數設置，在-10---+70℃範圍內，實現對LD和NPRO單塊±0.01℃的控溫精度。

圖1 高精度溫控系統電路原理圖

　　高精度溫控系統電路原理如圖1所示。該系統由精密溫度檢測轉換電路（I）、差分運放電路（II）、PI反饋補償電路（III)和TEC驅動電路（IV）組成。其基本工作原理為：精密溫度轉換電路實時採集負載的溫度信息，並將其轉換為電壓信號；該信號與溫度設定電壓信號通過差分運放電路產生誤差信號；誤差信號輸入PI反饋補償電路，產生相應調節信號調節控制信號通過TEC驅動電路改變TEC控制電流的大小和方向，最終實現溫度的精確調節和控制。

　　1.1、精密溫度檢測轉換電路

　　溫度檢測和轉換精度是溫控系統精度的前提，高精度溫度檢測轉換電路是溫控電路設計的關鍵環節。熱敏電阻和熱電偶是常用的溫度傳感元件，熱敏電阻在靈敏度和線性度等方面均優於後者。設計電路採用高精度10kΩ負溫度係數熱敏電阻為溫度傳感器，結合100μA精密恆流源，實現溫度實時檢測和電壓轉換。電路原理如圖1（I）所示。

　　運算放大器U1、場效應管J1、穩壓管D和電阻R1--R7共同構成了高精度恆流源電路。若穩壓管D兩端電壓為Vd，則恆流源電流可表示為

I = Vd * R1 / (R1 + Rt)R3

　　通過調整R1、Rt、R3的阻值即可獲得100μA的恆流輸出。恆流源電流流過熱敏電阻，輸出電壓值隨著電阻阻值的變化而變化，從而實現溫度向電壓信號的轉換。該信號通過電壓跟隨器U2後分兩路輸出：一路至A/D採樣器，並通過單片機和液晶顯示裝置實時顯示負載溫度值；一路至差分運放電路，產生誤差信號。

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