一种TEC温度控制模块的电路设计与仿真

为满足半导体激光器温度控制的要求,采用单个lm224放大器及若干电子元器件设计了一种高精度TEC温度控制电路,介绍了激光器温度控制模块的系统组成及工作原理,详细分析了TEC控制电路结构,采用pspice软件对电路做了仿真分析,建立了仿真模型并且介绍了仿真方法,仿真结果及实际测试表明此模块能够保证激光器稳定工作,控制精度为±0.1℃.该模块易于集成,工作温度范围宽且成本低廉,适用于多数半导体激光器中使用.     

垂直腔面发射激光器的温度模型

针对垂直腔面发射激光器提出了一种改进的温度模型.该模型建立在半导体激光器Tucker模型的基础之上,通过令器件的寄生电阻和反向饱和电流受温度控制,来模拟激光器的输入特性(Ⅴ-Ⅰ特性),通过引入温度控制的泄漏电流来模拟激光器的输出特性(L-I特性).模型的参数提取可以基于Tucker模型,并能方便地应用到HSPICE电路仿真软件中,通过对比可以发现,仿真结果和测试结果吻合得很好.     

基于反误差校正的LD的高精度温度控制系统

分析了热敏电阻单放大器带增益线性化补偿方法,对其线性化误差模型进行了理论与实验研究,进而提出了温度设定值反误差修正的半导体激光器(LD)温度控制系统。该系统无需添加附加的硬件装置,采用软件的方法改变温度的D/A设定值,以此达到温度线性化误差反校正的目的,从而实现了LD的高精度温度控制。实验研究表明,该系统的温度控制精度≤0.004℃,5h温度稳定度<0.003℃。     

垂直腔面发射激光器的温度模型

针对垂直腔面发射激光器提出了一种改进的温度模型.该模型建立在半导体激光器Tucker模型的基础之上,通过令器件的寄生电阻和反向饱和电流受温度控制,来模拟激光器的输入特性(Ⅴ-Ⅰ特性),通过引入温度控制的泄漏电流来模拟激光器的输出特性(L-I特性).模型的参数提取可以基于Tucker模型,并能方便地应用到HSPICE电路仿真软件中,通过对比可以发现,仿真结果和测试结果吻合得很好.     

同轴封装半导体激光器的散热研究

通过对激光器传热过程的理论分析,建立了同轴封装半导体激光器的物理散热模型,利用计算流体力学(CFD)软件对T056和T038两种同轴封装的半导体激光器进行了散热模拟分析,并设计了相关的实验(在激光器里面装上热敏电阻)对激光器管芯的温度进行检测,实验结果与仿真结果非常吻合,对激光器组件的设计有一定的指导意义.     

半导体激光器恒温控制技术研究

分析了温度对激光器特性的影响,引出对激光器进行温度控制的必要性;介绍了基于热电制冷技术的半导体激光器恒温控钢系统的结构;从温度检测,A／D转换、单片机控制、TEC的PWM驱动、控制算法的优化等方面进行了恒温控翻系统的详细设计,通过软件仿真和实验测试,验证了系统设计的合理性,达到了恒温控翻目标。     

光纤半导体激光器温度智能控制系统设计与仿真

针对光纤半导体激光器温度控制装置温度调节非线性、滞后、范围较窄、精度较低的问题,设计光纤半导体激光器温度智能控制系统。采用STC89C52单片机微处理器控制温度的方法,用温度传感器DS18B20采集半导体激光器的温度传送给单片机,通过PID数字控制,控制半导体制冷器的工作。使半导体激光器的温度稳定到设定值。通过Protues仿真结果表明,设计的系统温度控制的范围较大,检测控制速度快,精度高,给现代光纤半导体激光器温度的智能控制提供一种可行方案。     

基于PID算法的激光器恒温控制系统的设计

为了提高分布式反馈(DFB)激光器发光波长的控制精度,利用半导体热电制冷器设计了一款用于气体检测的DFB激光器精密温度控制系统.该系统主要包括数字信号处理电路、前向TEC驱动电路和后向温度采集电路构成.采用闭环比例-积分-微分(PID)控制算法,提高系统的控制精度、缩短系统的响应时间.通过使用温度控制系统向中心波长为1600nm的NLK1L5GAAA型可调谐DFB激光器进行了温度控制测试实验.实验数据证实,本装置的温度控制精度为±0.05℃,温度控制范围为5℃至60℃,超调量小于16％,温度恒定时间小于50s.检测水汽连续工作24小时激光器中心波长未发生明显漂移,表明该系统具有良好的稳定性,为DFB激光器在红外气体检测领域的应用提供了性能保障.     

