用于光频标半导体激光器温度控制电路的设计

【前言】用于光频标半导体激光器温度控制电路的设计由文秘帮小编整理而成，但愿对你的学习工作带来帮助。1 原理 根据反馈控制原理，我们设计的控温电路流程如下： PID（Proportional Integral Derivative）控制相当于一个放大倍数可自动调节的放大器，动态放大倍数低，而静态时放大倍数高，从而解决了系统内稳定性与精确度间的矛盾，非常适合系统设计的自动控温的要求。 2 ...

[摘 要] 半导体激光频标的核心是半导体激光器，其输出激光的线宽与稳定性是影响频标性能指标的重要因素之一。半导体激光器对工作温度很敏感，需要有恒定温度保证半导体激光器工作稳定。本文在借鉴常用的一些温控电路的基础上，给出了一种实用的控制精度较高的温控电路设计，实现了对激光器工作温度的控制。并对整个电路做出了实验仿真和测试，系统控温精度达到0.01 ℃。

[关键词] 半导体激光器；温度控制电路；PID控制

[中图分类号] TN248.4 [文献标识码] A

半导体激光器以其体积小、寿命长、使用简单方便等优点广泛应用于各个领域。其输出激光的线宽与稳定性是影响频标性能指标的重要因素之一[1]。由于激光器输出的中心频率是不稳定的，对注入电流和温度很敏感，因而对于光频标的实现，必须要求半导体激光器输出激光线宽为几兆赫兹，显然，要使激光线宽达到这个要求，必须对半导体激光器的注入电流和激光器的温度进行精密的控制[2-4]。

温度控制核心是用电路控制半导体制冷片（与激光器基座相连）冷却或加热，以保证激光器工作在设定的温度[5]。

1 原理

根据反馈控制原理，我们设计的控温电路流程如下：

PID（Proportional Integral Derivative）控制相当于一个放大倍数可自动调节的放大器，动态放大倍数低，而静态时放大倍数高，从而解决了系统内稳定性与精确度间的矛盾，非常适合系统设计的自动控温的要求。

2 模块功能

3.1 采样及误差放大电路

电阻R3、R4、R5、R6、Rth、Rset构成采样电路。其中，Rth是热敏电阻，其阻值反映了被控对象的温度。这里Rth构成了一个反馈环路，将温度转换为电压值反馈给电路。Rset是温度设置电阻，用来设定我们控制要达到的温度。

3.2 PID控制电路。

U8A、R15、R16、R17构成比例电路，放大倍数Kp=R17/（R15+R16）。

3.3 负反馈电路在PID控制电路之后，还加入了一级负反馈积分电路。U（t）为PID输出的控制信号，Vo为最后驱动功放的纠偏信号。

3 温度显示电路

最右端输出到一个电压表头，以供显示。

25度时热敏电阻Rth为10k，电阻臂平衡，此时U11差分的结果为零，调整R11让电压表显示25.0。

当温度在25.0度上下变化的时候，Rth的值也会变化，变化量被U11差分出来（U11的放大比例由Rth随温度变化曲线决定）送到U12和初始设定好的25.0度的电压做差，这样最后的输出就是当前温度。

4 结论

利用该控温电路的设计，实现对激光器工作温度进行控制。通过对整个电路做出了实验仿真和测试，控温精度达到0.01 ℃。证实了以上设计方法的科学性和实用性。

参考文献：

[1]P.Kerston， F.Mensing， U.Sterr， F.Riehle. A transportable optical calcium frequency standard. Appl. Phys. B 1999，（68）：27-38

[2]沈乃，魏志义，聂玉昕.光频标和光频测量的历史、现状和未来[J].量子电子学报，2004，21（2）：139-148

[3]戴义保，陈多磊.高精密温度测量的研究与实现[J].自动化仪表，2003，24（3）：24-27.

[4]徐庆扬，陈少武.可调谐半导体激光器研究及进展[J].物理，2004，33（7）：508-514.

[5]K.B.MacAdam，A.Steinbach，andC.Wieman.Anarrow-bandtunablediodelasersystemwithgratingfeedback，andasaturatedabsorptionspectrometerforCsandRb[J].Am.J.Phys.60（12）：1098-1110，December1992.

[6]孙丽飞，田小建，艾宝丽.大功率半导体激光器的精密模糊PID温控系统[J].量子电子学报，2005，122（3）：382-387.

[7]吕得胜，黄凯凯，王凤芝.657nm外腔半导体激光器的实现[J].时间频率学报，2003，26（1）：1-6.

作者简介：张世娟（1972.11-），女，研究方向：自动化工程技术。