CN102570306A - 连续激光器的驱动装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种连续激光器的驱动装置，包括向所述连续激光器输出工作电流的电流源，所述驱动装置进一步包括：控制模块，所述控制模块用于调整所述电流源在一个工作周期内向所述连续激光器输出工作电流的间断时间以及输出时间，输出时间处于1-50ms，占空比处于1-5％。本发明具有环境适应强、方便维护、成本低的等优点。

Description

连续激光器的驱动装置及方法

技术领域

本发明涉及激光器的驱动，特别涉及连续激光器的驱动装置及方法。

背景技术

量子级联激光器因其工作在中红外波段，覆盖了大多数有机和无机小分子的强烈基频吸收，具有广泛的应用前景，激光气体分析仪是其典型应用之一。但自量子级联激光器问世以来，电光转换效率低、发热量大一直限制了其应用。因此，提高量子级联激光器的转化效率也一直是量子级联激光器研究和应用的工作重点。

在量子级联激光器的应用中，现在一般采用窄脉冲驱动方式(几十至几百纳秒)，从而缩短激光器的发光时间，降低量子级联激光器的等效发热量。但是因量子级联激光器的驱动电流电压较大，设计高质量的窄脉冲激光器驱动电路的难度较大。此外，窄脉冲工作方式提高了对激光器驱动电路、传感器响应速度和信号处理电路，以及数据卡采样速率的要求。这些都会大大增加量子级联激光气体分析系统的技术设计难度和成本。

在有些应用中，也采用连续的方式驱动量子级联激光器。此时，量子级联激光器的发热量大大增加，需要在水甚至液氮等较强的制冷条件下才能工作，该类系统也只能在实验室等室内环境中工作。

在流程工业现场气体分析等应用中，工作环境要更加恶劣。例如，为适应不同地域和季节的气温变化要求，工业过程仪表的设计需满足-30-+60℃的气温变化要求。基于以上原因，国际上迄今还没有能应用于流程工业的量子级联激光气体分析系统。

发明内容

为了解决上述现有技术方案中的不足，本发明提供了一种能有效降低激光器等效发热量、稳定性高的连续激光器的驱动方法和装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

连续激光器的驱动装置，包括向所述连续激光器输出工作电流的电流源，特点是，所述驱动装置进一步包括：

控制模块，所述控制模块用于调整所述电流源在一个工作周期内向所述连续激光器输出工作电流的间断时间以及输出时间，输出时间处于1-50ms，占空比处于1-5％。

根据上述的驱动装置，可选地，所述驱动装置进一步包括：

测温模块，所述测温模块用于测量所述连续激光器的工作环境温度，并将测得的工作环境温度传送到控制模块；

所述控制模块还用于根据所述测温模块传送来的工作环境温度去调整所述占空比：所述工作环境温度越高，所述占空比越小。

根据上述的驱动装置，优选地，所述连续激光器采用TO-3或HHL等封装。

根据上述的驱动装置，可选地，所述连续激光器是量子级联激光器。

根据上述的驱动装置，可选地，所述驱动装置进一步包括：

温控模块，所述温控温度用于控制所述连续激光器的工作温度，所述测温模块用于测量所述激光器安装热沉的温度或所述连续激光器应用环境的温度。

本发明的目的还通过以下技术方案得以实现：

连续激光器的驱动方法，所述驱动方法包括以下步骤：

(A1)电流源间断地向连续激光器输送工作电流；

(A2)控制模块调整所述电流源在一个工作周期内向所述连续激光器输出工作电流的间断时间以及输出时间，输出时间处于1-50ms，占空比处于1-5％。

根据上述的驱动方法，可选地，所述驱动方法进一步包括以下步骤：

(B1)测温模块测得连续激光器的工作环境温度，并传送到控制模块；

(B2)控制模块根据所述测温模块传送来的工作环境温度去调整所述占空比：所述工作环境温度越高，所述占空比越小。

根据上述的驱动方法，优选地，所述电流源向所述连续激光器输出矩形波电信号。

根据上述的驱动方法，优选地，在所述输出时间内，在所述矩形波电信号的至少部分上叠加三角波电信号。

根据上述的驱动方法，优选地，在所述输出时间内，在所述三角波电信号上叠加第一正弦波电信号，频率为f₁。

根据上述的驱动方法，优选地，在所述输出时间内，在没有叠加所述三角波电信号的矩形波电信号上叠加第二正弦波电信号，频率为f₂，且有M·f₁＝N·f₂，M、N为不相同的整数。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果为：

