半导体激光器温度控制研究_曾华林
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CURRENT/mA 图 1 半导体激光器的温度 — 功率特性
WK (s)=(τs +1)K(1τ1 s +1)
(1)
式中 τ=2 , τ1 =0 .5 分 别由激光器和温度传感器的
特性决定 , 基本确定 , 不易更改 , 设置放大电路的放
大系 数 K1 =100 , 用 MATLAB 仿真[ 4] 得到其动态特
半导体激光器恒温控制系统结构如图 2 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 PID 控制驱动 电路组成 。 当 LD 工作时发热 , 与 LD
作者简介 :曾华林(1974 -), 男 , 博士 , 主要从事光干涉测量技 术 研究 。 Email :zhlin @red.semi .ac.cn 收稿日期 :2004-04-01
1 KP (1
+T11s
+Tds)(τs
1 +1)(τ1 s
+1)
(2)
若要系统 的超调 量 P 不大 于 25 %, 调 节时间 小于
5s , 利用齐格列勒和尼柯尔斯[ 5] 提出的调整 PID 控
制网络(即设置 K ,Ti , 和 Td 的值)的法则 , 得到其传
递函数 G c(s)如下 :
GC(s)=KP (1
第 34 卷 第 5 期 激 光 与 红 外 2004 年 10 月 LASER & INFRARED
文章编号 :1001-5078(2004)05-0339-02
Vol .34, No .5 October , 2004
半导体激光器温度控制研究
(下转第 346 页)
3 46
激 光 与 红 外 第 34 卷
是基片材料反射的结果 。
图 5 碲镉汞探测器结构
图 6 探测器的运动
为便于说明 , 我们可以假设瞬时视场不动而探 测器是运动的(如图 6 所示)。根据探测器与瞬时视 场的关系可分为三个运动阶段 :探测器逐渐进入视 场 -正对视场 -逐渐退出视场 。这三个阶段反射光 是有变化的 。在第一阶段(0 ≤t ≤t1 时), 由于探测 器边缘基片材料较高的反射率使得回波信号由小到 大逐渐增强 ;当探测器光敏面进入视场后反射光强 开始减弱 , 正对视场时反射光强最弱 , 此时探测器对 入射激光的吸收能力最强 , 所以图中显示有一明显
参考文献 :
[ 1] M Notomi, O Mitomi, Y Yoshikuni.Broad-band tunable twosection laser diode with external grating feedback[ J] .IEEE Photonics Technology Letters, 1990 , 2:85-87.
统 , 采用 MATLAB 软件进行仿真比较 , 发现采用 PID 控制网络的温度控制系统与没有 PID 控制网络的温 控系统相比 , 其超调量明显减少和调节时间极大的
缩短 , 振荡次数减少到只有一次 , 系统稳定性和瞬态 特性得到显著改善 , 并且试验表明带有 PID 控制网 络的温度控制系统完全能满足设计要求 。 同时也发 现 , 不带温度控制系统激光器输出功率漂移不定 , 而 当半导体激光器加上带有 PID 控制网络的温度控制 系统 , 其输出功率几乎非常稳定 , 完全能满足干涉测 量光源温控要求 。
征曲线如图 4 中的虚线所示 , 从图中可以得出其超
调量过大 , 振荡次数多 , 影响系统的性能 , 因此需要
对系统性能进行改善 , 从而通过引进 PID 控制网络 , 使系统实现较少的振荡次数 、较小的超调量和较快 的平衡时间等预期的控制指标 , 引进控制网络后的
系统开环传递函数为 :
WK
(s)=K
Temperature Control of Semiconductor Laser for Interferometry
ZENG Hua-lin , JIANG Peng-fei , XIE Fu-zeng
(Institution of Semiconductor, Chinese Academy of Science , Beijing 100083, China)