大功率半导体激光驱动电源的研制

介绍了一种利用单片机控制的大功率半导体激光驱动电源。系统采用恒流源、光功率反馈、继电保护、慢启动、慢关闭等软保护措施,实现对半导体激光器输出光功率的软调整及有效保护。同时,采用半导体温度控制技术,对半导体激光器进行恒温控制,从而实现了半导体激光器光功率稳定、可靠、准确输出。经实验证明,在0℃-40℃的环境温度下,该驱动电源可使激光器的光功率稳定度优于0.5%;温度控制精度优于±0.3℃。     

半导体激光器恒温控制器算法的实验仿真研究

半导体激光器的输出波长随着温度而变化,同时,输出功率也会随着温度和使用时间的变化而发生漂移,因此,半导体激光器的恒温控制是极其必要的.根据半导体激光器的温度控制特点,对PID和Fuzzy控制进行理论分析,将SIMULINK2.1与FuzzyLogicTool-Box有机地结合,实现了模糊自整定PID参数控制系统的计算机仿真设计.仿真结果表明,此种方法简单,易于实现.此系统还可以应用在其他小型的温控系统中.     

快速半导体激光器温度控制系统设计

温度是影响半导体激光器性能指标之一, 为了实现快速稳定的温度控制,研究了系统的温度控制硬件和算法。系统以MSP430低功耗微控制处理器为核心, 采用自动调节制冷片电压和脉冲宽度调制(PWM)输出脉冲方式相结合的驱动电路, 根据系统的机械控制热平衡模型和装置的高低温实验建立了自适应温度调节算法。经过高低温实验研究, 从-40~50 ℃控制到温度为23 ℃时, 激光器温度稳定所消耗的时间分别为2 min 30 s和1 min 30 s, 其中控制精度为0.2 ℃。对激光器功率稳定性进行实验分析, 控温前后激光功率的稳定性, 从5%提高到1%以内, 满足人眼安全对激光功率密度的要求, 该方案的设计对于小功率、快速稳定的激光系统的设计具有可借鉴意义。     

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℃。     

矩形激光脉冲辐照下半导体温度场理论研究

为了研究矩形激光脉冲辐照下半导体材料3维光生载流子浓度和温度场分布,采用本征函数法求得了等离子体波和热波随时间和空间变化的解析解。数值模拟了矩形激光脉冲辐照下半导体内光生载流子浓度和温度的时间变化规律以及温度沿径向的扩散规律。结果表明,光生载流子表面复合速率、寿命和扩散系数等参量对等离子体波和热波分布的时域特性有重要的影响,特别是在等离子体波和热波阶跃响应的上升和下降沿阶段;此外,多参量拟合灵敏度以及相关性分析表明,对阶跃响应曲线进行拟合可实现对半导体参量的单参量及双参量表征。该理论结果对于利用阶跃光激励的光热技术测量半导体材料参量具有一定的指导作用。     

垂直腔面发射激光器的温度特性研究

为了研究垂直腔面发射激光器（VCSEL）输出的光功率与器件温度的关系,确定用户可正常使用网络的温度范围,采用输出光功率与工作电流关系（P-I）模型进行了理论分析及实验验证,并通过简化模型参量及引入电压与电流关系（U-I）特性曲线来优化模型。采用了Levenberg-Marquardt（LM）算法来实现模型参量的求解,对比20℃下的测量数据与拟合数据的相似度,预测得到不同温度下的P-I特性曲线数据。结果表明,在固定温度下,输出光功率随着驱动电流的增加先增后减;在固定的驱动电流下,输出光功率随着温度增加而减小;要保证用户正常上网,电机房里VCSEL激光器工作的环境温度最多不能高于31℃。     

