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LD泵浦NPRO单频激光器的精密温控系统

2014-02-21 15:02
水墨黯月
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  文本根据高稳定性半导体激光(LD)泵浦单块非平面环形腔(NPRO)单频激光器对于功率稳定性和频率稳定性的要求,设计并研制了一套高精度的精密温控系统。该系统基于模拟比例积分微分(PID)控制原理,采用程控调节P和PI的方式通过对半导体制冷器(TEC)的驱动控制实现在-10---+70℃范围内对LD和NPRO单块晶体温度的精确控制,控温精度达±0.01℃。采用该温控系统的LD泵浦1645nm NPRO单频激光器,30min内相对波长稳定性达8.32*10-2。

  高稳定性的单频激光器在激光测量光学频标和激光雷达等领域都有重要的应用。LD泵浦单块NPRO激光器是产生高稳定性单频输出的重要方法之一。在LD泵浦单块NPRO激光器中泵浦源LD和激光晶体都需要有高精度的温控系统。一般LD温度漂移系数约为0.3nm/℃温度的抖动极易引起其输出波长的变化,而单块NPRO的吸收谱线很窄,LD泵浦波长的偏移将破坏其单频特性和功率稳定性。同时,NPRO单块自身温度的起伏也会影响输出的单频激光的频率稳定性。因此,高精度温控系统的设计和应用是保证LD泵浦NPRO激光器稳定性的关键。

  针对上述要求,本文设计了一套基于模拟PID控制原理的精密温控系统系统.采用程控调节P和PI的方式通过TEC的驱动控制实现-10---+70℃在范围内对LD和NPRO单块温度的精确控制控,温精度达±0.01℃.采用该温控系统的LD泵浦1645nmNPRO激光器,30min内相对波长稳定性达8.32*10-7。

  1、高精度温控系统设计

  目前,精密温控系统通常采用PID控制算法,通过放大温度设定值与测量值的误差信号获得相应的调节量,反馈控制并驱动TEC制冷或加热,实现对负载温度的精确控制。具体电路实现方案主要包括模拟控制,数字控制和专用芯片控制等。其中,数字控制和专用芯片控制电路集成化程度高、结构简单,但控制精度和负载能力较差;模拟控制元件分立、电路复杂,但输出线性度与控制精度高,负载能力强。根据系统高精度、大负载能力的要求,本设计采用模拟PID控制技术,通过程控调节P和PI优化PI参数设置,在-10---+70℃范围内,实现对LD和NPRO单块±0.01℃的控温精度。

图1 高精度温控系统电路原理图

  高精度温控系统电路原理如图1所示。该系统由精密温度检测转换电路(I)、差分运放电路(II)、PI反馈补偿电路(III)和TEC驱动电路(IV)组成。其基本工作原理为:精密温度转换电路实时采集负载的温度信息,并将其转换为电压信号;该信号与温度设定电压信号通过差分运放电路产生误差信号;误差信号输入PI反馈补偿电路,产生相应调节信号调节控制信号通过TEC驱动电路改变TEC控制电流的大小和方向,最终实现温度的精确调节和控制。

  1.1、精密温度检测转换电路

  温度检测和转换精度是温控系统精度的前提,高精度温度检测转换电路是温控电路设计的关键环节。热敏电阻和热电偶是常用的温度传感元件,热敏电阻在灵敏度和线性度等方面均优于后者。设计电路采用高精度10kΩ负温度系数热敏电阻为温度传感器,结合100μA精密恒流源,实现温度实时检测和电压转换。电路原理如图1(I)所示。

  运算放大器U1、场效应管J1、稳压管D和电阻R1--R7共同构成了高精度恒流源电路。若稳压管D两端电压为Vd,则恒流源电流可表示为

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

  通过调整R1、Rt、R3的阻值即可获得100μA的恒流输出。恒流源电流流过热敏电阻,输出电压值随着电阻阻值的变化而变化,从而实现温度向电压信号的转换。该信号通过电压跟随器U2后分两路输出:一路至A/D采样器,并通过单片机和液晶显示装置实时显示负载温度值;一路至差分运放电路,产生误差信号。

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