CN112397985A - 一种泵浦激光器驱动稳定系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种泵浦激光器驱动稳定系统。该驱动稳定系统包括恒流稳定系统，恒温稳定系统，功率检测系统，环境检测系统，和控制系统；恒流稳定系统包括电压比较电路，开关保护电路，恒流驱动电路，恒温稳定系统包括内部恒温稳定电路和外部恒温稳定电路。本发明具有以下有益效果：利用内置算法对主体整体稳定系统进行优化，从硬件电路上，软件算法上对泵浦激光器进行了稳定控制，保护泵浦激光器避免过流，过压，静电的危害，提高泵浦激光器对环境变化的抵抗力，增强工作稳定性。

Description

一种泵浦激光器驱动稳定系统
技术领域
本发明属于泵浦激光器技术领域，具体设计泵浦激光器的驱动和稳定技术。
背景技术
泵浦激光器是一种理想的电光转换器件，广泛应用于光纤脉冲激光器，掺铒光纤放大器，掺镱光纤放大器中，具有很高的量子效率和泵浦效率，微小的电流和温度变化将导致输出光功率的较大变化。泵浦激光器是一种典型的电流驱动型器件，在实际应用过程中，要求泵浦激光器的驱动电流具有极低的电噪声和较高的稳定性，驱动电流的不稳定会引起激光的强度噪声，造成输出激光光谱线宽的加宽。因此，高稳定性的泵浦驱动电流是输出功率稳定的其一必要条件。同时，泵浦激光器作为典型的温度升高，电阻减小的电流型器件，要求工作温度工作较高的稳定状态下，工作温度的变化会引起泵浦激光器电流的波动，还会是泵浦激光器的阈值电流和量子效率发生变化。因此，泵浦激光器的工作温度维持在恒定的，与室温接近的条件下是另一必要条件。此外，泵浦激光器通常带有稳定光栅，尽管稳定光栅是相对温度不敏感器件，但是只是相对光频而言，在进入超快光学领域，稳定光栅工作在稳定的工作温度下，可以进一步的提高泵浦激光器的工作稳定性。所以，泵浦激光器的稳定工作为脉冲激光光源，光纤激光放大的稳定性提供了重要的作用。
泵浦激光器本身是一种容易损坏且较为昂贵的器件，瞬间的过压和过流均可使泵浦激光器损坏，无法进行正常稳定的工作，通常，泵浦激光器通过内置半导体制冷器，结合外部的温度稳定电路进行激光器的温度控制，激光器温度过高或者过低，均会影响泵浦激光器的使用寿命。因此驱动泵浦激光器时对温度的稳定尤为重要。
同时泵浦激光器稳定工作也依赖于外部稳定光栅的工作状态，现有的激光器驱动技术仅考虑到了泵浦激光器内壳的工作状态，忽略了外部稳定光栅的工作状态，忽略了外部环境温度随时间漂移与泵浦激光器工作的相互影响，在短期运行中，可以达到较高的稳定度，但长期运行中，仍存在工作状态的变化，限制长期工作的稳定性。
发明内容
为了克服现有技术中存在的缺陷，本发明提供了一种泵浦激光器驱动稳定系统，利用该驱动稳定系统，实现对泵浦激光器的硬件稳定驱动和软件稳定。具体技术方案如下：
一种泵浦激光器驱动稳定系统，泵浦激光器内含有激光二极管，半导体制冷器，激光探测器，尾部带有稳定光栅，该驱动稳定系统包括恒流稳定系统，恒温稳定系统，功率检测系统，环境检测系统，和控制系统
恒流稳定系统包括电压比较电路，开关保护电路，恒流驱动电路；所述恒流驱动电路，所述开关保护电路与所述激光二极管连接；
恒流驱动电路接收一恒流控制电压，根据所述恒流控制电压输出一恒定的驱动电流。所述开关保护电路接收一开关信号，通断控制所述驱动电流是否通过所述激光二极管。
电压比较电路接收一恒流设定电压，一恒流算法电压，以及一恒流反馈电压，将所述恒流设定电压，恒流算法电压，以及恒流反馈电压进行比较，根据比较结果输出一恒流驱动电压，输出恒定的驱动电流。