Abstract :Semiconductor laser as the light source has many advantages such as smaller volume , but the temperature greatly influences the properties of the semiconductor laser .The temperature control must be very rigorous so that steady power of semiconductor laser is got .The temperature control system that designed according to PID control system is discussed in this paper.The precision of controlled temperature is ±0 .01℃, the response characteristic of the system with PID control system is better than that of the sy stem without PID control system , and the experiment shows that the stability of semiconductor laser power with temperature control system is better than that without temperature control system. Key words:semiconductor laser ;temperature control ;PID control sy stem ;response character
3 40
激 光 与 红 外 第 34 卷
集成在一起的负温度系数的热敏电阻将温度信号快 速转换为电阻值的变化 , 然后与设定的高精度基准 温度电阻阻值比较 , 其比较结果通过失调电压温度 系数为 0 .1nV/ ℃, 电压放大倍数可从 1 到 1000 的精 密差动信号处理放大电路放大 , 此电路为高精度控 制提供有利保证 , 放大后的信号进入 PID 控制网络 , 通过满足闭环系统的瞬态和稳定性能指标 PID 控制 网络 , 保证系统稳定并 具有很好的动 态特性 , 根据 PID 处理结果 , 驱动执行机构控制 LD 制冷或加热 , 以保持 LD 的温度恒 定 , 从而保证了激光器 在恒定 的温度下工作 。
(上接第 340 页) 在系统稳定之前 , 功率稍有下降 , 大约 20 多分钟后 , 激光器功率几乎保持不变 , 结果表明控温后光频的 输出是可以稳定的 , 在长时间内(10h 以上)没有发 生跳模现象 。
图 5 控温与不控温激光器输出光功率与温度的关系
5 结 论 通过加有和没有 PID 控 制网络的 温度控制 系
的凹点(t 1 ≤t ≤t 2 时)。 该凹点所对应的时间应等 于热像仪瞬时视场停留时间 , 强激光在此时刻打进 热像仪时的致盲效果最好 ;在第 三阶段(t 2 ≤t ≤t 3 时)探测器逐渐退出瞬时视场时 , 探测器另一侧的基 片材料开始参与反射 , 反射光强较强 , 随着探测器逐 渐退出视场反射光强开始逐渐减弱 。
曾华林 , 江鹏飞 , 谢福增
(中国科学院半导体研究所 , 北京 100083)
摘 要 :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 。利用 PID 控制网络设计了温控系统 , 控制精度达到 ±0 .01 ℃, 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 。 关键词 :半导体激光器(LD);温度控制 ;PID 控制网络 ;瞬态特性 中图分类号 :TN248 .4 ;TP272 文献标识码 :A
0 .01 ℃。
图 2 恒温控制系统结构图
3 系统控制模型 对温控系统 , 被控对象 LD 温度的变化是 一个
缓慢的漂移过程 , 从控制的角度来说 , 是一个典型的
一阶滞后环节 , 因此可以用 τs1+1表示 , 作为反馈用
的温度传感器其传递函数为
1 τ1s +1
,
高精密放大电
路的放大系数为 K1 , PID 传递函数为 Kp(1 +T1is + Tds), 因此其系统数学模型如图 3 所示 。
图 3 所给出的试验波形是探测设备与目标瞬时 视场正对时的单个回波信号波形 , 该信号反映了探 测目标的 τs 参数 。 该数值对干扰激光脉冲宽度的 选取具有重要的参考价值 。 5 结束语
光电技术在军事上的广泛应用促进了光电对抗 技术的发展 。对红外夜视器材和机载前视红外系统 的侦察干扰作为光电对抗技术的一个重要分支 , 必 将在未来发挥重要作用 。
参考文献 :
[ 1] 关继宇 .光电对抗装备 技术 现状 及发 展趋 势[ A] .2003 年全国光电技术学术交流会论文集[ C] .P292-294.
[ 2] 汤定元 .光 电 器 件 概 论 [ M] .上 海 科 学 技 术 出 版 社 , 1989 .
[ 3] J C OWRUTSKY , D A STEINHURST .Obscurants for infrared countermeasures[ R] .AD -A387724 , 2001.
