高精度激光器电流驱动与交流温控系统设计

半导体激光器作为原子磁强计的重要组成部分,其波长和功率主要由电流和温度决定,而传统的直流温控系统会对磁强计产生磁场干扰。针对高精度电流控制、温度控制和磁场干扰问题,设计了一种激光器恒流源驱动和交流控温系统。首先,设计基于功放的高精度激光器恒流源驱动系统;然后,设计交流温度调制解调检测和交流加热驱动系统;最后,采用STM32控制器、高精度AD采集和DA输出结合温度模糊自适应PID控制算法进行高精度温度控制。实验结果表明:在42℃温度下控制精度为0.005℃,在32 mA电流下稳定度为0.5 A,为激光器光功率和波长稳定性奠定基础。     

高稳定度半导体激光器电源

设计并实现了一个高精度的半导体激光器驱动系统, 该系统包括温度控制和电流控制两部分。温度的控制范围为室温下±1.50×101 K, 控温精度优于1.81 mK, 标准差小于0.20 mK。电流的调节范围为0~2.00×102 mA, 纹波小于1.00×102 nA。该系统驱动外腔半导体激光器时可以保证激光器输出的频率稳定度在10 s内达到1.00×10-9, 满足原子分子物理和激光光谱学等领域对高精度激光器的需求。     

用于SERF原子磁力仪的DFB激光器温度控制系统

由于分布反馈式（DFB）激光器的工作温度会影响其激射波长,降低无自旋交换弛豫（SERF）原子磁力仪的磁场测量灵敏度,以TMS320LF2812为核心控制器,采用数字比例-积分-微分（PID）控制技术,设计并研制了一种高精度、高稳定性DFB激光器温度控制系统。在硬件电路设计方面,由温度控制前向通路和温度采集后向通路组成,构成完整的闭环温度控制结构。软件设计中,采用Ziegler-Nichols工程整定方法,实现对P、I和D三个参数的整定。以中心波长为852 nm的DFB激光器为被控对象,利用该温度控制系统对其进行了温度控制实验。实验结果表明:系统的有效控温范围为5～60℃,控温精度为0.02℃,稳定时间为20 s。并且在长时间（220 min）测试中,DFB激光器工作温度稳定性优于7.910-4（RMS）,为其在SERF原子磁力仪的实用化方面提供了性能保障。     

基于ADN8834的高精度DBR激光器温度自动控制系统

对于高灵敏原子磁力计极弱磁测量，激光温度的精确稳定控制是一项必不可少的工作。激光温度不稳定会导致激光波长波动和漂移，从而降低原子磁力计的灵敏度。为了降低激光器温度波动对原子磁力计的影响，本文设计并实现了一个基于ADN8834温度控制芯片的高精度DBR激光器自动温度控制系统。首先，基于ADN8834和高精度模/数转换芯片LTC2377设计了温度反馈电路，成功采集到了与温度对应的模拟电压信号并将其转换为数字信号送入FPGA。然后，在FPGA中实现了增量式数字PID算法，自动计算温度控制信号。最后，设计了数/模转换电路将该温度控制信号转换为模拟信号传递给ADN8834,ADN8834输出加热或冷却信号来控制半导体热电制冷器，从而实现闭环温度自动控制。实验结果表明，当目标温度分别设定在20,25,30℃时，该温度自动控制系统的温度稳定性均在±0.005℃，测试DBR激光器输出波长稳定性范围为±2 pm。该激光器自动温度控制系统温度稳定性高，且操作方便，设计灵活，基本满足原子磁力计系统对激光温度控制器的要求。     

