自动化毕业设计-激光器驱动与控制电路设计

激光器驱动与控制电路设计

摘要

目前，半导体激光器以其转换效率高、体积小，质量轻，可靠性高，能直接调制以及能与其他半导体器件集成等优势近年来发展一直很迅猛，已经广泛应用于通信、光学数据存储、固体激光器泵浦、材料加工精密测量、生物医疗等领域。本次设计任务要求设计一款电路系统来完成激光器的驱动、控制、温度监控，最终实现让激光器输出稳定的光功率，并且功率可以在0-8W内调节。本次设计的硬件部分是采用单片机对温度测温模块检测、监控，利用单片机完成人机交互，通过单片机控制激光器电源。软件设计部分有A\D、D\A硬件控制，包括对数码管、按键等驱动，同时进行功率采集，并采用PID算法保证快速稳定响应输入功率。此次论文包括了激光器原理介绍，控制器原理介绍，电源测试数据，温度模块测试数据，激光器功率测试数据，以及原理图设计，PCB设计。

关键词：半导体激光器单片机TEC PID

The system of laser driver and controller

ABSTRACT

At present, semiconductor laser，relies on its high conversion efficiency, small volume, light quality, high reliability and on being directly modulated and integrated with other semiconductor devices，has developed rapidly. And it has been widely used in communication, optical data storage, solid laser pumps, material processing precision measurement, biological and medical treatment, etc. This design requires a circuit system designed to complete the driver and control of laser, temperature control, and finally achieve the stability of output power to laser light, and can adjust powers that ranged from zero to eight watt. The design of the hardware is to control the power supply of laser by the Single Chip Micyoco check and monitor the module of measuring temperature, and by the module of Single Chip Micyoco control man-machine interactive interface. And the software involves AD, DA hardware control, including the drives of nixietube, keystokes and so on. To guarantee the response power input are stable and rapid, for instance, the control of laser power supply, the collection of software power and comparing with the input power(Stabilify power with PID algorithm).

This paper includes the test datas of power, TEC temperature module and optical maser power, and the elementary diagram, PCB appendix.

Key words：Semiconductor lasers SCM TEC PID

目录

1引言 (5)

1.1半导体激光器的应用与发展 (5)

1.2设计任务与目标 (5)

2激光器 (7)

2.1激光器结构 (7)

2.2激光器使用注意事项 (9)

2.3激光器应用 (10)

3电路控制 (11)

3.1控制电路总体结构 (11)

3.1.1电路组成部分 (11)

3.1.2工作过程及关键问题 (12)

3.2温度控制 (12)

3.2.1温度控制简介 (12)

3.2.2温度控制原理 (13)

3.3功率稳定原理 (15)

3.3.1功率稳定PID算法 (15)

3.3.2功率稳定电路实现 (18)

3.4人机交互 (18)

3.4.1数码管 (18)

3.4.2按键与指示灯 (19)

3.5软件实现方案 (19)

3.5.1 总体工作流程图 (19)

3.5.2 关键问题分析 (21)

4 驱动电源 (22)

4.1 电源原理 (22)

4.2 电源控制 (22)

4.3 保护措施 (23)

5 实验数据与结论 (25)

5.1 温度控制数据 (25)

5.2 电源输出测试 (26)

6 参考文献 (28)

附录 (29)

谢辞 (31)

1 引言

1.1半导体激光器的应用与发展

随着半导体激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域，成为当今光电子实用器件的核心技术。由于大功率半导体激光器具有体积小、质量轻、寿命长等优点，广泛应用于民用生产和军事等领域。近年来，国外大功率半导体激光器的研究进展非常迅速，单条最大连续输出功率已经大于600W，最高电光转换效率高达72％，单条40-120W已经商品化。相对而言，国内在大功率半导体激光器研究和应用方面虽然起步较晚，但也取得了很大的进展。国内大功率半导体激光器研究及应用情况主要从大功率半导体激光器外延片结构、腔面光学膜、器件封装、器件可靠性、光束整形与耦合以及器件应用等几个方面。

半导体激光器又称激光二极管(LD)。进入八十年代，人们吸收了半导体物理发展的最新成果，采用了量子阱(QW)和应变量子阱(SL-QW)等新颖性结构，引进了折射率调制Bragg 发射器以及增强调制Bragg发射器最新技术，同时还发展了MBE、MOCVD及CBE等晶体生长技术新工艺，使得新的外延生长工艺能够精确地控制晶体生长，达到原子层厚度的精度，生长出优质量子阱以及应变量子阱材料。于是，制作出的LD，其阈值电流显著下降，转换效率大幅度提高，输出功率成倍增长，使用寿命也明显加长。

半导体二极管激光器是实用中最重要的一类激光器。它体积小、寿命长，并可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成。并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。由于这些优点，半导体二极管激光器在激光通信、光存储、光陀螺、激光打印、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用。

半导体激光器驱动与控制电路是高功率半导体激光系统的关键技术。本课题将研发体积小、高效率的高功率半导体激光器驱动与控制电路，具有好的散热性、高的工作和功率输出稳定性。

1.2设计任务与目标

本次任务是要设计一款便携式绿光激光器，可对指纹照明，可用于刑侦工作，其发光波长为532nm。为了成功完成此次课题任务，应该进行各种理论研究，对实际问题进行定性定量分析，对未知错误或未知情况作充分准备和估计。此外为使实验室内研究成果成为市场上的产品，应该进行多方面测试，例如疲劳测试，安全测试，容错测试，功能性测试，指标测试等。

具体的基本任务要求是首先熟悉半导体激光器工作特性，熟悉半导体激光器驱动与控