半导体激光器TEC温控实验
半导体激光器温控方法回顾-光学论文-物理论文
半导体激光器温控方法回顾-光学论文-物理论文——文章均为WORD文档，下载后可直接编辑使用亦可打印——摘要：温度对半导体激光器的工作特性有很大的影响, 所以对于半导体激光器温度控制的精度、响应速度要求都比较高。
虽然人们已经提出了很多控制方法, 并且在个别场合已有应用, 但是要实现精度、更快响应速度的控制还有很多需要解决。
本文对近几年有关半导体激光器温度控制的方法, 及一些改进措施进行了简单的介绍, 以供从事半导体激光器温度控制研究的人员参考。
关键词：温度控制; 半导体激光器; PID控制; 模糊控制;一、引言半导体激光器在各个领域的应用越来越广泛, 具有很好的应用前景。
但是半导体激光器的阈值电流、输出功率和输出光波长都很容易受到温度的影响[1-2], 所以, 半导体激光器的使用一般都伴随着对其温度的控制。
就目前诸文献显示表明, 对半导体激光器的温度控制一般使用的执行器件是半导体制冷器(TEC) [3], 半导体制冷器是一种集制冷与制热于一体的电流驱动温度控制装置。
对于半导体激光器的温度控制就是实现对TEC的精确控制。
二、PID温度控制方法半导体激光器温度控制使用最广泛的控制方法就是PID控制。
PID控制是比例、积分、微分控制的简称。
它是一种线性控制器, 根据给定值和实际输出值构成控制偏差, 将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量, 对被控对象进行控制。
其数学模型可由下式表示[4]:控制系统结构如图1[5]:图1 PID控制结构图文献[6]中选用ADI公司的TEC专用控制器ADN8830和TI公司生产的32位定点DSP芯片TMS320F2812分别做为主控芯片, 来实现对半导体激光器PID温度控制, 并进行了对比。
两种温度控制方法的精度都可达到0.125℃, 但基于TMS320F2812的温控方法达到稳定需要的响应时间是180S, 而基于ADN8830的控制方法80S就能达到平衡状态, 并且该方法体积小、功耗低。
基于半导体制冷片TEC的温度控制器图文稿
基于半导体制冷片TEC的温度控制器图文稿基于半导体制冷片T E C 的温度控制器集团文件版本号：（M928-T898-M248-WU2669-I2896-DQ586-M1988）一、原理半导体制冷片也叫热电制冷片，其原理是Peltier效应，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热，这个效果的产生就是通过热电的原理来实现的。
其实在原理上半导体制冷器只是一个热传递的工具。
其优缺点：1、不需要任何，可连续工作。
2、半导体制冷片具有两种功能，既能制冷，又能加热，制冷效率一般不高，但制热效率很高，永远大于1。
因此使用一个片件就可以代替分立的加热系统和制冷。
3、半导体制冷片是电流换能型片件，通过输入电流的控制，可实现高精度的温度控制，再加上温度检测和控制手段，，便于组成自动控制系统。
4、半导体制冷片热惯性非常小，制冷制热时间很快，在热端散热良好冷端空载的情况下，通电不到一分钟，制冷片就能达到最大温差。
5、半导体制冷片的温差范围，从正温90℃到负温度130℃都可以实现。
二、使用说明：正确的安装、组装方法：1、制冷片一面安装散热片，一面安装导冷系统，安装表面平面度不大于0.03mm，要除去毛刺、污物。
2、制冷片与散热片和导冷块接触良好，接触面须涂有一薄层导热脂。
3、固定制冷片时既要使制冷片受力均匀，又要注意切勿过度，以防止瓷片压裂。
正确的使用条件：1、使用直流电源电压不得超过额定电压，电源波纹系数小于10％。
2、电流不得超过组件的额定电流。
3、制冷片正在工作时不得瞬间通反向(须在5分钟之后)。
4、制冷片内部不得进水。
5、制冷片周围湿度不得超过80％。
三、半导体制冷器的驱动电路设计半导体制冷片根据流过半导体的电流方向和大小来决定其工作状态的（电流的方向决定制冷或者制热，电流的大小决定制冷或者制热的程度和效果）。
为了使半导体制冷片能够自动的进行恒温控制，就必须设计好其驱动电路和控制电路。
半导体制冷器(TEC)的驱动与控制
如何控制和补偿半导体制冷器摘要在很多需要精密温度控制的设备中经常可以看到半导体制冷器。
对温度及其敏感的组件往往与TEC和温度监视器集成到一个单一热工程模块。
半导体制冷器也可以通过翻转电流而制热。
TEC非常小的体积为精密控制单个组件（例如，光纤激光器驱动器，高精度的参考电压或任何温度敏感型设备）的温度提供了可能。
此应用手册简要讨论TEC设计的起源和历史，然后概述了TEC基本操作。
随后又说明了TEC的控制和补偿问题。
该文最后详细分析了TEC控制的优化以及优化方程。