基于热电偶动态校准的非线性拟合方法研究

为了提高热电偶动态校准的准确性,采用半导体激光器、红外探测器和被校准热电偶组成新的热电偶动态校准系统,分析了动态校准中红外探测器静态校准目的。根据反向传播神经网络原理,确定了反向传播神经网络的结构和参量,同时针对普通K型铠装热电偶进行了动态校准实验,得到红外探测器静态校准数据,由此数据采用最小二乘法和反向传播神经网络分别进行数据的非线性拟合,对两种方法的拟合结果进行了分析,并给出了拟合曲线。结果表明,在样本数据少、分布不均匀的情况下,反向传播神经网络拟合效果优于传统的最小二乘法,减小了由于数据拟合所带来的误差,能够更加准确地获得热电偶动态特性,实现热电偶动态补偿。这一研究结果对于热电偶动态特性研究具有重要的参考价值。     

热电偶时间常数测试中阶跃温升信号的研究

为了对热电偶时间常数进行准确测试,采用上升时间5μs、功率500W的大功率半导体激光器作为系统激励源对热电偶进行加热的方法,对时间常数进行了理论分析和实验验证。利用半导体激光器输出连续且光斑能量均匀稳定的优点,解决了原测试系统中传统激励源作用机理的限制。结果表明,由于半导体激光器输出功率恒定,利用闭环反馈控制激光功率的方法,产生激光阶跃温升信号,保证了热电偶的均匀加热,得到了期望的平衡温度;4支不同热电偶时间常数分别测得为2.806s,3.094s,2.229s和2.457s。该反馈控制器具有较强的鲁棒性,测试系统可激发较理想的阶跃温升信号,为热电偶时间常数测试提供高质量的激励源。     

半导体激光器非典型宏通道水冷散热系统设计

针对大功率半导体激光器散热系统展开设计研究。首先，对水冷散热系统的流体通道中的冷却液进行了流体分析，结果表明在传统矩形流体通道结构中，冷却液在进液口处和弯度较小处容易产生湍流空洞。湍流空洞不仅会产生空泡腐蚀效应，还会导致靠近热源的上层冷却液填充不充分，降低系统的散热效率；其次，在传统流体通道结构的基础上，提出了一种非典型宏通道结构的优化模型。采用有限元分析软件Fluent分别对散热模型的分布和激光器模块器件的分布进行了数值模拟，流场结果表明优化模型中冷却液流动时没有湍流空洞产生，散热系统可靠性更高，冷却液在流体通道的上层填充效果更好，同时解决了传统模型中流体在局部流道中流速缓慢的问题，使散热系统具备更良好的散热性能。接着又通过温度场仿真结果得出，优化模型搭建的散热系统工作时激光器最高温度可降低2 ℃，且热源1上温度更均匀，热源3上温度降低1.25 ℃；最后，在激光器满功率输出情况下进行的散热实验对比，获得的实验数据与仿真结果基本一致。     

热电偶动态校准及动态补偿技术研究

介绍了利用大功率半导体激光器发出的脉冲激光作为激励源,使被校准热电偶表面产生温升,用响应速度快的红外探测器和对被校准热电偶同时对此温度变化信号进行探测,由于红外探测器的频率响应优于被校准热电偶频率响应,因此,以前者测得的值作为真值来校准后者的动态校准系统。利用该系统对普通K型铠装热电偶进行了动态校准,得到红外探测器和被校准热电偶温度-时间的曲线。热电偶补偿环节采用动态补偿滤波器进行建模,由测得的数据曲线来确定滤波器的阶次和参数,从而确立模型结构,并利用交叉检验法检验模型的正确性。试验表明：通过动态补偿模型减小了热电偶的动态误差,使之更接近于实际值,并给出了普通K型铠装热电偶补偿曲线。     

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。     

Thermal Modelling and Characterisation of Semiconductor Bolometers

A revised version of the Griffin & Holland ideal semiconductor bolometer model is presented and its use in determining bolometer properties and parameters from experimental load curve measurements is discussed. We show that degeneracy between some bolometer parameters can only be broken by model fitting a family of load curves over a range of bath temperatures, and that measurements with the bolometer blanked (zero absorbed radiant power) are essential for unambiguous determination of the main parameters. The influence of measurement errors on parameter recovery is analysed using synthetic noisy data sets.