1、降低对数据卡采样率和传感器响应速度的要求，降低系统成本和硬件电路设计难度；

2、可以减少连续激光器的等效发热功率，使激光气体分析仪适用于流程工业等高温恶劣应用场合；也使得连续激光器能任意封装在T0-3或HHL等封装中；

3、可以自动适应环境温度的变化。根据环境温度的高低，自动调整驱动占空比，从而在保证系统稳定性的前提下，获得尽量快的响应速度。

附图说明

参照附图，本发明的公开内容将变得更易理解。本领域技术人员容易理解的是：这些附图仅仅用于举例说明本发明的技术方案，而并非意在对本发明的保护范围构成限制。图中：

图1是根据本发明实施例1的连续激光器的驱动装置的基本结构图；

图2是根据本发明实施例1的连续激光器的驱动电流的示意图；

图3是根据本发明实施例1的连续激光器的驱动方法的流程图；

图4是根据本发明实施例2的激光气体分析仪的基本结构图。

具体实施方式

图1-4和以下说明描述了本发明的可选实施方式以教导本领域技术人员如何实施和再现本发明。为了教导本发明技术方案，已简化或省略了一些常规方面。本领域技术人员应该理解源自这些实施方式的变型或替换将在本发明的范围内。本领域技术人员应该理解下述特征能够以各种方式组合以形成本发明的多个变型。由此，本发明并不局限于下述可选实施方式，而仅由权利要求和它们的等同物限定。

实施例1：

图1示意性地给出了本发明实施例的连续激光器的驱动装置的基本结构图。如图1所示，所述驱动装置包括：

电流源，所述电流源用于向所述连续激光器输出工作电流，比如矩形波电信号、三角波电信号、正弦波电信号等。所述电流源是本领域的现有技术，在此不再赘述。可选地，所述连续激光器是量子级联激光器，所述连续激光器可采用TO-3或HHL等封装。所述连续激光器还可以是常规的半导体激光器，如VCSEL、DFB等半导体激光器，这对于本领域的技术人员是容易理解的。

控制模块，所述控制模块用于调整所述电流源在一个工作周期内向所述连续激光器输出工作电流的间断时间以及输出时间(对应于激光器的出光时间)，输出时间处于1-50ms，占空比D处于1-5％。所述控制模块可以通过电路或者软件来实现，具体实现方式对于本领域的技术人员是容易理解的。

图2示意性地给出了本发明实施例的连续激光器的驱动电流，如图2所示，在所述输出时间内，在所述控制模块作用下，所述电流源向所述连续激光器注入矩形波电信号(T₁、T₂时间内)，并在部分矩形波电信号上叠加三角波电信号(T₂时间内)，进一步的，还可以在所述三角波电信号上再次叠加第一正弦波电信号，频率为f₁(T₂时间内)，在没有叠加所述三角波电信号的矩形波电信号上(T₁时间内)叠加第二正弦波信号，频率为f₂，且有M·f₁＝N·f₂，M、N为不相同的整数，从而调制所述连续激光器的输出波长。