关键字：PID、DWDM、SFF、SFP、光纤、激光模块、热电冷却器，热电偶、TEC，温度控制，热循环热敏电阻简介1821年托马斯·塞贝克发现，两个不同的材料的导体连在一起，并且两个材料各自的温度不同的时候，这个环路内就会有电流流过。
十二年后，皮尔贴（J.C.Peltier）发现了与这一现象相反的效果：通过削减环路中的一个导体，使外部电流流经环路，然后就可以发现两个连接点之间有温度差出现，这一现象后来被称作皮尔贴效应。
由于那时的材料所限，皮尔贴效应中材料之间的温度差有大部分都是大电流流过材料所产生的电阻热。
随着近来材料学的不断进步，这些连接点制热或制冷的效应越加变得实用化，它可以作为热电泵，使用起来和基于氟碳蒸气压缩的制冷方式并没有太大的差别。
虽然TEC仍然不如氟碳蒸发循环设备更加实用，但是它没有移动部件和工作流体，这就为制冷设备小型化提供了可能。
基本工作原理由于皮尔贴效应可以通过电流线性控制，半导体制冷器（TEC）已经在涉及精密温度控制的设备中得到了大量的应用。
温度敏感型器件、TEC、温度传感器被集成到一个单一的模块中。
TEC控制需要一个电平可以翻转的电源以提供正电压和负电压。
要想在单电源设备中做到这一点，那么完全可以使用H桥电路。
线性稳压电源总会有纹波，同时它的效率非常低，需要大体积的元件并且还要做好热隔离防止调整管发出的热量加载到制冷器上。
基于半导体制冷器的激光器温度控制系统
ＶＯ１ ．３１ ＮＯ． ３
Ｊｎ ２ １ ｕ．００
基 于 半 导 体 制 冷 器 的激 光 器 温 度 控 制 系统
王博 钰 ， 贾文超
（ 春 工 业 大 学 电气 与 电 子 工 程 学 院 ，吉 林 长 春 １ ０ １ ） 长 ３０ ２
摘 要 ：采用 ＮＴ Ｃ作 为温 度传 感器 进行 温度 采 集 ， 利用 Ｐ ＷＭ 脉 宽调 制技 术及 Ｐ Ｄ补 偿算 法 Ｉ 实现 温度 调 节 ， 导体 制冷器 作 为控 制终 端 控制 激光器 温 度 。经过 实验 测 试 ， 激 光器 温度 保 半 使
激光 器温 度 检测 电路 主要 完成 对激 光器 温 度
的作 者 简 介 ：王 博 钰 （ ９ １ ） 男 ， 族 ， 林 吉 林 人 ， 春 工 业 大 学 硕 士 研 究 生 ， 要 从 事 数 字 化 检 测 技 术 方 向 研 究 ， — ｉ： １８ 一 ， 汉 吉 长 主 Ｅｍａ ｌ ｗａ ｇ ｏ ｕ ｃ ｓ．ｄ ．ｎ ＊联 系 人 ： 文 超 （ ９ ５ ） 男 ， 族 ， 林 松 原 人 ， 春 工 业 大 学 教 授 ， 士 ， ｎ ｂ ｙ ＠ ｕ ｔｅｕ ｃ ． 贾 １６一 ， 汉 吉 长 博 主要 从 事 电气 工 程 、 达 、 拟 仪 器 等 方 向研 究 ， － ｉｊ ｗｅｃ ａ ＠ ｍａ ．ｃ ｔｅ ｕ ａ ． 雷 虚 Ｅ ｍａｌ ｉ ｎ ｈ ｏ ：ａ ｉ ｃｕ． ｄ ．ｎ ｌ
Ａｂｓ ｒ ｃ ：Ａｓ ｔ ｅ ｅ ｔａ ｔ ｈ ｔ ｍｐｅ ａ ｕ ｅ ｅ ｓ ｒ，ＮＴＣ ｓ ｕｓ ｄ ｔ ｓ ｍｐｌ ｈｅ ｔ ｍ ｐｅ ａ ｕｒ ． Ｔｈｅ ｔ ｍｐｅ ａ ｕｒ ｓ ｒ ｔ ｒ ｓ ｎ ｏ ｉ ｅ ｏ ａ ｅｔ ｅ ｒｔ ｅ ｅ ｒ ｔ ｅ ｉ
基于参数辨识的半导体激光器温度自动控制
基于参数辨识的半导体激光器温度自动控制摘要：以保证半导体激光器的安全稳定运行为目标，提出基于参数辨识的半导体激光器温度自动控制方法。
通过分析温度对半导体激光器的影响及温度控制原理，设计半导体激光器温度控制系统，在该系统支持下利用半导体激光器温度控制数学模型描述其一阶纯滞后性，根据半导体激光器的热传递性获取半导体激光器的离散运行数据，建立半导体激光器参数辨识模型，确定其最佳预估量，并将其输入到PID中，利用遗传算法对PID参数进行实时调节，以满足半导体激光器温度变化量对PID参数的自整定需求，实现半导体激光器温度自动控制的目标。
实验结果表明，该方法可实现半导体激光器温度的快速控制，能够快速达到预期温度，温度波动范围在0.02℃以内，温度控制后的半导体激光器发光光谱波形平稳，能够保证半导体激光器的安全稳定运行。
关键词：参数辨识；半导体激光器；温度自动控制；一阶纯滞后；热传递性；预估量引言随着科技的不断革新与进步，半导体激光器的设计更加精细化，具备了低能效、小体积和轻量化等优势，在信息传输、医疗卫生和工业等领域均有重要用途。
半导体激光器对温度变化具有较强的敏感性，运行温度改变致使半导体激光器内部材料折射率发生变化，进而改变其输出功率及波长。
当半导体激光器运行温度增大，会使其内部结构遭受破坏，降低其使用寿命。
因此，如何对半导体激光器温度进行有效控制具有重要意义。
张安迪等针对半导体激光器温度变化对其正常运行产生的影响，设计了以单片机为主控单元，以热电制冷器、加热器为基础单元的温度控制系统，通过论域可变的E)X控制方法实现其温度的精准控制，但该方法受PID控制参数影响较大，致使温度控制准确度存在一定偏差；程前等根据半导体激光器电流负反馈特性，通过恒流源电路、继电保护电路实现半导体激光器稳定电流控制，并利用温控系统控制完成其温度控制目标，该方法因未解决半导体激光器的一阶纯滞后环节，导致控制后的温度仍在较大范围内变化。
