论文研究-基于激光器的输出功率可调的稳定光源设计 .pdf

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基于激光器的输出功率可调的稳定光源设计,钟铁刚,石伟,论文首先设计了一种基于激光器驱动芯片iC-WKN的具有慢启动功能和低纹波系数的半导体激光器驱动电源。同时,为了减小温度变化的影响
山国武技论文在丝 该电前面部分为常规所关电源的整流和滤波环节,采用二极管组成电桥将变压器输岀 端的交流电转换成直流电,然后通过稳压芯片将电压稳定在我们所需要的范围,再利用一个 π型滤波网络来消除电路中的纹波。慢启动电路的作用是消除电路中可能存在的浪涌,防止 浪涌对激光器以及驱动芯片的危害 滤波电路的设计 驱动电源中的π型滤波网络不但可以减小电路中存在的纹波,还能进一步消除浪涌对激 光器的损害,在此选用常见的滤波器 为了更好的消除纹波,将滤波器截止频率设为,计算可得 制作大容量电感会造成电感体积过大,而考虑到电感体积的话,又会使得电容值过高,同样 会造成电路体积过于庞大。因此,在滤波网络中引入·个型的三极管,如图所示 LI R1 1大电容 小电容-c2 滤波器的改进 设三极管的放大倍数为β,则在基极接一个滤波电容,就相当于在射极与地之间接一 个(1+β)C的电容,这样利用三极管的电流放大作用,可以大大减小滤波电容的值和体积。 慢启动电路的设计 慢启动电路的引用是消除浪涌的一个重要手段,它可以消除市电浪涌对激光器造成的冲 击。在论文中,利用双三极管逐级导通的原理来实现半导体激光器的慢启动。没电源电压为 电解电容止极电压为,根据电容充电公式 式( 选用的电阻与100F的电容,由式(1)可以计算出g·。因此,当 升至的时,需要秒的时间。这时激光器可以稳定工作,电压趋于平稳,电路如图5 所示 图慢启动电路设计 山国武技论文在丝 温度控制装置设计 半导体激光器是一个热功率器件,温度会随着工作时间的增加而升高,同时半导体激光 器也是一个温敏元件,温度变化对激光器的输出和寿命有着很大的影响。因此,设计一个温 度控制装冒,使半导体激光器在恒温下工作很有必要。 温度控制装置的整体设计 结合半导体激光器的热传导方式,论文设计了·套温度控制装置如图6所示。 半导体制冷器 绝热玻璃棉 散热片- 导热硅酯 温度传感器 半导体激光器 热沉 图半导体激光器温度控制装置设计 热沉热沉的作用是传导热量,在普通散热片上钻一个圆孔,将半导体激光器通过绝 缘导热硅胶固定在上面,这样半导体激光器发出的热量便可以通过热沉传递到温度传感器, 而半导体制冷器只需要对热沉制冷,便能够间接的实现对半导体激光器的温度控制。 半导体制冷器半导体制冷器()的作用是对热沉冷却。由于半导体激光器产生 的热量可以通过热沉传导,这样制冷器只需要冷却热沉,激光器也会被冷却。 温度传感器温度传感器选用 ,其作用是检测半导体激光器的温度,并将温 度值转换成数字量传递给单片机,使之根据温度变化对制冷器进行操作。 激光器的温度控制过程 温度控制装置的控制部分釆用一套利用算法控制的温度控制系统,翰入激光器的工 作温度后温度传感器开始工作,并将检测到的温度转换成数宁量传送到单片机,稈序根据设 定的PⅠ算法进行计算和采样,并根据计算结果控制制冷器的工作与停止,使温度控制在一 定范围之内,温度控制的整体框图如图7所示。 热沉 图温度控制框图 山国武花记文在丝 环境温度实验测试 在激光器最大功率输岀的情况下,保持TEC最大工作电流不变,得到环境温度变化对 热沉温度影响的变化曲线,如图8所示。 热30 混 度20 20 25 30 35 室内温度/°C 图室内温度对热沉温度影响曲线 由图8可以看出,隨随着抔境温度上升,热沉温度随之上升。当环境温度达到35℃时, 热沉温度上升到22.6℃。这表明环境温度上升至35℃时仍可保证滠光器工作在热沉温度 线25~30℃.在实际检测中,温度稳定性达到±0.5℃,热沉的控温变化范围满疋∫激 光器实际工作的需要。 半导体激光器输出可调功率的设计 调节信号产生电路设计 在半导体溦光器的许多具体应用中,要求激光器不但能够输出具有稳定功率的激光,还 要求溦光的功率能够根据需要进行连续的调节。调节信号产生电路包括转换电路和反 向比例运算放大电路。反向比例运放电路实现转换电路输出电压由负到正的转换,也 使调节信号范围与 的要求相匹配,整个电路如图所示。 数字信号输入 十 AD7515 WR 图 转换电路与运放电路 输入数字信号的理论值计算 的输入数字量与调节信号之间的关系为: 式(2) 山国武技论文在丝 其中为的参考电压,一为后端运放电路的比例系数,由式()可得: 式(3) 从式()可以看出,输出功率的调制在电阻和确定时,只与的输入数字 量有关。因此可以调整单片机程序来改交输入数字量,从而实现激光器输出功率的调节。 调节信号的纹波消除 在转换电路的输出电压中,存在一定的纹波,这些纹波会严重影响激光器的输岀 功率的稳定性和调节的精确性。在论文中,设计∫由一个一阶滤波器和一个二阶滤波器串联 组成的三阶巴特沃兹低通滤波器实现调节信号的的纹波消除,整个电路如图所示。 MDK 0. 0.na 王 阶滤波网兰 阶介滤波网纟 图调节信号纹波消除电路 功率调节电路的组成 在半导体激光器输出功率调节电路中,转换电路及其后端的反向比例运放电路是该 部分的核心和关键。除此之外,还需要有单片机和串口通信电路等部分,整个电路组成如图 所示 2∨电源 看 狗电路 基准电压源 -12∨电源 匚单片机[AD545 运放电路 iC-WKN 低通滤波器 图功率调节电路组成框图 结论 设计完成后,利用光功率计测得设计的半导体激光器的输出功率参数如图所示。由 图可以看出,在调节信号的控制下,设计的半导体激光器的输出功率可在 之间连 续调节。 山国武技论文在丝 10 15 20 35 I/mA 图半导体激光器的输出功率参数 综上所述,本论文利用一种仝新的方法设计了一种基于激光器的输出功率可调的稳定光 源。其温度控制精度达±0.5℃,激光器的输出功率范围为 。本设计实现了对半导 体激光器输岀功率的连续调节,满足∫环境温度范围內的使用的要求具有操作方便、控温 精度高、误差小等优点,该装置在测量、科研和光纤通信中具有很好的应用前景。 參考文献 林咏海,毛沟涛,张锦龙,等一和半导体激光器驱动电源的设计激光杂志 任建明基于激光器的 稳定光源的研究葫芦岛:辽宁上程技术大学, 周真,齐忠亮,秦勇,等半导体激光器恒温控制系统的高精度涅度测量研究工程设计学报, 赵毅强,孙权,郑炜半导体激光器温度控制模块的设计传感技术学报, 徐秀芳,胡晓东激光一极管的功率稳怛控制技术光子学报, 陈军,张认成,丘华兰,等半导体激光器稳恒功率控制系统的设计华侨大学学报, ():

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