CN110707525A - 半导体激光器温控装置、温控系统及其控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明揭示了基于光转换效率回馈的半导体激光器温控装置、温控系统及其控制方法，通过PID控制逻辑模块、连接并反馈信息至PID控制逻辑模块的激光平均电流模块、激光转换效率模块和温度感测模块、PID控制逻辑模块控制连接半导体制冷片。本发明实现增加温控系统的可靠性。
Description
技术领域
本发明属于激光器技术领域，尤其涉及一种半导体激光器温控装置、温控系统及其控制方法。
背景技术
传统激光器水冷系统通过温度传感器设定来判断是否对冷却水降温的控制温度，以控制压缩机的电源通断状态(运转或停止)来实现对冷却水的温度控制。当温度传感器检测到冷却水温度高于控制温度时，压缩机通电工作，并通过蒸发器对冷却水制冷，实现对冷却水的降温过程；冷却水持续降温直至温度传感器检测到该冷却水温度达到或低于控制温度时，压缩机停止工作，通过蒸发器停止对冷却水制冷。由于冷却水流经激光器时会产生热交换，从而致使水温升高，当高至控制温度时，压缩机又开始通电工作，如此循环，以维持冷却水温度的稳定。
依赖于温度传感器的温控系统，存在制冷的滞后效应，温度调节变化差异大，无法有效进行微调。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述技术问题，而提供半导体激光器温控装置、温控系统、及其控制方法，从而实现增加温控系统的可靠性。为了达到上述目的，本发明技术方案如下：
半导体激光器温控装置，包括具有开口槽的散热片、设于散热片背部的半导体制冷片、设于半导体制冷片表面的绝缘片、以及扩散水汽流动散向开口槽外侧的风扇。
具体的，所述散热片包括U型本体、设于U型本体内的若干等距间隔设置的散热翅片。
具体的，若干所述散热翅片的端部与U型本体的开口槽端部齐平，所述散热翅片竖直设于开口槽内，散热翅片的两侧与外界连通。
具体的，所述散热片的底部设有风扇，风扇的外周与开口槽的槽口相对应设置，风扇内吹入蒸发水汽上升至开口槽内，并向开口槽的两侧扩散。
具体的，所述半导体制冷片与绝缘片之间夹持设有陶瓷片，陶瓷片与半导体制冷片相对应贴合设置。
半导体激光器温控系统，包括PID控制逻辑模块、连接并反馈信息至PID控制逻辑模块的激光平均电流模块、激光转换效率模块和温度感测模块、PID控制逻辑模块控制连接半导体制冷片，半导体制冷片制冷作用于激光转换效率模块和温度感测模块所在的部件位置。
具体的，所述温度感测模块用于感应基板温度。
半导体激光器温控系统的控制方法，包括以下步骤：
S1，设定激光扫描功率和基板温度的预校正表格；
S2，开启激光高温扫描，关闭半导体散热片，基板温度逐渐升高；
S3，开启半导体散热片，从平均小电流逐渐开到全开，观测转换功率的变化，转换功率上升至极大后，下落；
S4，记录极大值电流、基板温度、转换功率；
S5，根据当前平均功率，对照校预正表格，设定目标的基板温度；
S6，启动PID控制逻辑模块，控制半导体散热片作业。
与现有技术相比，本发明半导体激光器温控装置、温控系统、及其控制方法的有益效果主要体现在：
通过激光转换效率模块协同PID控制逻辑模块，有效进行微调控制温度，半导体散热片由关闭到开启的过程，激光转换效率模块进行测量功率变化，反复与欲校正表格进行对比，从而适应性的调节至目标温度；整体装置基于光转换效率回馈信息，具有较高的稳定性、快速性、准确性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构示意图；
图2是本实施例温控系统的流程示意图；
图3是本实施例激光吸收效率波形示意图；
图4是本实施例激光扫描功率和基板温度的预校正表格；
图中数字表示：
1散热片、11开口槽、12U型本体、13散热翅片、2半导体制冷片、21正极导线、22负极导线、3绝缘片、31陶瓷片、4风扇。
具体实施方式
下面结合附图将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
实施例：
参照图1所示，本实施例是半导体激光器温控装置，包括具有开口槽11的散热片1、设于散热片1背部的半导体制冷片2、设于半导体制冷片2表面的绝缘片3、以及用于扩散水汽流动散向开口槽11外侧的风扇4。
散热片1包括U型本体12、设于U型本体12内的若干等距间隔设置的散热翅片13。若干散热翅片13的端部与U型本体12的开口槽11端部齐平。散热翅片13竖直设于开口槽11内。散热翅片13的两侧与外界连通，有利于水汽散发，进行热量传导，辅助半导体制冷片2易于达到控制温度。
散热片1的底部设有风扇4，风扇4的外周与开口槽11的槽口相对应设置，风扇4内吹入蒸发水汽上升至开口槽11内，并向开口槽11的两侧扩散。
半导体制冷片2与绝缘片3之间夹持设有陶瓷片31，陶瓷片31与半导体制冷片2相对应贴合设置，绝缘片3的外周尺寸大于陶瓷片31，绝缘片3的中部贴合置于陶瓷片31上。
绝缘片3外部设有热源。半导体制冷片2的侧边连接有正极导线21和负极导线22。
