半导体激光器热电控制技术研究

论文摘要

半导体激光器是一种新型的激光光源。它具有体积小,结构简单、耗能低、寿命长和易调制等特点,已在国防军事、通信、医学,工业计量等领域中得到了广泛应用。但是,在工作过程中时刻伴随着热量的产生,半导体激光器温度的升高会造成输出波长、阈值电流及输出功率等的变化,严重影响其工作性能及使用寿命。本文针对此问题设计了一种基于DSP的高精度温度控制系统,保证了半导体激光器工作性能的稳定。本文所作的主要工作内容如下:设计了基于DSP的高精度的温度采集及控制系统。系统分为温度测量单元、微处理器单元和温度控制单元。测温单元以A级精度的Pt1000铂电阻为温度传感器,同时采用三线制电桥、多倍高精度运放、精密电阻实现了温度的高精度和高分辨率的检测。微处理其单元以高速处理器件DSP为核心,结合16位高精度A/D与D/A转换器件实现了温度信号的高精度采集及控制信号的高精度输出。温度控制单元由热电致冷器及专业控制芯片MAX1968组成,结合控制微处理器提供的控制电压信号,可根据环境温度对半导体激光二级管进行高效率双向温度控制。分析了半导体激光二极管控温系统的特点,设计了基于模糊自适应算法为基础的控制模型,在一般PID控制系统的基础上,加上一个模糊控制环节,利用模糊控制规则在线对PID参数进行修改,不但具有模糊控制灵活而适应性强的优点,还具有PID控制精度高的优点。在上述控制系统和控制算法的基础上,设计了一个小型的恒温阱,对激光器的工作环境进行密封保温处理,并针对激光二级管进行了实验验证及数据分析。实验证明本文所设计的基于DSP的高精度半导体激光器热电控制系统,对激光二极管的温度控制具有良好的效果,精度可达到±0.1℃有效地抑制了温度漂移对激光器工作性能参数的影响,具有实际的应用价值。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 绪论
• 1.1 课题研究的目的和意义
• 1.2 半导体激光器热电控制技术研究与应用现状
• 1.2.1 热敏电阻阻值测量与线性化
• 1.2.2 热电控制算法设计方法
• 1.2.3 半导体热电控制器研究现状
• 1.3 主要研究内容
• 第2章 热电控制系统原理及方案设计
• 2.1 引言
• 2.2 测控系统确定及原理
• 2.2.1 常见的温度控制系统分析
• 2.2.2 温度传感器的比较与选择
• 2.2.3 热电制冷器的工作原理
• 2.2.4 热电控制系统结构方案
• 2.3 本章小结
• 第3章 半导体激光器热电控制系统硬件设计
• 3.1 引言
• 3.2 基于DSP 的数据采集及控制电路
• 3.2.1 DSP 数字控制器
• 3.2.2 温度检测电路的实现与数据采集
• 3.2.3 TEC 驱动单元
• 3.2.4 系统状态输出
• 3.3 温控结构设计
• 3.4 本章小结
• 第4章 半导体激光器热电控制系统控制算法
• 4.1 引言
• 4.2 PID 控制技术
• 4.2.1 连续式PID 控制
• 4.2.2 数字式PID 控制
• 4.2.3 PID 参数初始值的设定
• 4.3 模糊控制技术
• 4.3.1 模糊控制系统结构
• 4.3.2 模糊控制器结构
• 4.4 模糊自适应PID 控制技术
• 4.4.1 输入量模糊化
• 4.4.2 模糊规则与模糊推理
• 4.4.3 解模糊化输出
• 4.5 仿真算法流程
• 4.6 恒温阱数学模型的建立
• 4.7 本章小结
• 第5章 实验及误差分析
• 5.1 引言
• 5.2 温度测量特性拟合
• 5.3 温度控制实验
• 5.3.1 半导体激光器温度干扰测试
• 5.3.2 制冷器温度调节范围测试
• 5.4 半导体激光器温度动态控制实验
• 5.4.1 25℃PID 算法温度控制实验
• 5.4.2 25℃模糊PID 算法温度控制实验
• 5.4.3 优化算法实验效果分析
• 5.4.4 多温度点温度控制实验
• 5.5 本章小结
• 结论
• 参考文献
• 致谢