CN107069424A - 高功率低功耗可调谐dfb激光器驱动装置 - Google Patents

高功率低功耗可调谐dfb激光器驱动装置 Download PDF

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苗玉
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隋国荣
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Abstract

本发明一种高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，电流采样电路反馈得到激光器的注入电流信号与通过D/A转换电路的设定信号比较得到偏差量，电流调节电路根据所述偏差量对电流进行恒流控制，并将信号发送给MCU控制电路，由MCU控制电路改变D/A转换电路的MAX5142输出设定电压，来对激光器的注入电流进行调节；反馈传感器向MCU控制器反馈激光管实时温度信号，MCU控制器将设定温度与反馈的实际温度进行对比，得到一个温度偏差量，并根据温度偏差量通过温度控制器、执行机构对激光管实施温度控制。本发明解决了在需要多个波长激光装置中光源复杂的问题，同时引入启动关断保护电路，保护激光器和其他组件并改善了系统特性。

Description

高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置
技术领域
本发明涉及一种可调谐激光器驱动控制装置，特别是一种高功率低功耗可调谐DFB激光器控制装置，主要应用于拉曼光谱分析技术，而拉曼光谱分析技术可应用于环境检测、食品安全、生命医药、医学诊断、生物医学、安防、刑侦、质检等领域的物质检测与分析。
背景技术
20世纪80年代以来，分析检测技术在化学分析（成分、含量、结构检测、痕量分析检测等）、物理检测（力学传感、干涉分析仪、物性参数测量等）以及天文地理观测、工业生产流程监控、产品质量控制等传统领域不断广泛应用，并且在生物、医学、环境、生态等新领域中成为发展的新潮流。在这些领域中，生物化学及生物医学是利用高新技术最多的领域，而拉曼光谱是该领域分析物质组成及结构最重要的手段之一。光源这一核心器件的重要性也在拉曼光谱技术的发展历史中表现地尤为突出。
目前，国内的电流驱动和温度控制大多是独立的、功能比较完善，但是价格昂贵。在电路驱动方面，国内半导体激光器控制器的生产厂商主要有湖北光通公司、上海科联公司。在先技术具有一定特点，但是，此类在先技术存在本质不足，1）电流驱动与温度控制大多为独立控制，无法进行综合控制，以达到综合调谐半导体激光器波长的作用。2）国内激光器驱动控制的功率较小，对于需求高功率的装置（如拉曼光谱检测装置）无法使其系统处于最优状态。3）控制精度不高，以广通公司的JD200T为例，其控制精度为10mA。而本发明控制精度为1mA之内。4）国内起光器驱动控制尚无数控产品。
发明内容
本发明要解决的问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，该装置具有高功率、低功耗、可数控、实现温度和电流综合调谐、误差低、系统稳定性高、精度高、功能易于拓展等特点。
本发明的技术方案为：一种高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，包括D/A转换电路、电流调节电路、激光器、MCU控制电路、电流采样电路、温度实时反馈传感器、激光管、温度执行电路、温度控制器、D/A转换电路，所述电流采样电路反馈得到激光器的注入电流信号与通过D/A转换电路的设定信号比较得到偏差量，电流调节电路根据所述偏差量对电流进行控制，使电流达到恒流；所述电流采样电路将经过数模转换的信号发送给MCU控制电路，由MCU控制电路改变D/A转换电路的MAX5142输出设定电压，来对激光器的注入电流进行调节；所述反馈传感器向MCU控制器反馈激光管实时温度信号，MCU控制器将设定温度与反馈的实际温度进行对比，得到一个温度偏差量，并根据所述温度偏差量通过温度控制器、温度执行机构对激光管实施温度控制，形成测量激光管温度值，得出温度偏差值，对激光管进行再一次调节的负反馈调节闭环控制系统。
所述的MCU控制电路采用高速、低功耗的具有强抗干扰性的STC12C5630AD芯片，所述的D/A转换电路采用数模转换芯片MAX5142，为恒流源提供设定信号，标准电压为2.5V。
所述的电流调节电路、电路采样电路为恒流源电路采用集成运算放大器TLC4501或场效应管2KS3133。