参照图2所示，半导体激光器温控系统，包括PID控制逻辑模块、连接并反馈信息至PID控制逻辑模块的激光平均电流模块、激光转换效率模块和温度感测模块、PID控制逻辑模块控制连接半导体制冷片，半导体制冷片制冷作用于激光转换效率模块和温度感测模块所在的部件位置。
激光平均电流模块用于输出电流；激光转换效率模块用于反应激光转换功率变化；温度感测模块用于感应基板上温度变化。
PID控制逻辑模块是一个在工业控制应用中反馈回路的部件。PID控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，使系统更加准确而稳定。
PID参数基于半导体制冷片的滞后效应以及热传导定律做调整校正。热传导定律，也称为傅立叶定律，描述了热量在介质中的传导规律。傅立叶定律可以以两种形式表述：微分形式关注于局部的能量传导率，而积分形式则关注于流入和流出整体一部分介质的能量。
傅立叶定律的微分形式表明了热通量密度正比于热导率乘以负的温度梯度。热通量密度是单位时间内流过单位面积的热量。公式：
热导k通常情况下都被当作是常数，但是实际情况是，k的值会随温度T而变化。然而在很大的温度范围内，k的变化都可忽略不计。在各向异性介质中，热导率显着地随方向而变化，这时k是一个二阶张量。在非均匀介质中，k与空间位置有关。基于热力传导定律，在半导体制冷片的温差控制上，不只是温度设定，同时也视为热流的流量阀。
参照图3所示，基于光特性，当波长有移动时，吸收效率会差异极大。光转换效率作为反馈给PID控制逻辑可增进控制效率。但温度偏移时，转换效率又会成数倍的差异。因此，控制温度的微调反馈起了很大作用，波长对应温度变化约0.3nm每摄氏度，相对应温度变化，就会看到明显的转换效率。
由于温度感测模块并不是直接量测半导体散热片上的温度，而是感应基板部件上的温度，所以转换效率的回馈在控制系统上是必要的。
参照图4所示，半导体激光器温控系统的控制方法，包括以下步骤：
1)设定激光扫描功率和基板温度的预校正表格；
2)开启激光高温扫描，关闭半导体散热片，基板温度逐渐升高；
3)开启半导体散热片，从平均小电流逐渐开到全开，观测转换功率的变化，转换功率上升至极大后，下落；
4)记录极大值电流、基板温度、转换功率；
5)根据当前平均功率，对照校预正表格，设定目标的基板温度；
6)启动PID控制逻辑模块，控制半导体散热片作业。
应用本实施例时，通过激光转换效率模块协同PID控制逻辑模块，有效进行微调控制温度，半导体散热片由关闭到开启的过程，激光转换效率模块进行测量功率变化，反复与欲校正表格进行对比，从而适应性的调节至目标温度；整体装置基于光转换效率回馈信息，具有较高的稳定性、快速性、准确性。
以上所述的仅是本发明的一些实施方式。对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.半导体激光器温控装置，其特征在于：包括具有开口槽的散热片、设于散热片背部的半导体制冷片、设于半导体制冷片表面的绝缘片、以及用于扩散水汽流动散向开口槽外侧的风扇。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器温控装置，其特征在于：所述散热片包括U型本体、设于U型本体内的若干等距间隔设置的散热翅片。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器温控装置，其特征在于：若干所述散热翅片的端部与U型本体的开口槽端部齐平，所述散热翅片竖直设于开口槽内，散热翅片的两侧与外界连通。
4.根据权利要求1所述的半导体激光器温控装置，其特征在于：所述散热片的底部设有风扇，风扇的外周与开口槽的槽口相对应设置，风扇内吹入蒸发水汽上升至开口槽内，并向开口槽的两侧扩散。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器温控装置，其特征在于：所述半导体制冷片与绝缘片之间夹持设有陶瓷片，陶瓷片与半导体制冷片相对应贴合设置。
6.半导体激光器温控系统，其特征在于：包括PID控制逻辑模块、连接并反馈信息至PID控制逻辑模块的激光平均电流模块、激光转换效率模块和温度感测模块、PID控制逻辑模块控制连接半导体制冷片，半导体制冷片制冷作用于激光转换效率模块和温度感测模块所在的部件位置。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器温控系统，其特征在于：所述温度感测模块用于感应基板温度。
8.半导体激光器温控系统的控制方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1，设定激光扫描功率和基板温度的预校正表格；
S2，开启激光高温扫描，关闭半导体散热片，基板温度逐渐升高；
S3，开启半导体散热片，从平均小电流逐渐开到全开，观测转换功率的变化，转换功率上升至极大后，下落；
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