可选地，所述驱动装置进一步包括：

测温模块，所述测温模块用于测量所述连续激光器的工作环境温度，并将测得的工作环境温度传送到控制模块；所述测温模块可采用热电偶、热敏电阻、温度计等测量元件。

所述控制模块还用于根据所述测温模块传送来的工作环境温度去调整所述占空比D：所述工作环境温度越高，所述占空比D越小，调整方式为：输出时间不变，拉长输出时间之间的间断时间；或者在不改变原间断时间的情况下缩短输出时间，则相应地拉长了间断时间；再或者既缩短原输出时间又拉长原输出时间之间的间断时间，从而在不影响工作的情况下降低了所述连续激光器的发热量。当所述工作环境温度降低，所述占空比D可以变大，具体调整方式与上述调整方式相反。

根据上述的驱动装置，可选地，所述驱动装置进一步包括：

温控模块，所述温控温度用于控制所述连续激光器的工作温度，所述测温模块用于测量所述激光器安装热沉的温度或所述连续激光器应用环境的温度。所述温控模块可采用TEC，使得连续激光器在特定温度和电流下发射特定的波长。所述连续激光器的输出波长与工作温度、工作电流的对应关系对本领域的技术人员是容易理解的基本常识。

图3示意性地给出了本发明实施例的连续激光器的驱动方法的流程图。如图3所示，所述驱动方法包括以下步骤：

(A1)电流源间断地向连续激光器输送工作电流，比如矩形波电信号、三角波电信号、正弦波电信号等，从而使所述连续激光器间断地工作，如图2所示。所述电流源是本领域的现有技术，在此不再赘述。

可选地，所述连续激光器是量子级联激光器，所述连续激光器可采用TO-3或HHL等封装。所述连续激光器还可以是常规的半导体激光器，如VCSEL、DFB等半导体激光器，这对于本领域的技术人员是容易理解的。

(A2)控制模块调整所述电流源在一个工作周期内向所述连续激光器输出工作电流的间断时间以及输出时间(对应于激光器的出光时间)，输出时间处于1-50ms，占空比D处于1-5％。

可选地，如图2所示，在所述输出时间内，在所述控制模块作用下，所述电流源向所述连续激光器注入矩形波电信号(T₁、T₂时间内)，并在部分矩形波电信号(T₂时间内)上叠加三角波电信号，进一步的，还可以在所述三角波电信号(T₂时间内)上再次叠加第一正弦波电信号，频率为f₁，在没有叠加所述三角波电信号的矩形波电信号上(T₁时间内)叠加第二正弦波信号，频率为f₂，且有M·f₁＝N·f₂，M、N为不相同的整数，从而调制了所述连续激光器的输出光波长，也确保在后端各段信号都可以通过相同的滤波器来进行信号处理。

根据上述的驱动方法，可选地，所述驱动方法进一步包括以下步骤：

(B1)测温模块测得连续激光器的工作环境温度，并传送到控制模块；所述测温模块可采用热电偶、热敏电阻、温度计等测量元件。

(B2)控制模块根据所述测温模块传送来的工作环境温度去调整所述占空比：所述工作环境温度越高，所述占空比越小。调整方式为：输出时间不变，拉长输出时间之间的间断时间；或者在不改变原间断时间的情况下缩短输出时间，则相应地拉长了间断时间；再或者既缩短原输出时间又拉长原输出时间之间的间断时间，从而在不影响工作的情况下降低了所述连续激光器的发热量。当所述工作环境温度降低，所述占空比D可以变大，具体调整方式与上述调整方式相反。

在上述方法中，还使用温控模块控制所述连续激光器的工作温度，所述测温模块用于测量所述激光器的安装热沉的温度或所述连续激光器应用环境的温度。所述温控模块可采用TEC，使得连续激光器在特定温度和电流下发射特定的波长。所述连续激光器的输出波长与工作温度、工作电流的对应关系对本领域的技术人员是容易理解的基本常识。

根据本发明实施例1达到的益处在于：连续激光器的等效发热量小，所需的温控模块的功耗也低，使得激光器能够采用脉冲激光器使用的TO-3封装，降低了热设计和电路设计的难度，保证了激光器工作的稳定性，使得上述连续激光器的驱动装置及方法能够应用在工作环境恶劣的流程工业中。