TEC的半导体激光器恒温控制系统设计_孙冬娇
中 图 分 类 号 ：ＴＰ２７１ 文 献 标 识 码 ：Ｂ 文 章 编 号 ：１００１－２２５７（２０１４）０８－００５２－０４ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｈａｓ ａｎ ｉｍ－ ｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｏｎ ｔｈｅ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｑｕａｌｉｔｙ ｏｆ ｔｈｅ ｓｅｍｉ－ ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ．Ｔｈｅ ｐａｐｅｒ ｄｅｓｉｇｎｓ ａｎｄ ｒｅａｌｉｚｅｓ ｔｈｅ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ａｎｄ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ ＳＣＭ． Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｐｕｒｐｏｓｅ ｏｆ ｒｅａｌ－ｔｉｍｅ ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒ ｌａｓｅｒｓ ａｍｂｉｅｎｔ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｍｏｎｉｔｏｒｉｎｇ， ＭＳＰ４３０Ｆ１４９ ｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ ｉｓ ｉｍｐｌｅｍｅｎｔｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ＰＴ１０００ｉｓ ｉｎｓｔａｌｌｅｄ ｔｏ ｒｅａｌｉｚｅ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｏｆ ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ，ａｎｄ ＴＥＣ ｃｏｏｌｉｎｇ ｃｈｉｐ ｉｓ ｕｓｅｄ ｔｏ ａｄｊｕｓｔ ｔｈｅ ｔｅｍｐｅｒａ－ ｔｕｒｅ．Ｉｔ ａｎａｌｙｚｅｓ ｔｈｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅｓ ａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｂａｓｉｓ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｃｉｒｃｕｉｔｓ ｉｎ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ，ｉｔ ａｌｓｏ
很好的重现性和稳 定 性，利 用 铂 的 此 种 物 理 特 性 制 成的传感器称为铂电阻温度传感器。铂电阻温度传 感器精度高，稳定 性 好，应 用 温 度 范 围 广，具 有 良 好 的长期稳定性。通常使用的铂电阻 ＰＴ１０００温度 传 感器 在 工 作 温 度 范 围 内 具 有 良 好 的 线 性 特 征，在 ０ ℃时阻值为１ ０００Ω，１００ ℃时阻值为１ ３８５．１Ω，电 阻变化率为３．８５１Ω／℃ 。 ［５－６］
半导体激光器温度控制研究
等有利因
素， 用其作为干涉测量中的光源， 使得干涉测量系统 。 另一方面， 从图 , 可以看出， -5 的输出功率与 ， 当 -5 内部温度增加时， 输出功率也 随之增加， 而 -5 要在干涉测量领域当中应用， 首要 如果温度不稳 任务是使 -5 的输出功率非常稳定， 则可能会引发模式跳跃现象
,# 引# 言 半导体激光器 （ -5 ） 具有体积小、 重量轻、 输入 电压小、 结构简单、 寿命长、 转换效率高、 功耗低、 结 构简单、 价格低廉、 使用安全、 易于调制 的集成化、 实用化变为可行 温度的关系
［ !］ ［ *］ ［ ,］
作电流 3 4 的关系可知： 阈值电流随温度升高而升 高， 整个激光管的特性曲线基本上随温度的变化而 当环境 平行移动。如果 -5 在恒定的电流下工作， -5 输出的功率将明显改变， 因此， 温度发生变化时， 对 -5 的内部温度进行严格的控制， 有着非常重要 的意义。 *# 温度控制工作原理 半导体激光器恒温控制系统结构如图 * 所示， 该系统由四个部分组成： 制冷及其控制执行机构， 温 度传感器 件 以 及 传 输 部 分， 高精度放大电路以及 @35 控制驱动电路组成。当 -5 工作时发热， 与 -5
