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半导体激光器的解耦控制理论及方法研究

谢海鹤  
【摘要】: 半导体激光器作为一种新型光源,由于具有尺寸小,重量轻,低电压驱动,直接调制等优良特性,其运用越来越广泛。然而,半导体激光器对于工作温度及驱动电流非常敏感,微小的波动就会对其输出光强和器件参数产生较大的变化,并有可能直接危及器件的安全使用。因此,在实际应用中对半导体激光器的温度控制和电流控制提出了很高的要求。 为了进一步提高半导体激光器的性能,通过对热电制冷器(TEC)工作特性的分析,运用一维传热学方程,推导出散热器等效导热系数与TEC工作效率间的数学关系,证明提高散热器等效导热系数能改善温控工作效率,由此提出一种采用翅片管散热器的半导体激光器(LD)温控系统优化设计方法,具体包括散热器选择理论依据和系统结构。针对TEC的驱动特性,设计了一种用于激光器PWM温度控制的比较放大MOSFET桥驱动电路;该电路解决了线性驱动的低效问题,避免了传统PWM驱动电路的直通问题;同时采取隔离和保护措施,降低了温控模块和LD驱动模块之间的影响,提高了系统抗干扰性能;针对该电路中存在的非线性问题,设计了线性化程序,提高温度控制精度。改进了恒流源电路,提高了电流控制精度和线性,增加了恒电流控制方式。通过采集TEC电流和半导体激光器驱动电流对器件温度的影响数据,建立半导体激光器系统的温度-功率耦合模型,在此基础上采用前馈解耦补偿算法对耦合模型进行解耦,并应用Simulink进行分析和仿真。在前馈解耦控制算法原理的基础上,提出了异步解耦补偿控制算法,并设计了控制程序。 实验结果表明:LD驱动系统成功的在30s内将系统输出功率稳定在±0.01W;在实验室环境下,采用热管散热技术和基于PWM比较放大的TEC驱动电路后,该温控系统在100s内将系统温度误差控制在±0.1℃以内。同时通过软件仿真解耦控制系统,证实了该方法能改善系统的性能,通过实验验证异步解耦补偿算法能起到改善系统输出功率控制效果。文章最后部分还对当前存在的问题和未来改进的方向进行了探讨。


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