实施例2：

根据本发明实施例1的驱动装置和方法在激光气体分析仪中的应用例，具体是使用该量子级联激光气体分析仪测量硫酸装置中SO₂的浓度。该工况样气中含有SO₂、SO₃等酸性气体和水份，传统的取样仪表所采用的预处理系统在该处使用腐蚀情况严重，严重时会发生泄漏。而且，样气在取样管道中传输时会有结晶物析出，导致取样系统经常堵塞。故该工况采用原位测量激光气体分析仪具有突出优势。而传统的近红外激光气体分析仪无法有效测量SO₂等气体，故采用了工作在红外波段的量子级联激光气体分析仪来测量硫酸装置中的SO₂的浓度。

图4示意性地给出了本发明实施例的激光气体分析仪的基本结构图。如图4所示，所述激光气体分析仪包括：

连续激光器及驱动装置，所述连续激光器采用量子级联激光器，所述驱动装置包括电流源、温控模块、测温模块以及控制模块，所述控制模块的输入端连接测温模块，输出端连接电流源、温控模块，所述电流源包括矩形波电信号模块、三角波电信号模块、正弦波电信号模块。所述连续激光器在电流源、温控模块的驱动下间断地工作，在出光时间内输出波长对应于SO₂的吸收光谱谱线7.5μm。

探测器，所述探测器用于接收所述连续激光器发出的且穿过管道内气体的光，并将光信号转换为电信号，传送到分析单元处理；

分析单元，所述分析单元利用吸收光谱技术处理所述探测器传送来的电信号，以便获知管道内SO₂的浓度。所述分析单元可采用电路、软件来实现，具体实现方式对于本领域的技术人员是容易理解的基本常识。

上述激光气体分析仪的工作过程如下：

如图2所示，在所述控制模块作用下，所述电流源向所述连续激光器注入矩形波电信号(T₁、T₂时间内)，并在部分矩形波电信号(幅度为400mA)上叠加三角波电信号(T₂＝5ms时间内，最高值为150mA)，进一步的，还可以在所述三角波电信号(T₂时间内)上再次叠加第一正弦波电信号，频率为f₁(f₁＝15kHz)，在没有叠加所述三角波电信号的矩形波电信号上(T₁＝5ms时间内)叠加第二正弦波信号，频率为f₂(f₂＝30kHz)，且有2f₁＝f₂。同时，温控模块控制连续激光器的工作温度，工作温度维持在5℃，此时所述连续激光器间断地工作，在一个周期T₃＝200ms内，激光器发光时间段包括T₁和T₂两段，时长10ms，占空比D为5％。在上述工作条件下，连续激光器的等效发热量仅为0.25W，因此得以使用功耗在10W以下的TEC来温控，大大降低了连续激光器热功耗，也减小了TEC体积，使得连续激光器可以任意封装在TO-3封装或HHL等封装中，从而大大降低系统的热设计和电路设计难度，提高系统的稳定性。

在T₁时间段，量子级联激光器的功率基本不变，但是其波长先是发生快速变化，并随着时间的延续波长变化逐渐变缓，T₁最后段的功率和波长基本恒定。用频率为f₂的正弦信号调制T₁段驱动信号，解调后的光电信号可表征量子级联激光器的功率变化，并用作光谱信号的直流部分S_DC，用于调制解调光谱的功率归一化。

在T₂时间段，量子级联激光器的功率和波长随驱动电流基本线性的变化，激光器的波长扫过SO₂的吸收光谱谱线7.5μm，并用频率为f₁(二次谐波解调时2f₁＝f₂)的正弦信号调制T₂段驱动信号；

激光器发出的测量光穿过管道内的气体，测量光中对应于SO₂的吸收光谱谱线的光由于被管道内的SO₂吸收而衰减，探测器接收被衰减后的光，并转换为电信号，传送到分析单元分析；

