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引 言
近年来,随着光电技术的迅猛发展,激光器已广泛应用于医疗、国防、测量等各个领域。而环境温度变化会直接影响激光器的波长。把关键元件(如高性能晶振、SAW滤波器、光放大器、激光二极管) 的本机温度限制在窄范围内,可以提高电子系统的精度。一般需要将温度控制在0. 1 ℃内,激光器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm 内 。文中的设计方案能为大功率半导体激光器提供有效支持,最大电流可达2. 5A。
1 半导体激光控制器的设计
激光控制器由受控恒流源,温度监视及控制电路,主控制器及显示器构成。整体结构原理见图1。
1. 1 受控恒流源：
为了使激光器输出稳定的激光,对流过激光器的电流要求非常严格,供电电路必须是低噪声的稳定的恒流源。恒流源可以从0A～2. 5A 之间连续可调,以适应不同规格的半导体激光器。该恒流源是以大功率的MOS 管为核心,激光器作为负载与之串联,通过控制MOS 管的栅极,来实现对激光器电流的控制。但MOS 管是非线性器件,难以直接控制,因此必须将其转化为线性控制。
如图2 所示,在MOS 管串联一个0. 1Ω 的电阻,用于采样反馈,MOS 管的电流变化范围是0A～2.
5A ,输入控制信号的电压范围是0V～5V ,将采样电阻的电压放大20 倍正好与输入电压匹配。这样控制电压0V～5V 与电流0A～2. 5A 之间建立起线性的对应关系。但由于整个反馈是开环系统,十分容易产生自激,因此在采样电阻连一个1μF 的电容,破坏自激产生条件、消除自激,并且应采用稳定的电源以减小电压波动。
1. 2 温度检测及控制电路
由于温度对激光的品质有很大影响,在电流恒定的情况下,温度每升高1 ℃,激光波长将增加大约0. 1nm ,而且温度过高将导致激光器老化甚至损坏。
并且激光器是一个电灵敏度高、成本昂贵的器件,因此控制器必须提供监控、限制和过载保护的能力 。
包括:自启动和过流保护、热电制冷器(thermoelectriccooler ,TEC) 电压、电流和温度的感测。异常工作电路停机以避免激光器元件损坏。值得注意的是:环境温度的变化对激光器的影响,要求控制器具备制冷和制热的能力。通常为使元件温度保持稳定是将把元件封闭在固定温度的恒温槽内。为了提供某种调整容限,其所选温度应高于所有条件下的环境温度。这种方法曾被广泛采用,特别是用在超稳时钟的设计中(如恒温槽控制的晶振) 。但高温应用此方法有如下缺点 : 性能(如噪声因数,速度和寿命)有所降低;环境温度处于中间范围时调整器消耗加热的功率,在环境温度处于低端时需要两倍大的功率;达到稳定温度所需的时间可能相当长。
目前采用半导体TEC 来实现,因为它可选择调整温度值处在工作温度范围的中间。TEC 可做为热泵或做为热源,这取决于电流方向。某些系统(如冰箱和大功率处理器冷却) 只用TEC 的冷却特性。另一些应用(如晶振和SAW 滤波器) 利用热流的两个模式。并且该控制器是真正双向的,使温度从冷端到热端之间没有死区。TEC 的驱动电路通常采用“H”桥式,由两个互补的达林顿管或MOS 管构成。
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