恒温稳定系统包括内部恒温稳定电路和外部恒温稳定电路，内部恒温稳定电路与泵浦激光器内半导体制冷器连接，外部恒温稳定电路与稳定光栅处半导体制冷器连接。
内部恒温稳定电路接收一内部控制温度参数，并根据内部控制温度参数输出一PWM温控信号到泵浦激光器内半导体制冷器。外部恒温稳定电路接收一外部控制温度参数，并根据外部控制温度参数输出一PWM温控信号到稳定光栅处半导体制冷器。
功率检测系统与泵浦激光器内激光探测器连接。泵浦激光器输出一功率检测电流到功率检测系统，功率检测系统接收到功率检测电流，输出一功率检测电压到控制系统。
环境检测系统与一光栅环境温度电阻，与一系统环境温度电阻连接。光栅环境温度电阻输出一光栅环境电压，系统环境温度电阻输出一系统环境电压到环境检测系统，环境检测系统接收到光栅环境电压和系统环境电压，输出一环境检测电压到控制系统。
控制系统与泵浦激光器驱动稳定系统的其他系统连接，接收其他系统的参量，利用控制系统的内置算法，输出恒流算法电压，恒流算法电压与电压比较电路连接。控制系统输出一开关信号，与开关保护电路连接。
作为优化方案，电压比较电路包括第一输入端，第二输入端，第三输入端以及输出端，开关保护电路包括输入端，输出端，恒流驱动电路包括输入端，输出端；电压比较电路输出端与恒流驱动电路输入端连接；开关保护电路输出端与激光二级管连接；
恒流驱动电路的输入端用于接收电压比较电路输出的恒流控制电压，其输出端用于输出恒流驱动电流；电压比较电路的第一输入端用于接收恒流设定电压，其第二输入端用于接收恒流算法电压，其第三输入端用于接收恒流反馈电压，其输出端用于输出恒流控制电压。
作为优化方案，内部恒温稳定电路包括第一输入端，第二输入端以及输出端，外部恒温稳定电路包括第一输入端，第二输入端以及输出端。
内部恒温稳定电路第一输入端用于接收内部控制温度参数，其输出端用于输出PWM温控信号，与泵浦激光器内半导体制冷器连接。外部恒温稳定电路第一输入端用于接收外部控制温度参数，其输出端用于输出PWM温控信号，与稳定光栅处半导体制冷器连接
作为优化方案，功率检测系统包括输入端以及输出端。功率检测系统输入端用于接收泵浦激光器内激光探测器输出功率检测电流，其输出端用于输出功率检测电压，与控制系统连接
作为优化方案，环境检测系统包括第一输入端，第二输入端以及输出端。环境检测系统第一输入端用于接收光栅环境温度电阻输出的光栅环境电压，第二输入端用于接收系统环境温度电阻输出系统环境电压，其输出端用于输出环境检测电压与控制系统连接。
作为优化方案，控制系统包括第一输入端，第二输入端，以及第一输出端，第二输出端，第三输出端。控制系统第一输入端用于接收功率检测系统输出功率检测电压，第二输入端用于接收环境检测系统输出系统环境电压，其第一输出端用于输出恒流设定电压与电压比较电路第一输入端连接，第二输出端用于输出恒流算法电压与电压比较电路第二输入端连接，第三输出端输出开关信号与开关保护电路连接。
作为优化方案，激光二极管跨接有一激光二极管稳定电路，激光二极管稳定电路包括稳定电容和稳定二极管，稳定电容与激光二极管并联，稳定二极管与激光二极管并联。
作为优化方案，电压比较电路包括型号为AD8630的运算放大器
作为优化方案，开关保护电路包括一N沟道场效应管。
作为优化方案，恒流驱动电路包括型号为AD8630的运算放大器以及一N沟道场效应管。
作为优化方案，恒温稳定电路包括第一恒温驱动芯片，第二恒温驱动芯片，所述第一，第二恒温驱动芯片型号为MTD415TE。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明设置电压比较电路和开关保护电路对恒流驱动电路的驱动电流和通断进行控制，从硬件上提供了泵浦激光器短期稳定工作的条件。设置了内部恒温稳定电路和外部稳定电路，使泵浦激光器以及其稳定光栅，处在稳定的工作条件。因此可以实现泵浦激光器的短期稳定运行。