+T11 s
+Tds)=2
+4 .5s +s2 150 s
(3)
温控系统通过加 PID 校正后的瞬态响应曲线如图 4
实线所示 , 从图可以看出 , 有 PID 校正网络的系统超
调量明显减小 , 平衡时间显著缩短 , 系统动态瞬态性
能得到极大的改善 , 试验表明采用带 PID 控制网络
的温度控制系统, 温度的控制精度可以达到 ±
图 3 系统数学模型
从图 3 可以看出未加 PID 控制网络的系统的开环传 递函数为
Tlme/ s 图 4 系统瞬态wk.baidu.com性曲线
4 功率检测 为避免被控制 LD 的温度受外界因素影响过大
等现象的发生 , 将传感器 、散热片 、LD 、制冷器等合 理集成在一起 , 构造了一个较小的几乎绝热的空间 , 以保证较好的恒温效果 。 采用光功率计测量 LD 输 出的光功率 , 从图 5 的虚线可以看出 , LD 在没有控 温系统的条件下 , 半导体激光器的功率随时发生改 变 , 而在有控温的系统中 , 从图 5 中实线可以得到 ,
1 引 言
半导体激光器(LD)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[ 1] 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 的集成化 、实用化变为可行[ 2] 。
另一方面 , 从图 1 可以看出 , LD 的输出功率与 温度的关系[ 3] , 当 LD 内部温度增加时 , 输出功率也 随之增加 , 而 LD 要在干涉测量领域当中应用 , 首要
任务是使 LD 的输出 功率非常稳定 , 如果温 度不稳 则可能会引发模式跳跃现象[ 3] , 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 LD 的内部温度进行严格的控制 。 另外 ,
由 LD 在不同温 度下的激光输出功率 PO 与 正向工
作电 流 IF 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 平行移动 。 如果 LD 在恒定的电流下工作 , 当环境 温度发生变化时 , LD 输出的功率将明显改变 , 因此 , 对 LD 的内部温度进行严格的控制 , 有着非常重要 的意义 。 2 温度控制工作原理
WK (s)=(τs +1)K(1τ1 s +1)
(1)
式中 τ=2 , τ1 =0 .5 分 别由激光器和温度传感器的
特性决定 , 基本确定 , 不易更改 , 设置放大电路的放
大系 数 K1 =100 , 用 MATLAB 仿真[ 4] 得到其动态特
半导体激光器恒温控制系统结构如图 2 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 PID 控制驱动 电路组成 。 当 LD 工作时发热 , 与 LD
作者简介 :曾华林(1974 -), 男 , 博士 , 主要从事光干涉测量技 术 研究 。 Email :zhlin @red.semi .ac.cn 收稿日期 :2004-04-01
1 KP (1
+T11s
+Tds)(τs
1 +1)(τ1 s
+1)
(2)
若要系统 的超调 量 P 不大 于 25 %, 调 节时间 小于
5s , 利用齐格列勒和尼柯尔斯[ 5] 提出的调整 PID 控
制网络(即设置 K ,Ti , 和 Td 的值)的法则 , 得到其传
递函数 G c(s)如下 :
GC(s)=KP (1
第 34 卷 第 5 期 激 光 与 红 外 2004 年 10 月 LASER & INFRARED
文章编号 :1001-5078(2004)05-0339-02
Vol .34, No .5 October , 2004
半导体激光器温度控制研究
(下转第 346 页)
3 46
激 光 与 红 外 第 34 卷
是基片材料反射的结果 。
图 5 碲镉汞探测器结构
图 6 探测器的运动
为便于说明 , 我们可以假设瞬时视场不动而探 测器是运动的(如图 6 所示)。根据探测器与瞬时视 场的关系可分为三个运动阶段 :探测器逐渐进入视 场 -正对视场 -逐渐退出视场 。这三个阶段反射光 是有变化的 。在第一阶段(0 ≤t ≤t1 时), 由于探测 器边缘基片材料较高的反射率使得回波信号由小到 大逐渐增强 ;当探测器光敏面进入视场后反射光强 开始减弱 , 正对视场时反射光强最弱 , 此时探测器对 入射激光的吸收能力最强 , 所以图中显示有一明显
参考文献 :
[ 1] M Notomi, O Mitomi, Y Yoshikuni.Broad-band tunable twosection laser diode with external grating feedback[ J] .IEEE Photonics Technology Letters, 1990 , 2:85-87.