用于量子密钥分发的半导体激光器温控系统

由于量子密钥分发(quantum key distribution,QKD)系统对光源的稳定性要求极高,尤其是激光器发出光的波长和光强的稳定性,直接影响了系统的成码率。由此,针对分布反馈式(distributed feedback,DFB)激光器的温度特性,设计一种有效的温度控制系统。系统以 FPGA 为控制核心,采用增量式PID算法,对DFB激光器的工作温度进行实时监控。采用热电制冷控制芯片MAX8520作为半导体制冷器(thermoelectric cooler,TEC)的驱动芯片。利用集成于DFB激光器内部的负温度系数(negative temperature coefficient,NTC)热敏电阻构成温度采集模块,组成闭环负反馈结构。通过实验测试,温度控制精度可达±0.03 ℃,波长漂移可控制在0.01 nm以内。该温控系统具有电路体积小、效率高和可靠性高等特点,可为激光器提供稳定的温度控制,以保证QKD系统的光源波长的稳定性。     

高稳定性半导体激光器功率控制电路设计和测试北大核心CSCD

有些飞行器的表面安装有基于半导体激光器模块的激光信标系统,用于发出指定功率的稳定光束来配合地面光电系统对激光信标的捕获、识别和跟踪。针对该激光信标系统在宽温度范围下的高功率稳定性需求,设计了两种半导体激光器模块功率控制电路,分别对激光输出功率进行闭环控制和开环控制,采用国产和进口的激光器分别测试了两种控制电路在高低温下的功率控制效果,测试结果表明定电压开环控制电路的控制效果优于定功率闭环控制电路。     

半导体拉曼激光器驱动设计及试验

在拉曼光谱仪中,激光驱动电路直接影响半导体拉曼激光器的稳定性,从而影响拉曼检测效果。提出了一种高稳定性、功率大范围可调的激光驱动电路,利用采样电阻和电流驱动电路形成闭环控制,保持电流恒定,利用热敏电阻和温度控制电路形成闭环控制,保持温度恒定,利用光电二极管和整个恒流控制电路形成闭环控制,保持输出功率稳定,同时该驱动电路可利用单片机数模转换实现电流和温度的精确调整。对Santur公司的785纳米半导体激光器进行测试,验证了驱动电流可大范围调控。设置温度30摄氏度,激光功率300毫瓦,连续三个小时观察功率变化在±1.5毫瓦之内,表明该驱动电路可以稳定地为拉曼光谱仪提供支持。     

基于数字滤波的半导体激光器温控系统设计

为了使光收发模块发射光波长稳定,突破现有半导体激光器温控系统大都采用模拟器件实现的常规设计,提出了一种基于数字滤波方式的控制方案,采用数字信号处理方式,以固件形式实现了半导体激光器温度控制。通过理论分析和实验验证,取得了采用该方案的光收发模块在应用温度范围内的发射波长变化数据。结果表明,该系统性能稳定,温度控制精度达0.053℃。     

光纤电流互感器用半导体激光器数字驱动电路设计

半导体激光器的输出性能直接决定了光纤电流互感器的测量精度和长期运行稳定性。为提高光纤电流互感器的测量精度与稳定性,设计了一种高精度半导体激光器数字驱动电路。以STM32微控制器为控制核心,利用高精度电流源芯片ADN8810实现驱动电流的精密控制,同时采用集成温控芯片MAX1978通过控制半导体制冷片的工作电流实现对激光器温度的精确控制。经实验测试,其输出电流稳定度为0.028%,温度控制稳定度为0.18%,激光器输出光功率稳定度达到0.06%,输出波长稳定度为0.05pm。该设计能够满足光纤电流互感器对光源输出性能的要求。     

采用模拟PID控制的DFB激光器温度控制系统研制

以红外分布反馈激光器激发光源为核心的检测装置中,分布反馈激光器发光波长的控制精度及稳定性直接决定检测装置测量准确性。为此研发了一种采用模拟PID控制的分布反馈激光器温度控制系统。该系统采用模拟比例-积分-微分温度前向控制模块和温度实时后向采集模块达到控制温度的目的。温度控制实验中采用激射中心波长为2 049 nm的分布反馈激光器,结果表明,系统温度控制稳定性为0.05℃,稳定时间小于30 s。同时,利用所研制的温度控制系统对上述可调谐DFB激光器做了光谱测试实验,结果表明,当激光器驱动电流固定时,激光器激射波长与其工作温度呈线性关系。     