［ !］
， 其结果会严重影响
干涉场质量， 因此， 为了使干涉测量达到优良的精 度， 必须对 -5 的内部温度进行严格的控制。另外， 万方数据 由 -5 在不同温度下的激光输出功率 @ 6 与正向工
半导体制冷器TEC的驱动与控制 (一)
半导体制冷器TEC的驱动与控制 (一)半导体制冷器TEC（Thermo-Electric Cooler）是一种利用Peltier效应产生制冷的器件，其主要应用于微电子、激光器、传感器等领域的温度控制。
TEC驱动与控制一直是半导体电子学领域的研究热点之一。
一、TEC驱动方式TEC的驱动方式分为两种：恒定电流驱动和恒定电压驱动。
其中，恒定电流驱动是指在TEC两端加上一个恒定电流，使其产生的热量与冷量相等，达到匀速制冷的效果；恒定电压驱动则是在TEC两端加上一个恒定电压，使其产生的冷量和热量成一定比例，达到不同的温度控制效果。
二、TEC控制方法TEC的控制方法主要分为三类：PID控制、H∞控制和模型预测控制。
其中，PID控制是目前最常用的一种控制方法，其基本原理是通过比较目标温度值与实际温度值之间的偏差，计算出一个控制量，再通过PID 算法进行控制，使温度达到稳定状态。
三、TEC控制参数TEC控制参数包括：电流、电压、温度、功率和效率。
其中，电流和电压的控制可以实现恒定电流和恒定电压的控制方式；温度的控制需要采集温度传感器数据并进行反馈控制；功率和效率则需要根据TEC的工作状态和应用环境来进行动态调整。
四、TEC驱动与控制电路TEC驱动与控制电路主要包括三个部分：TEC驱动模块、温度采集模块以及控制模块。
其中，TEC驱动模块主要实现对TEC的驱动，而温度采集模块则用来采集温度传感器的数据，控制模块则实现了对TEC的PID 控制功能。
五、TEC控制软件TEC控制软件可以实现对TEC的控制参数设置、PID参数调整、温度采集和数据分析等一系列功能。
此外，软件还可以根据用户的需求，实现定时控制、手动控制和自动控制等功能，为用户操作提供更加便利的选择。
总之，TEC驱动与控制是半导体电子学领域的研究热点，通过对TEC控制参数的实时调整，可以使TEC达到最佳的制冷效果，为半导体行业和生产领域提供更好的温度控制解决方案。
半导体激光器的高精度温度控制优化设计
１ 激光器温度特性
温度特性主要影响到 Ｌ Ｄ的平均 发送光功率 、 Ｐ Ｉ 特性 的线 性及 工 作 波 长 。 当温 度 增 加 时 ，Ｄ 的 Ｌ
—
平均发送光功率就会下 降 ， 例如 １ １ｎ ３０ ｍ波段光源 平均 发 送 光 功 率 随 温 度 的 变 化 率 约 为 一０ ．
一
１ ）根据实际情况 ， 人为设定阈值 占 ０ ＞；
１ 一 ６
维普资讯
２ ）当 Ｊ ｒ （ ） ＞ 时， ｏ ｜ Ｊ ｅ ｒＩ ｒ ｝ 采用 比例 、 积分控制即
Ｐ Ｄ控制 ， 可避免产生过大的超调 ， 又使 系统有较快 的响应 ；
制器给控制对象的控制输出， 从而使得控制对象的过
制冷 或加 热 ， 而 为保 持 激 光 器 的温 度 恒 定 提供 了 从 必要的保证。其具体实现步骤如下 ：
２ 激 光 器 温 度 测 量 、 制 工 作 原 理 控
半 导 体激 光器 恒 温 控 制 系统 结 构 如 图 １所示 ， 该 系统 由温 度检 测 与采 样 保 持 部 分 、 央处 理 器 部 中 分 、 制策 略 与温控 驱 动部 分 、 冷 驱动 部分 和通讯 控 致 显示 部分组 成 五个 部分 组 成 ：
中 圈分类号 ：Ｐ ７ Ｔ ２２ 文献标识码 ： Ａ
０ 引言
半导体激光 器具有 体 积小 、 量轻 、 入 电压 小 、 重 输
温 控系统
制冷 加热 双 向制冷
苴
片 机
结构简单、 寿命长、 转换效率高、 功耗低、 结构简单、 价
格低廉、 使用安全、 易于调制 等有利因素， 现代光纤 通讯系统 均使 用半 导 体光 源 器件 。１１ｎ 尾纤 型 激 ３０ｍ
半导体激光器的温控电路设计
作 电压 为 ２ ８—５ ５ ． 于 它 工 作 在 ． ．Ｖ 由
图２ Ｍ ７２ Ａ Ｃ８０内部结构框图
Ｐ ＷＭ调制模式下 ， 并且具有低输 出电阻 ， 从而使它的内部耗散功率极低 ， 不容易发热． Ｒ ５ １ Ｄ Ｖ ９ 内部 Ｐ ＷＭ调 制频率可以由外部元件选定工作在 １０ Ｈ ０ Ｋ Ｚ模式或者 ５０ Ｈ ０ Ｋ Ｚ模式， 电压增益约为 ２３ ／ ． ．Ｖ Ｖ
源 流人 热敏 电阻 ， 热敏 电阻 上产 生 代 表 温度 的 电压 ， 电压 经 过 电压 跟 随 器放 大 电流 ， 大 后 进 人 Ｏ Ａ 在 该 放 Ｐ７ 的异 名端 ， Ｐ ７和一 个包 含两 个 电容 一个 电阻 的 Ｒ 网络 构成 一 个 误 差放 大器 ， 误 差 放 大器 把 单 片 机设 ＯＡ Ｃ 该
十 收 稿 日期 ：０ ０— ３—１ ２１ ０ ８