统 , 采用 MATLAB 软件进行仿真比较 , 发现采用 PID 控制网络的温度控制系统与没有 PID 控制网络的温 控系统相比 , 其超调量明显减少和调节时间极大的
缩短 , 振荡次数减少到只有一次 , 系统稳定性和瞬态 特性得到显著改善 , 并且试验表明带有 PID 控制网 络的温度控制系统完全能满足设计要求 。 同时也发 现 , 不带温度控制系统激光器输出功率漂移不定 , 而 当半导体激光器加上带有 PID 控制网络的温度控制 系统 , 其输出功率几乎非常稳定 , 完全能满足干涉测 量光源温控要求 。
征曲线如图 4 中的虚线所示 , 从图中可以得出其超
调量过大 , 振荡次数多 , 影响系统的性能 , 因此需要
对系统性能进行改善 , 从而通过引进 PID 控制网络 , 使系统实现较少的振荡次数 、较小的超调量和较快 的平衡时间等预期的控制指标 , 引进控制网络后的
系统开环传递函数为 :
WK
(s)=K
Temperature Control of Semiconductor Laser for Interferometry
ZENG Hua-lin , JIANG Peng-fei , XIE Fu-zeng
(Institution of Semiconductor, Chinese Academy of Science , Beijing 100083, China)
Abstract :Semiconductor laser as the light source has many advantages such as smaller volume , but the temperature greatly influences the properties of the semiconductor laser .The temperature control must be very rigorous so that steady power of semiconductor laser is got .The temperature control system that designed according to PID control system is discussed in this paper.The precision of controlled temperature is ±0 .01℃, the response characteristic of the system with PID control system is better than that of the sy stem without PID control system , and the experiment shows that the stability of semiconductor laser power with temperature control system is better than that without temperature control system. Key words:semiconductor laser ;temperature control ;PID control sy stem ;response character
3 40
激 光 与 红 外 第 34 卷
集成在一起的负温度系数的热敏电阻将温度信号快 速转换为电阻值的变化 , 然后与设定的高精度基准 温度电阻阻值比较 , 其比较结果通过失调电压温度 系数为 0 .1nV/ ℃, 电压放大倍数可从 1 到 1000 的精 密差动信号处理放大电路放大 , 此电路为高精度控 制提供有利保证 , 放大后的信号进入 PID 控制网络 , 通过满足闭环系统的瞬态和稳定性能指标 PID 控制 网络 , 保证系统稳定并 具有很好的动 态特性 , 根据 PID 处理结果 , 驱动执行机构控制 LD 制冷或加热 , 以保持 LD 的温度恒 定 , 从而保证了激光器 在恒定 的温度下工作 。
(上接第 340 页) 在系统稳定之前 , 功率稍有下降 , 大约 20 多分钟后 , 激光器功率几乎保持不变 , 结果表明控温后光频的 输出是可以稳定的 , 在长时间内(10h 以上)没有发 生跳模现象 。
图 5 控温与不控温激光器输出光功率与温度的关系
5 结 论 通过加有和没有 PID 控 制网络的 温度控制 系
的凹点(t 1 ≤t ≤t 2 时)。 该凹点所对应的时间应等 于热像仪瞬时视场停留时间 , 强激光在此时刻打进 热像仪时的致盲效果最好 ;在第 三阶段(t 2 ≤t ≤t 3 时)探测器逐渐退出瞬时视场时 , 探测器另一侧的基 片材料开始参与反射 , 反射光强较强 , 随着探测器逐 渐退出视场反射光强开始逐渐减弱 。