(2)本发明设置了功率检测系统。功率检测系统直接对泵浦激光器的输出功率进行检测，输出功率检测电压。设置了环境检测系统，环境检测系统对光栅环境温度和系统环境温度检测，输出环境检测电压。设置了控制系统，控制系统接收功率检测电压和环境检测电压，输出恒流算法电压，补偿短期的泵浦激光器工作抖动，和补偿长期的泵浦激光器工作漂移。
附图说明
图1为本发明的结构框图；
图2为恒流稳定系统的电路原理图
图3为输出恒流算法电压的电路原理图
图4为D/A转换器的电路原理图
图5为温度稳定系统结构框图
图6为恒温驱动芯片电路原理图
图7为功率检测系统电路原理图
图8为环境检测系统电路原理图
上图中序号为：1-泵浦激光器，11-激光二极管，12-半导体制冷器，13-激光探测器，14-稳定光栅，2-恒流稳定系统，21-电压比较电路，22-恒流驱动电路，23-开关保护电路，3-恒温稳定系统，31-内部恒温稳定电路，32-外部恒温稳定电路，4-功率检测系统，5-环境检测系统，6-控制系统，7-稳定光栅温度电阻，8-系统环境温度电阻，9-外部半导体制冷器
具体实施方式
下面结合附图以实施例的方式详细描述本发明
实施例1
如图1所示，一种泵浦激光器驱动稳定系统，泵浦激光器1内含有激光二极管11，半导体制冷器12，激光探测器13，尾部带有稳定光栅14.该驱动稳定系统包括恒流稳定系统2，恒温稳定系统3，功率检测系统4，环境检测系统5，控制系统6，稳定光栅温度电阻7，系统环境温度电阻8，外部半导体制冷器9。
恒流稳定系统2包括电压比较电路21，恒流驱动电路22，开关保护电路23，恒流驱动电路22，开关保护电路23与激光二极管11连接。电压比较电路21包括第一输入端，第二输入端以及输出端，恒流驱动电路22包括输入端以及输出端，开关保护电路23包括输入端以及输出端。电压比较电路21的第一输入端与控制系统6连接，接收恒流设定电压，第二输入端与控制系统6连接，接收恒流算法电压，第三输入端接收恒流反馈电压，输出端输出恒流控制电压与恒流驱动电路22连接。恒流驱动电路22的输入端接收恒流控制电压，根据恒流控制电压输出一恒定驱动电流。开关保护电路23的输入端接收一开关信号，根据开关信号控制通断，控制驱动电流是否流入激光二极管11。驱动电流的大小决定了泵浦激光器1的输出。
其中恒流控制电压是由电压比较电路接收恒流设定电压，恒流算法电压，恒流反馈电压，产生的一个电压值，用于对恒流驱动电路输出的驱动电流大小进行控制；恒流设定电压由一16位D/A转换器输出，输出由控制系统6进行控制，决定恒流设定电压的大小。如图4所示，芯片U8为上述D/A转换器，其输出VOUT1即为恒流设定电压，对应为图2中的v1。图2中的v2为恒流算法电压，通过控制系统6产生，如图3所示，控制系统6通过内部算法计算出16位参数，通过16位D/A转换器产生一电压信号v2‘，通过偏置电路将其偏制到0V左右，作为恒流算法电压v2。图2中的v3为恒流反馈电压，通过恒流驱动电路中的采样电阻产生。电压比较电路中采用的运算放大器为AD8630。图2中的switch为开关保护电路23的输入端，输出端与激光二极管11串联，输入端接收控制系统6产生的一开关信号，控制驱动电流是否流入激光二极管11。开关保护电路包括一N沟道场效应管Q2,场效应管Q2的栅极即为所述开关保护电路的输入端，场效应管Q2的源极和漏极共同组成开关保护电路的输出端。控制系统6判断驱动稳定系统工作在异常状态时，会输出一开关控制信号，关断场效应管，保护激光二极管11，待异常状态解决后，恢复激光二极管11正常工作。在本实例中，如图2所示，恒流驱动电路22包括一运算放大器U1，型号为AD8630，包括一N沟道场效应管Q1。激光二极管11，如图2所示并联一稳定电容C1，并联一稳定二极管C2，有效补偿激光二极管工作时驱动电流的波动，驱动电流变化较大时，稳定电容C1和稳定二极管C2吸收或释放一定电流电压，使驱动电流变化减小，稳定地调节了激光二极管的工作状态。