作者简介 ： 陈建萍 （９ １ ， ， １８ 一） 女 赣南师范学院物理与电子信息学院教师、 硕士 ， 主要从事半导体器件及材料
第 ３期
陈建 萍 ， 润华 刘
半 导体 激光 器 的温控 电路 设计
７ ５
一 Ｓ
图３ Ｄ Ｖ ９ Ｒ ５ １内部 结 构 框 图
器进 行精 密 的温 控． 常 ， 导体激 光器要 求工 作在 ２ ￣ 通 半 ５Ｃ状态 ， 要求 正负 ０ １ 的恒 温精 度． ．℃ 半导 体激光 器 内 部通 常封装 Ｔ Ｃ制冷 片 和热敏 电阻 ， 需外 接元 件． Ｅ 无 本文 针对 半导 体激光 器 的工 作需 要 ， 出一种 基 于硬件 提
定的温度值和实际检测 到的温度值 进行 比较 放大 ， 比较后 的结果经过 Ｄ Ｖ ９ 放 大 ， 大后 的信号驱 动 Ｒ ５１ 放 Ｔ Ｃ， Ｅ 改变 Ｔ Ｃ温控 面 的温 度 ． Ｅ 如果 Ｔ Ｃ温 控 面 温度 和 单 片机通 过 Ｄ Ｅ Ａ转 换 器设 置 的温 度一 致 ， 差放 大 器 误 将会 输 出 ０信 号 ，Ｅ Ｔ Ｃ处 于空 闲状 态 ； 当受 到 环境 温度 微 扰后 Ｔ Ｃ温控 面温 度会 产 生 变化 ， 时 误差 放 大器 Ｅ 此 会放 大该 误差 并将 结 果反 映为 Ｄ Ｖ ９ Ｒ ５ １的输 出 ， 制流 过 Ｔ Ｃ的电流 ， 统 温度 最后 会稳 定 在 Ｄ Ｃ的输 出 控 Ｅ 系 Ａ
半导体激光器自动温度控制电路设计
半导体激光器自动温度控制电路设计【摘要】本文对用于通信设备的半导体激光器温度控制电路进行了模型建立和分析，并从自动控制的角度对温控电路形式进行了详细的性能指标分析和测试，通过对不同的控制方法的仿真分析和实测数据的对比得出了一种较为有效的温度控制电路，可以满足一般温控系统的要求。
【关键词】温度检测；自动温度控制；TEC在光纤通信领域，通常使用半导体激光器作为光源，而半导体激光器的发射波长与管芯的温度密切相关，温度升高将导致波长变长（一般为0.1nm℃），对于一般的单波长光通信系统来说，波长的漂移对系统性能并无太大影响。
但对于密集波分复用系统（DWDM），由于通道间的波长间隔已经很小，保持波长的稳定就变得非常重要。
例如，工作在C波段的32波系统，通路波长间隔为100GHz （约0.8nm），而工作在C+L波段的160波系统，通路波长间隔为50GHz（约0.4nm）。
因此，如果不对激光器管芯的温度加以控制，微小的温度变化将导致整个系统的不可用。
另外，半导体激光器是对温度敏感的器件，其阈值电流、输出波长以及输出光功率的稳定性都对温度非常敏感，其工作寿命也与其工作温度密切相关。
实验表明，温度每升高30℃激光器的寿命会降低一个数量级[1]-[4]。
对于可靠性要求高的场合，且保证激光器的寿命就需要对管芯温度加以控制，这样在系统中就需要附加一个自动温度控制电路（ATC）来实现对激光器管芯的温度控制。
1.温度控制系统原理2.热模型的建立一般带致冷激光器的常见结构是首先将激光器、背光管、热敏电阻等组件安装在一个子热沉上，然后再固定到TEC制冷器上，当温控电路正常工作时，位于TEC上的子热沉将恒定在某一设定温度值。
当给TEC致冷器通不同极性的电流时能够分别实现致冷或致热，无论处于致冷还是致热状态，温度都不会突变，而是一个缓慢变化的过程。
而在一定的电流下，当时间足够长时由于外界的热交换达到了平衡状态，温度将维持在某一个值（即与壳体间的恒定温差）。
高精度半导体激光器温度控制系统技术研究
输出影响最大 。Ｄ的输出波长与温度有着很大的关 Ｌ 系。当 Ｌ 内部温度增加时， Ｄ 输出波长也随之增加， 波长随温度变化的典型值为 ０ 一Ｏ ／ ［ － ．ｎ ￣ ３ ４ｍ Ｃ 。 要想得到 Ｌ Ｄ高效稳频 、 低噪声的输 出， 则必须 对 Ｌ 的驱动电流和温度进行高精度的控制。传统 Ｄ
ｓｍｉ ｎ ｕ ｔｒｌ ｅ ｉ ｅｔｍｐ ｒｔｒ ｃｎｒｌｔｅｐｅｉ ｏ ｆ ｈ ｏ ｔ ｌ ｄｔｍｐ ｒｔｒ ｅ ｃ ｄ ｃ ｓｒ ｏ ｏ ｏ ａ ｄ ｄ ｅ ｅａ ｅ ｏ ｔ ，ｈ ｒｃｓ ｎｏ ｅｃ ｎｒ ｌ ｕ ｏ ｉ ｔ ｏ ｅ ｅ ｅａｕｅｉ ｓ士 ００ ℃ ａ ｄｔｅ ．１ ｎ ｈ ｐｅｉ ｏ ｆｈ ｏ ｔ ｌ ｄｗ ｖ ｌ ｇｈｉ士 ０Ｉｍ。 ｈ ｐ ｒ ｎ ａｕｅ ｎ ｆ ｕｐ ｔ ｕｒｎ ａｉｔ ｓ ｒｃｓ ｎｏ ｔｅｃ ｎ ｏｌ ａ ｅｅ ｔ ｉ ｒ ｅ ｎ ｓ ． ｎ Ｔ ｅ ｘ ｅ ｍｅｔ ｅ ｉ ｍｅｓｒｍｅｔ ｏ ｔ ｒ ｔｔｂｌｙａ ｏｉ ｏ ｕｃ ｅ ｓ ｉ ｌ ｓ
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长 的单 一性 。
关键词： 激光光源 ； 温度控制 ； 半导体制冷器； 驱动电路 ；Ｉ ＰＤ控制器 中图分 类号 ： Ｐ ７ Ｔ ２３ 文献 标识 码 ： Ｂ 文章 编号 ：６ １ ７ ２（０ ３０ ３ —４ １ ７ ． ９ ． １）．０ ００ ４ ２ １