曾华林 , 江鹏飞 , 谢福增
(中国科学院半导体研究所 , 北京 100083)
摘 要 :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 。利用 PID 控制网络设计了温控系统 , 控制精度达到 ±0 .01 ℃, 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 。 关键词 :半导体激光器(LD);温度控制 ;PID 控制网络 ;瞬态特性 中图分类号 :TN248 .4 ;TP272 文献标识码 :A
0 .01 ℃。
图 2 恒温控制系统结构图
3 系统控制模型 对温控系统 , 被控对象 LD 温度的变化是 一个
缓慢的漂移过程 , 从控制的角度来说 , 是一个典型的
一阶滞后环节 , 因此可以用 τs1+1表示 , 作为反馈用
的温度传感器其传递函数为
1 τ1s +1
,
高精密放大电
路的放大系数为 K1 , PID 传递函数为 Kp(1 +T1is + Tds), 因此其系统数学模型如图 3 所示 。
图 3 所给出的试验波形是探测设备与目标瞬时 视场正对时的单个回波信号波形 , 该信号反映了探 测目标的 τs 参数 。 该数值对干扰激光脉冲宽度的 选取具有重要的参考价值 。 5 结束语
光电技术在军事上的广泛应用促进了光电对抗 技术的发展 。对红外夜视器材和机载前视红外系统 的侦察干扰作为光电对抗技术的一个重要分支 , 必 将在未来发挥重要作用 。
参考文献 :
[ 1] 关继宇 .光电对抗装备 技术 现状 及发 展趋 势[ A] .2003 年全国光电技术学术交流会论文集[ C] .P292-294.
[ 2] 汤定元 .光 电 器 件 概 论 [ M] .上 海 科 学 技 术 出 版 社 , 1989 .
[ 3] J C OWRUTSKY , D A STEINHURST .Obscurants for infrared countermeasures[ R] .AD -A387724 , 2001.
+T11 s
+Tds)=2
+4 .5s +s2 150 s
(3)
温控系统通过加 PID 校正后的瞬态响应曲线如图 4
实线所示 , 从图可以看出 , 有 PID 校正网络的系统超
调量明显减小 , 平衡时间显著缩短 , 系统动态瞬态性
能得到极大的改善 , 试验表明采用带 PID 控制网络
的温度控制系统, 温度的控制精度可以达到 ±
图 3 系统数学模型
从图 3 可以看出未加 PID 控制网络的系统的开环传 递函数为
Tlme/ s 图 4 系统瞬态wk.baidu.com性曲线
4 功率检测 为避免被控制 LD 的温度受外界因素影响过大
等现象的发生 , 将传感器 、散热片 、LD 、制冷器等合 理集成在一起 , 构造了一个较小的几乎绝热的空间 , 以保证较好的恒温效果 。 采用光功率计测量 LD 输 出的光功率 , 从图 5 的虚线可以看出 , LD 在没有控 温系统的条件下 , 半导体激光器的功率随时发生改 变 , 而在有控温的系统中 , 从图 5 中实线可以得到 ,
1 引 言
半导体激光器(LD)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[ 1] 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 的集成化 、实用化变为可行[ 2] 。
另一方面 , 从图 1 可以看出 , LD 的输出功率与 温度的关系[ 3] , 当 LD 内部温度增加时 , 输出功率也 随之增加 , 而 LD 要在干涉测量领域当中应用 , 首要
任务是使 LD 的输出 功率非常稳定 , 如果温 度不稳 则可能会引发模式跳跃现象[ 3] , 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 LD 的内部温度进行严格的控制 。 另外 ,
由 LD 在不同温 度下的激光输出功率 PO 与 正向工
作电 流 IF 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 平行移动 。 如果 LD 在恒定的电流下工作 , 当环境 温度发生变化时 , LD 输出的功率将明显改变 , 因此 , 对 LD 的内部温度进行严格的控制 , 有着非常重要 的意义 。 2 温度控制工作原理