如图3所示，温度稳定系统3包括内部温度稳定电路和外部温度稳定电路，在本实施例中，温度稳定系统包括第一恒温驱动芯片，第二恒温驱动芯片，第一，第二恒温驱动芯片型号为MTD415TE，其内部集成了PID控制电路，PWM信号发生电路和H桥电路。该集成化恒温驱动芯片，如图6所示，第一输入端为RX端，输入端输入控制温度参数，第二输入端为TEMP端，输入端输入温度电阻电压，根据控制温度参数与当前输入温度电阻电压，输出一PWM温度控制信号给半导体制冷器12，输出一PWM温度控制信号给外部半导体制冷器9。
如图7所示，功率检测系统4包括输入端以及输出端，输入端接收泵浦激光器内激光探测器输出功率检测电流，转换为功率检测电压，输出端为DOUT1输入到控制系统，检测激光二极管输出功率的稳定性，并通过内置算法进行处理和计算。
如图8所示，环境检测系统5包括第一输入端，第二输入端以及输出端，第一输入端接收，接收光栅环境温度电阻输出的光栅环境电压，第二输入端用于接收系统环境温度电阻输出系统环境电压，输出端输出环境检测电压DOUT2输入到控制系统，检测泵浦激光器工作环境的稳定性，并通过内置算法进行处理和计算。
如图1所示，控制系统6包括第一输入端，第二输入端，以及第一输出端，第二输出端，控制系统由FPGA，单片机作为主要控制芯片和软件算法实现芯片。第一输入端接收功率检测系统输出功率检测电压，计算功率检测电压的平均值，方差等数据，根据数据偏差的大小和正负性，计算得到第一补偿参数，该补偿参数作为泵浦激光器短期稳定的波动补偿参数。第二输入端接收环境检测系统输出系统环境电压，计算系统环境电压的平均值，方差等数据，根据数据偏差的大小和变化趋势，计算得到第二补偿参数，该补偿参数作为泵浦激光器长期稳定的漂移补偿参数，其第一输出端用于输出恒流设定电压，第二输出端输出波动补偿参数和漂移补偿参数得到的恒流算法电压，第三输出端输出开关信号与开关保护电路连接，当检测到功率检测电压和环境检测电压处在正常工作范围之外时，迅速产生一关断信号控制开关保护电路关闭，断开驱动电流流入激光二极管。
本发明的总体工作流程如下：
(1)对于恒流稳定系统
首先，根据工作情况，设定一电压比较电路21的一适当恒流设定电压，恒流设定电压首先作用产生恒流控制电压，输入恒定的驱动电流流过激光二极管11，泵浦激光器1工作。恒流算法电压值初始值为0，在逐渐运行的过程中由控制系统6产生一定的恒流算法电压对激光二极管11进行补偿，提高激光二极管的稳定性。恒流反馈电压在恒流驱动电路工作时产生，与恒流设定电压，恒流算法电压共同作用，使驱动电流维持在一稳定的恒定值。通常情况下，开关保护电路22是导通的，当控制系统6检测到功率检测电压高于某一值时，或者环境检测电压脱离正常工作范围时，输出一开关信号，使开关保护电路22关断，使激光二极管11脱离不正常的工作状态，等到排查掉系统的异常之后，再输出一开关信号，恢复开关保护电路22，使激光二极管正常工作。
(2)对于恒温稳定系统
首先，根据需要为内部恒温稳定电路31设置一适当控制温度参数，然后内部恒温稳定电路将输出PWM温控信号控制半导体制冷器12制冷，使激光器二极管11在稳定的工作温度下工作。同时，根据需要为外部恒温稳定电路32设置一适当控制温度参数，然后外部恒温稳定电路将输出PWM温控信号控制外部半导体制冷器9控温，使外部半导体制冷器处稳定光栅14在稳定的工作温度下工作。两者结合使泵浦激光器1稳定输出。