半导体激光器温度自动控制
• M. T. Asom, Introduction to Semiconductor Lasers for Optical Communications, Artech House (1994).
• B. Naglič, J. Stražar, Semiconductor laser temperature stabilization, Infrared Physics and Technology, Volume 43, Issue 4, 2002, Pages 241-248, ISSN 1350-4495.
结构和工作方式
半导体激光器由多个层次的半导体 材料构成，通常呈矩形或圆形。它 通过向材料注入电流来产生光子。
温度对半导体激光器的影响
温度是半导体激光器性能稳定性的 关键因素。过高或过低的温度都会 导致性能下降和寿命缩短。
温度自动控制的原理
1
温度传感器选择与安装
温度传感器的选择和安装位置对控制系统的性能至
执行器将控制信号转换为实际控制动作 ，如调节温度器或控制风扇的转速。
温度自动控制方法
1 开环控制
2 闭环控制
开环控制是最简单的温度控 制方法，但缺乏反馈，无法 应对环境和工作负载的变化 。
3 PID控制
闭环控制通过反馈控制信号 来纠正偏差，可以提供更准 确和稳定的温度控制。
PID控制是一种精确而常用的温度控制方法，以比例、积分和微分 来调整控制器的输出。
半导体激光器的性能和稳定性。
科研应用
半导体激光器在许多科学领域都有广泛的用途，如生物学、物 理学和材料科学等。温度自动控制系统能够确保半导体激光器
的稳定性和精度，以满足科研需要。
未来发展趋势
1 新技术和方法
基于单片机的大功率半导体激光器温度控制系统的设计
1761 引言半导体激光器因体积小、重量轻、效率高等优点,显示出特有应用前景。
但温度不稳定使输出功率不稳、波长漂移等,影响了寿命及使用[1]。
国外激光器温度控制器领先的公司有:IXLight,WAVELEN GTH,McShane等[2]。
以IXLight的 LD3700(台式机)为例:由数字器件和模拟器件组成,可任意选择 RTD、热敏电阻、LM335 或 AD590 作为温度传感器;有自校正、自检功能;半导体制冷器具有独立的限流电路;过热保护电路,在温控器失灵时,激光器依旧安全[3]。
国内生产激光器恒温控制器较少,产品温控精度不高,范围较窄[4-5]。
虽然国外产品稳定性好、温控精度较高,但非常昂贵。
研究成本低、高稳定度的激光器温控系统具有一定的经济价值和现实意义。
2 系统设计方案控制系统设计框图如图1所示。
通电后,风扇为激光器散热。
通过键盘设置需要控制的温度范围。
DS18B20测得激光器的温度反馈给单片机,数据处理后送LCD 液晶显示器实时显示。
同时单片机通过PWM波控制TEC( Thermo Electric Cooler)制冷、保温或加热。
2.1 硬件选取和电路实现2.1.1 温度采集电路DS18B20是一种数字化单总线器件,与传统的PTC、NTC等热敏电阻相比,它能够直接测出温度,不需要AD转换,直接将数据发送给单片机。
具体电路图如图2所示。
基于单片机的大功率半导体激光器温度控制系统的设计庞慧敏 李林书 周哲海*(北京信息科技大学 光电测试技术北京市重点实验室,北京 100192)摘要:本文以STC89C52为主控芯片,用DS18B20实时监控激光器温度变化,半导体制冷器TEC作为执行元件,对温度实时采集和控制,使激光器工作于最佳温度点。
实验结果表明:在室温23℃的情况下,激光器的温控范围为-10～50℃控温精度在±0.5℃。
关键词:大功率激光器；温度控制；STC89C52；LC D 中图分类号:TP273文献标识码:A 文章编号:1007-9416(2017)10-0176-02收稿日期:2017-09-22作者简介:庞慧敏(1993—),女,山东临沂人,硕士研究生,主要从事仪器仪表等方面的研究工作;李林书(1993—),男,山东菏泽人,硕士研究生, 主要从事仪器仪表等方面的研究工作。
半导体激光器TEC温控实验
半导体激光器TEC温控实验温度对半导体激光器的特性有很大的影响.为了使半导体激光器输出功率稳定,必须对其温度进行高精度的控制.TEC-10A利用PID模糊控制网络设计了温控系统,控制精度达到0.0625℃,与无PID控制网络相比,极大的提高了系统的瞬态特性,并且试验发现TEC-10A采用带有温控系统的半导体激光器的输出功率稳定性比没有温控系统的输出功率得到显著改善。
TEC-10A使用上位机软件，获得数据如下:图1 目标温度设定为60度的加热曲线图TEC-10A模糊自适应PID 算法比传统PID 算法具有更小的温度过冲和更高的控温精度，精度为±0.0625℃，达到稳定的时间小于70s。