分析单元解调探测器传送来的电信号，该信号表征8O₂的吸收，作为光谱信号的交流部分S_AC，并与由T₁段获得的S_DC一起给出功率归一化后的二次谐波光谱吸收波形，进而算出SO₂的浓度值，具体计算方式对于本领域的技术人员是容易理解的基本常识。

在上述测量过程中，测温模块不断采集激光器工作环境的温度。当工作环境温度(如激光器封装底面温度)变化过大时，控制模块去调整激光器工作的占空比D：所述工作环境温度越高，占空比D越小，即小于5％，但不得小于1％。具体调整方式为：出光时间不变，拉长出光时间之间的间断时间，也即T₃＞200ms；或者在不改变原间断时间的情况下缩短出光时间(但不得小于1ms)，则相应地拉长了间断时间，T₃＝200ms；再或者既缩短原出光时间又拉长原出光时间之间的间断时间，从而在不影响工作的情况下降低了所述连续激光器的发热量，使分析仪维持良好的热稳定性和响应速度。测温模块的温度监测点还可以是环境大气温度、分析仪外壳、激光器安装热沉等。占空比自动调整的策略从开发中测试工作确定，原则是均衡考虑系统热稳定性和响应速度两个因素。当所述工作环境温度降低，所述占空比D可以变大，具体调整方式与上述调整方式相反。

占空比D在影响量子级联激光器和分析仪的等效发热量的同时，也影响系统单次浓度测量所需的时间，即分析仪的响应速度。因此，在一定的环境温度下，需均衡考虑等效发热量和响应速度两个因素，选择合适的占空比D。并且，在环境温度变化过大时，占空比D也需相应的自动调整，既保证了分析仪的稳定性和正常运行，又尽量维持分析仪较高的响应速度。无需人为的根据仪表系统运行环境的变化去改变仪表的运行参数，降低了维护工作量；能够及时改变仪表的运行参数，使得仪表正常运行。

实施例3：

根据本发明实施例1的驱动装置和方法在激光气体分析仪中的应用例，具体是应用在脱硝装置中逃逸氨的测量中。

减少NO_x排放是环境保护和预防的主要任务之一。现在，一般在烟气排放前注入定量的NH₃与NO_x反应，生成环境友好的N₂和H₂O来减少NO_x的排放。但是在这个脱硝工艺过程中，过量NH₃(逃逸氨)的量需要精确监测和控制，以避免过量的NH₃导致二次环境污染，严重时影响脱硝设备的正常运行。

但是脱硝工艺点的温度高(380℃左右)、高粉尘(粉尘含量10-50g/Nm³)、高湿度(水蒸气含量10-20％)、NH₃含量低给逃逸氨的监测带来了巨大的挑战。传统取样分析仪表的预处理系统在如此恶劣的工况下很难长期稳定运行，并由于NH₃的水溶性，在取样发生水凝结时导致很大的测量误差。而使用量子级联激光器的激光气体分析仪的原位测量方式避免了预处理系统带来的系列难题，并因其工作在中红外波段，以NH₃分子的强烈基频吸收来检测其浓度，较通常的近红外波段气体吸收提高了3个以上数量级。从而在系统结构的复杂程度变化不大的条件下，实现了很高的探测灵敏度，。

为测量微量逃逸NH₃的浓度，选择了10um的量子级联激光器。量子级联激光器驱动的T₁段发光时间长度为4.5ms，直流驱动电流a₁为350mA。由此可以获得表征现场工艺管道中粉尘等所导致的激光器功率变化的S_DC。并以150mA的三角波驱动电流a₂使量子级联激光器的波长扫过NH₃的单吸收线，获得吸收信号S_AC，此段发光时间T₂为5.5ms。以S_DC归一化S_AC后可获得功率归一化后的吸收光谱，进而计算出NH₃浓度。