(3)功率检测系统，环境检测系统，和控制系统
首先，当泵浦激光器1工作时，功率检测系统4，环境检测系统5，控制系统6开始工作，功率检测系统4将激光探测器13产生的功率检测电流转换为功率检测电压，输入到控制系统6，控制系统6对功率检测电压进行平均，方差等计算，计算功率检测电压的偏差和正负性，得到一波动补偿参数。环境检测系统5将稳定光栅温度电阻7的电压值和系统环境温度电阻8的电压值，转换为环境检测电压，输入到控制系统6，控制系统6对环境检测电压进行平均，方差等计算，计算环境检测电压的偏差和漂移趋势，得到一漂移补偿参数，波动补偿参数和漂移补偿参数转换成恒流算法电压，经电压比较电路21产生恒流控制电压，经恒流驱动电路22，补偿驱动电流，是激光二极管11短期波动减少，并补偿长期漂移，使泵浦激光器1长期稳定输出。
最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。

Claims (11)

1.一种泵浦激光器驱动稳定系统。所述泵浦激光器内含有激光二极管，半导体制冷器，激光探测器，尾部带有稳定光栅，其特征在于该驱动稳定系统包括恒流稳定系统，恒温稳定系统，功率检测系统，环境检测系统，和控制系统；
所述恒流稳定系统包括电压比较电路，开关保护电路，恒流驱动电路；所述恒流驱动电路，所述开关保护电路与所述激光二极管连接；
所述恒流驱动电路接收一恒流控制电压，根据所述恒流控制电压输出一恒定的驱动电流。所述开关保护电路接收一开关信号，通断控制所述驱动电流是否通过所述激光二极管；
所述电压比较电路接收所述恒流设定电压，恒流算法电压，以及一恒流反馈电压，将所述恒流设定电压，恒流算法电压，以及恒流反馈电压进行比较，根据比较结果输出一恒流驱动电路输入电压，输出恒定的驱动电流；
所述恒温稳定系统包括内部恒温稳定电路和外部恒温稳定电路，所述内部恒温稳定电路与所述泵浦激光器内半导体制冷器连接，所述外部恒温稳定电路与所述稳定光栅处半导体制冷器连接；
所述内部恒温稳定电路接收一内部控制温度参数，并根据所述内部控制温度参数输出一PWM温控信号到所述泵浦激光器内半导体制冷器。所述外部恒温稳定电路接收一外部控制温度参数，并根据所述外部控制温度参数输出一PWM温控信号到所述稳定光栅处半导体制冷器；
所述功率检测系统与所述泵浦激光器内激光探测器连接。所述泵浦激光器输出一功率检测电流到所述功率检测系统，所述功率检测系统接收到所述功率检测电流，输出一功率检测电压到所述控制系统；
所述环境检测系统与一光栅环境温度电阻，与一系统环境温度电阻连接。所述光栅环境温度电阻输出一光栅环境电压，所述系统环境温度电阻输出一系统环境电压到所述环境检测系统，所述环境检测系统接收到所述光栅环境电压和系统环境电压，输出一环境检测电压到所述控制系统；
所述控制系统与所述泵浦激光器驱动稳定系统的其他系统连接，接收所述其他系统的参量，利用所述控制系统的内置算法，输出所述恒流算法电压，所述恒流算法电压与所述电压比较电路连接。所述控制系统输出一开关信号，与所述开关保护电路连接。
2.根据权利要求1所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于，
所述电压比较电路包括第一输入端，第二输入端，第三输入端以及输出端，所述开关保护电路包括输入端，输出端，所述恒流驱动电路包括输入端，输出端；所述电压比较电路输出端与所述恒流驱动电路输入端连接；所述开关保护电路输出端与所述激光二级管连接；