所述的激光器和激光管为分布式反馈激光器、动态单模激光器、量子阱激光器、表面发射激光器、微腔激光器的任一种。
所述的反馈传感器为电阻温度计、热敏电阻、温差电偶的任一种。
所述的执行机构为热电制冷器TEC中一种。
所述的温度控制器为差分电路或比例积分控制电路。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1）在现有技术中，大多对于激光器控制驱动都是采用都是电流与温度独立的控制，无法进行温度、电流综合调谐。存在调谐范围较小、稳定系差等问题。本发明采用数控方式，设计数控恒流源电路、数控恒温电路，引入闭环服反馈系统设计，有效的解决了对于半导体激光器驱动控制中调节范围小，稳定性差等确定。
2）在现有技术中，对于系统数控恒温系统的设计，主要采用被动式温度控制，且未考虑到温度执行器需要时间延时，限制了恒温系统的工作精度及稳定性。本发明恒温控制模块，采用闭环负反馈设计，使用反馈传感器对系统温度进行实时监控。数控恒温调节电路包括比例积分控制电路和反馈信号的A/D转换电路。利用比例积分控制有效的减少系统存在的误差。具有减少时间延时、提高系统工作温度稳定性、灵敏度高、调节范围宽等特点。
附图说明
图1为本发明的高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置结构框图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。本实施例的一种矢量光束激发表面等离子体共振传感装置，
本发明的基本构思是：电流调谐方案：利用半导体激光器注入电流和激光波长关系，采用负反馈方法，设计闭环控制环系统，使其温度稳定在恒温（初始35℃），调节激光器的注入电流，检测辐射中心波长的变化；温度调谐方案：利用半导体激光器工作温度与激光波长的关系，采用数控温度调节电路，设计闭环温度控制系统，使其注入电流恒定在800mA，调节激光器的工作温度，检测中心波长的变化。本发明设计将电流调谐和温度调谐结合，综合两种调谐方法的优势。由于温度调谐的可调范围宽，并且实验结果验证了波长具有随温度增大而增大的趋势，因此可以先改变激光器工作温度粗略得到宽范围的波长调谐结果。然后固定温度，再调节激光器的注入电流，使激光波长达到理想值。由于注入电流控制激光器的输出功率，因此在波长调谐中只进行注入电流的微调，能够减小对输出激光功率受到的影响。
具体结构如图1所示，一种高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，包括D/A转换电路1、电流调节电路2、激光器3、MCU控制电路4、电流采样电路5、温度实时反馈传感器电路6、激光管7、温度执行电路8、控制器9、D/A转换电路10；单片机控制电路4采用高速、低功耗的STC12C5630AD,具有强抗干扰性，D/A转换电路1采用数模转换芯片MAX5142为恒流源提供设定信号，标准电压为2.5V。电路采样电路5反馈得到激光器的注入电流信号与通过D/A转换电路的设定信号比较得到偏差量，电流调节电路2根据此偏差量对电流进行控制，此过程将被重复执行，达到恒流源的目的。对电流采样电路5进行数模转化，经过转换的信号发送给MCU控制电路4，由MCU控制电路改变D/A转换电路1的MAX5142输出设定电压，以此来对激光器3的注入电流进行调节；温度调节模块采用主动方式控制，主动控制方式在传统的被动式控制基础上加入负反馈调节，为闭环控制系统。利用反馈传感器6向MCU控制器4反馈实时温度信号最为负反馈环节。MCU控制器4将温度设定与反馈实际温度进行对比，得到一个偏差量，根据这个偏差量通过控制器9、执行机构8对被控对象激光二极管7实施温度控制，再测量温度值，再得出偏差值，对激光二极管进行再一次调节。系统由于负反馈使得控制精度大大提高，进而使得温控范围得以加大。
D/A转换1为14位数模转换芯片MAX5142，电流调节2为恒流源电路，激光器3为分布式反馈激光器，MCU控制器4为STC12C5630AD，电流采样5为恒流源电路的反馈部分，反馈传感器6为热敏电阻，执行机构8为TEC热电制冷器，控制器9为比例积分控制。