TEC-10A的“模糊控制理论”是由美国加利福尼亚大学教授L.A.Zadeh 于1965 年首先提出的，至今只有40 余年的时间，它属于智能控制的范畴。
那么到底什么是模糊控制？其实模糊控制是一种被精确定义的特殊的非线性控制，它利用类似人类的启发式知识对系统进行控制。
模糊控制的基本原理框图如下图所示。
图2 模糊算法首先建立模糊规则根据上面的输入量的模糊化，确定了误差及误差变化的模糊集合，下面将建立模糊规则。
模糊控制规则主要有两种形式：一种是经验归纳法，一种是采用数学的推理合成法。
经验归纳法是根据操作者对控制经验的整理、加工而形成的控制规则，虽然具有主观臆断，但其中必须经过对客观事实的合理归纳而形成。
下面的表就是根据经验归纳法总结的模糊控制规则表。
下面是一些简单的一维和二维控制形式：“如果A，那么B”（IfAThen B）；例如，如果激光器的温度很高，那么快速降温。
“如果A，那么B，否则C”（If A Then B Else C）；例如，如果激光器温度很低，那么快速加热，否则缓慢加热。
“如果A 且B，那么C”（If A And B Then C）。
例，如果激光器温度很高且温度下降很慢，那么快速加热。
在实际操作中第三种形式较常见，“A”为偏差e，“B”为偏差变化量Ec。
大功率半导体激光器高精度温控系统研究
大功率半导体激光器高精度温控系统研究王宗清;段军;曾晓雁【摘要】为了减小温度对半导体激光器输出光波长和功率稳定性的影响，设计了由恒流模块驱动半导体制冷器，通过改变恒流模块的电流来控制半导体制冷器的制冷量，利用分段积分的比例－积分－微分控制算法，选择最优控制参量，实现大功率半导体激光器的精密温控系统。
系统包括高精度测温电路、控制核心DSPF28335、半导体制冷器控制电路、人机交互及通信模块。
在5℃～26℃环境下对系统进行测试，实现50W大功率半导体激光器的恒温控制，温控范围为15℃～45℃，温控精度达到±0．02℃。
结果表明，该系统温控范围广，控制精度高，满足大功率半导体激光器的温控要求。
%In order to reduce the influence of temperature on output wavelength and power stability of semiconductor lasers, a constant current module was designed to drive thermoelectric cooler .The cooling capacity of the thermoelectric cooler was controlled by changing the current of the constant current module .The optimal control parameters of proportion-integration-differentiation algorithm were set to realize high precision temperature control .The system consists of high precision temperature measurement circuit , control core of DSP F28335, thermoelectric cooler control circuit , human-computer interaction and communication module .Constant temperature control was realized for a 50W high power laser diode at 5℃~26℃ambient temperature, the temperature control accuracy reached ±0.02℃at 15℃~45℃.The results show that this system has a wide temperature control range and highcontrol precision , which satisfies the requirement of temperature control of high power semiconductor lasers .【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2015(000)003【总页数】4页(P353-356)【关键词】光电子学;温度控制;恒流源;半导体激光器;温控算法【作者】王宗清;段军;曾晓雁【作者单位】华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074;华中科技大学武汉光电国家实验室，武汉430074【正文语种】中文【中图分类】TP273引言半导体激光器(laser diode，LD)的性能受温度的影响很大，如阈值电流、输出光波长和功率都会随温度变化。