所述恒流驱动电路的输入端用于接收所述电压比较电路输出的所述恒流控制电压，其输出端用于输出所述恒流驱动电流；所述电压比较电路的第一输入端用于接收所述恒流设定电压，其第二输入端用于接收所述恒流算法电压，其第三输入端用于接收所述恒流反馈电压，其输出端用于输出所述恒流控制电压。
3.根据权利要求1或2所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于，所述内部恒温稳定电路包括第一输入端，第二输入端以及输出端，所述外部恒温稳定电路包括第一输入端，第二输入端以及输出端；
所述内部恒温稳定电路第一输入端用于接收所述部控制温度参数，其输出端用于输出所述PWM温控信号，与所述泵浦激光器内半导体制冷器连接。所述外部恒温稳定电路第一输入端用于接收所述外部控制温度参数，其输出端用于输出所述PWM温控信号，与所述稳定光栅处半导体制冷器连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于所述功率检测系统包括输入端以及输出端。所述功率检测系统输入端用于接收所述泵浦激光器内激光探测器输出所述功率检测电流，其输出端用于输出所述功率检测电压，与所述控制系统连接。
5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于所述环境检测系统包括第一输入端，第二输入端以及输出端。所述环境检测系统第一输入端用于接收所述光栅环境温度电阻输出的所述光栅环境电压，第二输入端用于接收所述系统环境温度电阻输出所述系统环境电压，其输出端用于输出所述环境检测电压与所述控制系统连接。
6.根据权利要求1或2或3或4或5所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于所述控制系统包括第一输入端，第二输入端，以及第一输出端，第二输出端，第三输出端。所述控制系统第一输入端用于接收所述功率检测系统输出所述功率检测电压，第二输入端用于接收所述环境检测系统输出所述系统环境电压，其第一输出端用于输出所述恒流设定电压与所述电压比较电路第一输入端连接，第二输出端用于输出所述恒流算法电压与所述电压比较电路第二输入端连接，第三输出端输出所述开关信号与开关保护电路连接。
7.根据权利要求1所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于所述激光二极管跨接有一激光二极管稳定电路，所述激光二极管稳定电路包括稳定电容和稳定二极管，所述稳定电容与所述激光二极管并联，所述稳定二极管与所述激光二极管并联。
8.根据权利要求1所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于，其电压比较电路包括型号为AD8630的运算放大器。
9.根据权利要求1所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于，所述开关保护电路包括一N沟道场效应管。
10.根据权利要求1所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于，所述恒流驱动电路包括型号为AD8630的运算放大器以及一N沟道场效应管。
11.根据权利要求1所述的一种泵浦激光器驱动稳定系统，其特征在于，所述恒温稳定电路包括第一恒温驱动芯片，第二恒温驱动芯片，所述恒温驱动芯片型号为MTD415TE。
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