本发明装置的工作过程为：单片机控制电路4采用高速、低功耗的STC12C5630AD,具有强抗干扰性，D/A转换电路1采用数模转换芯片MAX5142为恒流源提供设定信号，标准电压为2.5V。电路采样电路5反馈得到激光器的注入电流信号与通过D/A转换电路的设定信号比较得到偏差量，电流调节电路2根据此偏差量对电流进行控制，此过程将被重复执行，达到恒流源的目的。对电流采样电路5进行数模转化，经过转换的信号发送给MCU控制电路4，由MCU控制电路改变D/A转换电路1的MAX5142输出设定电压，以此来对激光器3的注入电流进行调节；温度调节模块采用主动方式控制，主动控制方式在传统的被动式控制基础上加入负反馈调节，为闭环控制系统。利用反馈传感器6向MCU控制器4反馈实时温度信号最为负反馈环节。MCU控制器4将温度设定与反馈实际温度进行对比，得到一个偏差量，根据这个偏差量通过控制器9、执行机构8对被控对象激光管7实施温度控制，再测量温度值，再得出偏差值，对激光二极管进行再一次调节。系统由于负反馈使得控制精度大大提高，进而使得温控范围得以加大；本实例采用温度、电流综合调谐的方法对激光器进行综合调谐，电流调谐中，设计数控恒流源电路，采用闭环负反馈系统。在温度调谐中，控制器采用PID控制。具有可调谐范围宽、高功率、低功耗、稳定性高、精度高、可数控等特点。
本发明通过分析DFB激光器的辐射功率与注入电流、工作温度的关系，进行了电流与温度的综合调谐，实现7.94nm的波长漂移。电流调谐模块包括改进型数控恒流源电路、电流采样电路、D/A转换电路和单片机控制电路。温度调谐模块包括数控温度调节电路、比例积分控制电路、温度反馈电路和TEC驱动电路。本发明利用激光器注入电流值与DFB激光器激光波长的关系，进行电流调谐；利用工作温度对辐射功率的影响对激光器进行温度调谐。本发明设计出一种波长可调谐的DFB激光器驱动装置，有效的提高了DFB激光器工作的稳定性，解决了在需要多个波长激光装置中光源复杂的问题，同时引入启动关断保护电路，保护激光器和其他组件并改善了系统特性。
以上所述的具体实施方式对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的最优选实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，包括D/A转换电路（1）、电流调节电路（2）、激光器（3）、MCU控制电路（4）、电流采样电路（5）、温度实时反馈传感器（6）、激光管（7）、温度执行电路（8）、温度控制器（9）、D/A转换电路（10），其特征在于：所述电流采样电路（5）反馈得到激光器的注入电流信号与通过D/A转换电路的设定信号比较得到偏差量，电流调节电路（2）根据所述偏差量对电流进行控制，使电流达到恒流；所述电流采样电路（5）将经过数模转换的信号发送给MCU控制电路（4），由MCU控制电路改变D/A转换电路（1）的MAX5142输出设定电压，来对激光器（3）的注入电流进行调节；所述反馈传感器（6）向MCU控制器（4）反馈激光管（7）实时温度信号，MCU控制器（4）将设定温度与反馈的实际温度进行对比，得到一个温度偏差量，并根据所述温度偏差量通过温度控制器（9）、温度执行机构（8）对激光管（7）实施温度控制，形成测量激光管（7）温度值，得出温度偏差值，对激光管（7）进行再一次调节的负反馈调节闭环控制系统。
2.根据权利要求1所述的高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，其特征在于：所述的MCU控制电路（4）采用高速、低功耗的具有强抗干扰性的STC12C5630AD芯片，所述的D/A转换电路（1）采用数模转换芯片MAX5142，为恒流源提供设定信号，标准电压为2.5V。
3.根据权利要求1所述的高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，其特征在于：所述的电流调节电路（2）、电路采样电路（5）为恒流源电路采用集成运算放大器TLC4501或场效应管2KS3133。
4.根据权利要求1所述的高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，其特征在于：所述的激光器（3）和激光管（7）为分布式反馈激光器、动态单模激光器、量子阱激光器、表面发射激光器、微腔激光器的任一种。
5.根据权利要求1所述的高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，其特征在于：所述的反馈传感器（6）为电阻温度计、热敏电阻、温差电偶的任一种。
6.根据权利要求1所述的高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，其特征在于：所述的执行机构（8）为热电制冷器TEC中一种。
7.根据权利要求1所述的高功率低功耗可调谐DFB激光器驱动装置，其特征在于：所述的温度控制器（9）为差分电路或比例积分控制电路。
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