一种半导体激光器温度控制技术
DOI：10.16661/ki.1672-3791.2019.14.034一种半导体激光器温度控制技术①金阿立1 周斌2 乔显金1 周树阳1(1.32147部队 陕西宝鸡 721000;2.91951部队 山东烟台 265100)摘 要：针对大功率激光器工作时的热耗散，讨论了温度控制原理，通过定量计算研究了半导体制冷器（TEC ）的选择、散热片的选择，给出了制冷器与散热片的组装工艺，并结合具体实例分析了温控方案的技术指标，为工程实践提供了技术参考。
关键词：半导体激光器 半导体制冷器 温度控制中图分类号：TN248.4文献标识码：A文章编号：1672-3791(2019)05(b)-0034-04①作者简介：金阿立（1976—），男，汉族，河南周口人，博士，工程师，研究方向：光电仪器设计。
半导体激光器工作温度范围一般在-10°~50℃之间，若高于或低于这个温度域，激光器可能会因温度过高而受到损坏，或因温度过低而停摆[1-4]。
因此大功率激光器需要进行温度控制，使其在规定温度条件下工作，这对于延长激光器受命，提高其可靠性具有重要意义。
有多种可供参考的激光器工作温度控制方法，如水循环冷却、风冷却及电冷却（即半导体制冷）等。
水冷效率高、速度快，但需要体积和重量庞大的压缩机和水泵，工作噪声大，通常只在实验室使用；风冷效率低，效果不好，不能满足大散热要求；电制冷体积小、效率高，能够将温度控制到环境温度以下，自加热自制冷，可靠性较高，温度控制精度可达±0.1℃，且对环境要求不高，适合激光夜视监控系统等野外条件使用。
1 半导体制冷器的选择半导体制冷器（Thermo Electric Cooler，TEC ）是利用半导体材料的帕尔贴效应制成的。
通过改变电源输出电流，控制制冷片输出功率，半导体制冷片的抽运功率和冷端的制冷是靠调节加在两端的电流来控制的（在额定功率范围内，超出额定功率，半导体制冷片将会是另外的一个热源），其计算非常复杂，与负载、冷热端温度以及二级散热的效果有关，一般均采用闭环控制系统[5]。
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半导体激光器TEC温控实验
温度对半导体激光器的特性有很大的影响.为了使半导体激光器输出功率稳定,必须对其温度进行高精度的控制.TEC-10A利用PID模糊控制网络设计了温控系统,控制精度达到0.0625℃,与无PID控制网络相比,极大的提高了系统的瞬态特性,并且试验发现TEC-10A采用带有温控系统的半导体激光器的输出功率稳定性比没有温控系统的输出功率得到显著改善。
TEC-10A使用上位机软件，获得数据如下:
图1 目标温度设定为60度的加热曲线图
TEC-10A模糊自适应PID 算法比传统PID 算法具有更小的温度过冲和更高的控温精度，精度为±0.0625℃，达到稳定的时间小于70s。
TEC-10A的“模糊控制理论”是由美国加利福尼亚大学教授L.A.Zadeh 于1965 年首先提出的，至今只有40 余年的时间，它属于智能控制的范畴。
那么到底什么是模糊控制？其实模糊控制是一种被精确定义的特殊的非线性控制，它利用类似人类的启发式知识对系统进行控制。
模糊控制的基本原理框图如下图所示。
图2 模糊算法
首先建立模糊规则
根据上面的输入量的模糊化，确定了误差及误差变化的模糊集合，下面将建立模糊规则。
模糊控制规则主要有两种形式：一种是经验归纳法，一种是采用数学的推理合成法。
经验归纳法是根据操作者对控制经验的整理、加工而形成的控制规则，虽然具有主观臆断，但其中
必须经过对客观事实的合理归纳而形成。
下面的表就是根据经验归纳法总结的模糊控制规则表。
下面是一些简单的一维和二维控制形式：
“如果A，那么B”（IfAThen B）；例如，如果激光器的温度很高，那么快速降温。
“如果A，那么B，否则C”（If A Then B Else C）；例如，如果激光器温度很低，那么快速加热，否则缓慢加热。
“如果A 且B，那么C”（If A And B Then C）。
例，如果激光器温度很高且温度下降很慢，那么快速加热。
在实际操作中第三种形式较常见，“A”为偏差e，“B”为偏差变化量Ec。
TEC-10A的尺寸也是比较小的，如下图所示：
图3 TEC-10A具有较小尺寸
TEC-10A是一款高功率密度的TEC温度控制器，额定工作负载5A，峰值电流可达10A。
此温度控制器可以连接专用调试器来进行参数的调节，参数调节完毕并保存后，撤去调试器，此温度控制器仍可以独立工作。
可以通过专用RS232调试线和电脑进行通讯，以进行参数设
置和温度监视，以及进行温度程控，是半导体激光器控温的好伴侣，。