驱动发码的重复周期T3设为200ms，以使量子级联激光器的驱动占空比D控制在5％。在驱动电流改变时，激光器的驱动电压维持在10V附近且变化不大，故此时激光器的等效热功率不高于0.25W，与高重复频率的高脉冲QCL的热功率相当。因此，此时的连续量子级联激光器得以使用功耗在10W以下的TEC来温控。大大降低了激光器热功耗和减小了TEC体积，使得连续量子激光器可以任意封装在TO-3封装或HHL封装中。

以如上参数构造的量子级联激光器驱动信号经激光器驱动模块电压和电流放大后加载到量子级联激光器上，驱动激光器发光。为获得所需波长，量子级联激光器被以高于0.05℃的温度精度控制在15℃。同时，在仪表系统运行过程中，一个温度传感器被用于监测激光器封装底面温度。当系统运行的环境温度变化过大导致激光器封装底面温度过高时，将触发激光器驱动模块自动加长驱动发码的重复周期是T₃，将量子级联激光器的占空比D降至5％以下，使系统继续维持良好的热稳定性和响应速度。

上述实施例仅是示例性地说明了连续激光器在一个工作周期内的出光时间、占空比，当然还可以是其它数值，如出光时间(上述T₁+T₂)为1ms，周期T₃＝100ms，此时占空比为1％；再或者出光时间(上述T₁+T₂)为50ms，周期T₃＝1250ms，此时占空比为4％，或者是其它数值，关键是出光时间和占空比的确定要均衡考虑等效发热量、响应速度这两个重要因素。

Claims (12)

1.连续激光器的驱动装置，包括向所述连续激光器输出工作电流的电流源，其特征在于：所述驱动装置进一步包括：

控制模块，所述控制模块用于调整所述电流源在一个工作周期内向所述连续激光器输出工作电流的间断时间以及输出时间，输出时间处于1-50ms，占空比处于1-5％。

2.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动装置进一步包括：

测温模块，所述测温模块用于测量所述连续激光器的工作环境温度，并将测得的工作环境温度传送到控制模块；

所述控制模块还用于根据所述测温模块传送来的工作环境温度去调整所述占空比：所述工作环境温度越高，所述占空比越小。

3.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：所述连续激光器采用TO-3封装。

4.根据权利要求1所述的驱动装置，其特征在于：所述连续激光器是量子级联激光器。

5.根据权利要求2所述的驱动装置，其特征在于：所述驱动装置进一步包括：

温控模块，所述温控温度用于控制所述连续激光器的工作温度，所述测温模块用于测量所述激光器安装热沉的温度或所述连续激光器应用环境的温度。

6.连续激光器的驱动方法，所述驱动方法包括以下步骤：

(A1)电流源间断地向连续激光器输送工作电流；

(A2)控制模块调整所述电流源在一个工作周期内向所述连续激光器输出工作电流的间断时间以及输出时间，输出时间处于1-50ms，占空比处于1-5％。

7.根据权利要求6所述的驱动方法，其特征在于：所述驱动方法进一步包括以下步骤：

(B1)测温模块测得连续激光器的工作环境温度，并传送到控制模块；

(B2)控制模块根据所述测温模块传送来的工作环境温度去调整所述占空比：所述工作环境温度越高，所述占空比越小。

8.根据权利要求6所述的驱动方法，其特征在于：在所述输出时间内，所述电流源向所述连续激光器输出矩形波电信号。

9.根据权利要求8所述的驱动方法，其特征在于：在所述输出时间内，在所述矩形波电信号的部分上叠加三角波电信号。

10.根据权利要求9所述的驱动方法，其特征在于：在所述输出时间内，在所述三角波电信号上叠加第一正弦波电信号，频率为f₁。

11.根据权利要求10所述的驱动方法，其特征在于：在所述输出时间内，在没有叠加所述三角波电信号的矩形波电信号上叠加第二正弦波电信号，频率为f₂，且有M·f₁＝N·f₂，M、N为不相同的整数。

12.根据权利要求6所述的驱动方法，其特征在于：所述连续激光器是量子级联激光器。

Images