專利名稱：基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種半導體激光裝置，尤其涉及一種基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統。
背景技術：
半導體激光器(LD)由于具有體積小、重量輕、效率高等眾多優點，誕生伊始一直是激光領域的關注焦點，廣泛應用于光譜技術、光外差探測、光纖通信、高功率固體激光泵浦、醫療、加工等眾多領域。國內外已經有很多LD系統現控制方法，我們也已研制出數字式控制的LD系統，但是都很少涉及到溫度和功率的解耦控制。實際上LD的溫度和輸出光功率存在耦合影響，溫度升高導致外分子效率降低，輸出光功率降低，同時閾值電流增加，熱耗散功率升高，導致溫度升高，LD系統耦合模型如
圖1所示。溫度的變化引起輸出光功率的起伏，會影響半導體激光的使用性能，例如激光雷達在接收端會產生虛假目標導致雷達的虛警概率增加，在醫療中導致手術失敗，在光通信中會導致信號失真，在激光刻錄、讀取信息時會導致操作錯誤等等。為此，人們付出很大的努力來研制高精密LD系統。而溫度一功率解耦控制是優化半導體激光輸出特性的一種有效手段，因此有必要對其進行研究。圖1中ITEC(S)，Ild(S)分別為TEC和LD電流的給定值；T(S)，P(S)分別為被控量的溫度和功率A (s)，C2 (s)分別為溫度和光功率的PID調節器；G11 (s)，G21 (s)分別為TEC 輸入電流對溫度和光功率的傳遞函數；G12(S) A22(S)分別是LD輸入電流對溫度和光功率的傳遞函數。由此可以看出，LD溫度和光功率的耦合作用通過參數(}21(S) ,G12(S)來表示。其耦合關系可用如下矩陣方程表示
權利要求
1.一種基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統，其特征在于由DSP數字信號處理器、溫度傳感器、光傳感器、A/D轉換器、D/A轉換器、LD驅動電路及TEC驅動電路構成； LD驅動電源通電后系統自動復位，通過軟件設定功率值，DSP數字信號處理器將此數值通過外擴DAC引腳加載到D/A轉換器的輸入端，經過數模轉換后的信號提供給LD驅動電路， 經過LD驅動電路的信號使半導體激光器正常工作，從而獲得所需的功率輸出，LD功率信號經過光傳感器、A/D轉換器的采樣和模數轉換后反饋至DSP的ADC引腳，實時計算后送入 DSP數字信號處理器中，然后對輸出控制量進行控制，以實現LD的功率控制；通過軟件設定溫度值，DSP通過PWMl引腳產生脈沖寬度調制信號PWM，經過TEC驅動電路后，使半導體激光器穩定工作，從而獲得所需的溫度信號，采用溫度傳感器對半導體激光器的溫度采樣，將溫度通過DSP數字信號處理器GPIOAO端輸入給DSP，經過算法處理，通過控制輸出PWM占空比驅動TEC驅動電路工作，通過TEC和散熱裝置使得系統始終工作在設定的溫度附近。
2.根據權利要求1所述的基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統，其特征在于 建立LD的溫度一功率耦合模型，模型如下
3.根據權利要求1或2所述的基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統，其特征在于LD驅動電路由第一運算放大器、第二運算放大器、第一三極管、調整管、第一電阻、第二電阻及電容、電感和半導體激光器構成；D/A轉換器輸出端接第一運算放大器輸入端，A/D 轉換器輸出端連接第一運算放大器另一輸入端及第二運算放大器輸出端，第一運算放大器的輸出端連接第一三極管基極，第一三極管發射極與調整管基極相連，第一電阻跨接于第一三極管的集電極及電源VCC間，調整管發射極串接第一電容和第一電感的并聯支路后接至半導體激光器，調整管發射同時第二運算放大器輸入端且串聯第二電阻后接至地，第二運算放大器的另一輸入端接地。
4.根據權利要求1或2所述的基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統，其特征在于TEC驅動電路由光耦隔離器、第三電阻、第一電壓比較器、第二電壓比較器、第三至第六三極管、第一 N溝道增強型MOS管、第二 N溝道增強型MOS管、第一 P溝道增強型MOS管、 第二 P溝道增強型MOS管、第二電容、第二電感、三電感、半導體制冷器及半導體激光器構成；從DSP數字信號處理器的PWMl引腳輸出的PWM信號接入光耦隔離器的一端，光耦隔離器的另一端與第一電壓比較器的正端、第二電壓比較器的負端共同接地，另一端與第一電壓比較器的負端、電壓比較器U2B的正端通過上拉第三電阻R3接上電壓(VCC);從第一電壓比較器輸出的信號輸入給第三三極管和第四三極管組成的互補對稱電路的基極，第三三極管的集電極接電壓(VCC)，第四三極管的集電極接地，第三三極管的發射極與第四三極管的發射極相連，輸出的信號分別接入第一 N溝道增強型MOS管的G極和第一 P溝道增強型 MOS管的G極，第一 N溝道增強型MOS管的S極接入電壓(VCC)，第一 P溝道增強型MOS管管的D極直接接地，第一 N溝道增強型MOS管管的G極與第一 P溝道增強型MOS管的D極相連，輸出信號進入第二電感；而從第二電壓比較器輸出的信號則輸入給第五三極管和第六三極管組成的互補對稱電路的基極，第五三極管的發射極與第六三極管的發射極相連， 輸出的信號分別接入第二 N溝道增強型MOS管的G極和第二 P溝道增強型MOS管的G極， 第二 N溝道增強型MOS管的S極接入電壓(VCC)，第二 P溝道增強型MOS管管的D極直接接地，第二 N溝道增強型MOS管的G極與第二 P溝道增強型MOS管的D極相連，輸出信號進入第三電感；從第二電感、第三電感的信號經過第二電容的隔離作用下進入半導體制冷器， 來控制半導體激光器的加熱和制冷。
全文摘要
本發明公開了一種基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統，由DSP數字信號處理器、溫度傳感器、光傳感器、A/D轉換器、D/A轉換器、LD驅動電路及TEC驅動電路構成。通過軟件設定功率值，DSP數字信號處理器將此數值加載到D/A轉換器，經過數模轉換后的信號提供給LD驅動電路，經過LD驅動電路的信號使半導體激光器正常工作，LD功率信號經過光傳感器、A/D轉換器的采樣和模數轉換后反饋至DSP，實時計算后送入DSP，然后對輸出控制量進行控制。本發明實現了半導體激光輸出功率、波長等參數的穩定、準確控制；實現了系統對半導體激光器的可靠自動保護。該系統體積小，性能價格比高，適應性好，系統更加精確、穩定和可靠。
文檔編號H01S5/06GK102306904SQ201110221400
公開日2012年1月4日 申請日期2011年8月4日 優先權日2011年8月4日
發明者吳文鳳, 李曉娟, 鄒文棟, 郭斐 申請人:南昌航空大學