Cs原子磁力仪共振谱线宽度的研究

介绍了Cs原子无自旋交换弛豫磁力仪(Cs-SERFM)的工作原理;分析了Cs泡温度105℃条件下,缓冲气体He的压强对Cs原子横向弛豫及线宽的影响,给出了惰性气体He的最佳压强为350×133.3 Pa;讨论了共振谱线的宽度与温度之间的关系,在105℃时Cs-SERFM谱线宽度仅为3.7 Hz。     

大功率光纤激光器泵浦源LD驱动电源设计

根据大功率、低噪声半导体泵浦光纤激光器对于激光电源的要求,通过LD工作原理和输出特性分析,设计一种以ADuc842高速单片机为主控芯片的LD驱动控制电路。设计采用自动电流控制(ACC)和自动温度控制(ATC)的方式,实现LD的恒流源驱动和恒温控制。设计还引用了双限流电路、浪涌吸收电路及慢启动电路等一系列保护电路,提高了LD的抗冲击能力和工作稳定性。实验结果表明,电流输出稳定度优于0.5%,温度稳定度达到±0.1℃。     

可调谐半导体激光器的精密控制系统设计

为了满足高精密测量领域对半导体激光器高稳定度的要求,设计了一种高稳定度、低噪声的半导体激光器控制系统。该控制系统由电流驱动和温度控制两部分组成,电流控制部分采用负反馈控制保持电流稳定,温度控制部分采用高度集成的MAX1978作为主控芯片,驱动半导体制冷器进行温度补偿。经过实验验证,电流在200mA范围内连续可调,电流控制精度高达1A,在3kHz~100kHz带宽内交流噪声有效值小于300nA,长期温度漂移小于2m℃。结果表明,该系统可用于驱动分布式反馈外腔半导体激光器和分布式布喇格反射半导体激光器。     

基于半导体激光器高精度恒温系统设计

为了在宽温环境中保证半导体激光器能够稳定地输出功率和波长,针对半导体激光器体积小、重量轻及对温度稳定性要求高等特点,在采用负温度系数热敏电阻作为温度传感器并对其输出信号进行处理的基础上,设计了基于微控制单元的半导体激光器温度控制系统,并在软件上采用了直接比例积分微分算法等方法。通过微控制单元调整输出调制信号脉宽和幅值,从而改变半导体致冷器的驱动电流的大小和方向,并进行了相应理论分析和实验验证,可知半导体激光器工作温度稳定在25℃左右,且温度稳定精度为±0.1℃。结果表明,该高精度温度控制系统在宽温环境中控制精度高、响应速率快,优于其它同类产品。     

高温环境下高功率半导体激光器驱动电源设计

半导体激光器驱动电源的性能直接影响着激光输出稳定性和激光器寿命。给出40℃高温环境下100w高功率光纤耦合半导体激光器模块的驱动电源设计方法,主要包括：恒流源设计、TEc双向温度控制器及相应的单片机控制器和保护电路设计等。该驱动电源实现了电流输出范围0～45A连续可调,电流控制精度优于1％;控温范围＋15℃～＋35℃,控温精度0．5℃。     

基于MSP430F449的半导体激光器温控系统设计

为了改善传统的半导体激光器温度控制系统体积大、噪音大且精度有限等缺点,研制开发了一种基于MSP430F449单片机与DS18B20数字温度传感器的半导体激光器温控系统。结合PID控制算法,利用PWM脉宽调制,控制热电制冷器的驱动电流,实现对激光器的恒温控制。实验表明,该系统温控精度优于±0.1℃,能够为半导体激光器提供稳定的温度环境。     

小功率半导体激光二极管的稳定控制及其在原子实验中的应用

介绍一种高稳定的半导体激光二极管恒温、稳流控制方式。使用该方式电路，室温下半导体激光二极管注入电流波动为10^-5，温度波动优于10^-4。并介绍高稳定半导体二极管激光在原子超精细跃迁线形吸收谱和塞曼相干共振谱观测中的应用。