CN113991420A - 一种激光器波长稳定控制模块 - Google Patents

Abstract

本发明公开了半导体激光器领域的一种激光器波长稳定控制模块，包括隔热盒与激光器波长稳定控制电路，所述隔热盒设有内腔与用于隔热的外腔，激光器设置在隔热盒的内腔中；所述激光器波长稳定控制电路配置为检测当前外界环境温度与内腔温度，并调节内腔温度使达到设定环境目标值，以及检测激光器的当前瞬时温度，并结合当前环境温度值、设定工作温度控制激光器内置的TEC模块的输出，使激光器稳定在设定工作温度。本发明可以长时间稳定输出电流和保证激光器温度长期稳定。

Description

一种激光器波长稳定控制模块

技术领域

本发明涉及半导体激光器领域，具体是一种激光器波长稳定控制模块。

背景技术

半导体激光器是以半导体材料作为工作物质的激光器，可与集成电路单片集成，因其体积小，寿命长，精度高，效率高，激励方式简易的优势，在激光加工，光通信，光电检测等多个方向得到了广泛的应用。在半导体激光器工作时，出于对精度的要求，其中心波长需稳定在极为精确的范围内，由于常采用简单的注入电流的方式来泵浦，中心波长的稳定性跟输出电流有着密切联系。此外，温度的细微变化也会造成激光器的波长漂移。

当应用场景多变，大气环境温度变化复杂，譬如在进行农田氨气的检测工作时，不可避免地外界环境会影响激光器的工作温度，造成激光器工作时的中心波长产生漂移，影响检测精度。因此，设计一种响应速度快，控制精度高，适用于多种复杂气候温度环境的激光器波长稳定控制模块成为了亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种激光器波长稳定控制模块，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种激光器波长稳定控制模块，包括隔热盒与激光器波长稳定控制电路，所述隔热盒设有内腔与用于隔热的外腔，激光器设置在隔热盒的内腔中；所述激光器波长稳定控制电路配置为

检测当前外界环境温度与内腔温度，并调节内腔温度使达到设定环境目标值，以及检测激光器的当前瞬时温度，并结合当前环境温度值、设定工作温度控制激光器内置的TEC模块的输出，使激光器稳定在设定工作温度。

作为本发明的改进方案，所述内腔由内隔热层、内盖板构成，所述外腔由外隔热层、外盖板构成，所述内隔热层与外隔热层之间、内盖板与外盖板之间填充有隔热材料。

作为本发明的改进方案，所述内隔热层与外隔热层之间设置有聚四氟乙烯垫片，所述外盖板与内盖板上还设置有无石棉垫片。

作为本发明的改进方案，所述激光器固定在激光器盒内，所述激光器盒固定在内腔中；所述激光器通过激光器盒中的接线座与激光器波长稳定控制电路电连接，激光器的尾纤通过硅胶密封垫从所述激光器盒、隔热盒中引出。

作为本发明的改进方案，所述激光器波长稳定控制电路包括主控制电路、第一温度控制电路以及第二温度控制电路；所述第一温度控制电路包括帕尔贴P4、H桥驱动电路以及两组热电偶温度检测电路，两组所述热电偶温度检测电路分别设置在隔热盒的内腔及外侧，其输出端与主控制电路的输入端连接，主控制电路的输出端连接所述H桥驱动电路，所述H桥驱动电路的输出端连接帕尔贴P4，所述帕尔贴P4固定在内腔中。两组热电偶温度检测电路用于检测隔热盒的内部温度、外界环境温度并发送到主控制电路作比较，主控制电路根据比较结果控制H桥驱动电路的输出，使调节隔热盒的内部温度到设定环境目标值。

作为本发明的改进方案，所述第二温度控制电路包括型号为MAX1968的温度控制芯片U3以及运放芯片U4、U5，运放芯片U4、U5连接构成测温电路，测温电路的输入端连接激光器内部的N型热敏电阻，输出端连接所述温度控制芯片U3，所述温度控制芯片U3的输出端连接所述TEC模块以及主控制电路。主控制电路根据N型热敏电阻的瞬时阻值检测激光器的瞬时温度，主控制电路综合瞬时温度、当前环境温度与设定工作温度，通过第二温度控制模块控制TEC模块的输出，将激光器稳定在设定工作温度。

作为本发明的改进方案，所述主控制模块还与液晶显示电路连接，液晶显示电路用于显示所述主控制电路检测得到的激光器的瞬时温度以及设定工作温度。

作为本发明的改进方案，所述主控制电路还与按键温度设定电路或上位机连接。

作为本发明的改进方案，所述设定环境目标值配置为高于外界环境温度3～5℃。

有益效果：本发明将激光器内置在一个温度可控的隔热盒中，隔热盒采用内腔、外腔的方式与外界环境隔离，主控制电路将内腔温度控制在高于外界环境温度3～5℃，保证激光器工作时周围环境温度的稳定性；本发明通过激光器内置TEC调节激光器温度，使用激光器内置高精度的NTC测量激光器瞬时温度，并通过温度控制芯片将温度信息上传至主控制电路，主控制电路采用广义预测控制策略生成温度控制芯片温度控制信号电压，提高激光器波长抗环境温度干扰的能力，实现复杂工作环境下激光器波长的快速调节和长期稳定，尤其适合于农田氨气的检测。

附图说明

图1为本发明的原理框图；

图2为本发明主控芯片的示意图；

图3为本发明主控制电路的电路原理图；

图4为本发明电源供电电路的电路原理图；

图5为本发明激光器盒的结构图；

图6为本发明激光器盒、隔热盒的爆炸结构图；

图7为本发明激光器放入到隔热盒内时的侧向剖视图及俯视剖视图；

图8为本发明激光器放入到隔热盒内时的外部结构示意图；

图9为本发明的热电偶温度检测电路图；

图10为本发明的H桥驱动电路图；

图11为本发明的第二温度控制电路图；

图12为本发明的通信电路图；

图13为本发明的液晶显示电路图；

图14为本发明的按键温度设定电路图。

图中标号：1-底板；2-外壳；3-激光器；4-螺钉；6-聚四氟乙烯垫；7-支架；8-尼龙螺钉；9-接线座；10-内隔热层；11-外隔热层；12-端子；13-外盖板；14-硅胶密封垫；15-聚四氟乙烯垫片；16-无石棉垫片；17-激光器盒；18-内盖板；19-内腔；20-外腔。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，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。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见图1，一种激光器波长稳定控制模块，包括隔热盒与激光器波长稳定控制电路。隔热盒设有内腔19与用于隔热的外腔20，激光器设置在隔热盒的内腔19中。外腔20用于隔离内腔19与外界环境，提供激光器稳定的工作环境，避免外界复杂的环境温度对激光器产生不利的影响。

如图5所示，激光器安装在激光器盒17内。激光器盒17主要由底板1、外壳2通过4颗螺栓连接固定，激光器3焊接固定在电路板上，电路板通过4颗螺栓固定在底板1上，底板1上还固定有接线座9，激光器3的引脚通过电路板覆铜直线连接到接线座9，与外部激光器波长稳定控制电路连接。

如图6-8所示，内腔19由内隔热层10、内盖板18构成，内盖板18通过螺钉4固定在内隔热层10上。外腔20由内隔热层10、外隔热层11、外盖板13构成，为了便于隔热，外盖板13与内盖板18之间设置有无石棉垫片16，用于增强外腔20与内腔19之间的密封隔热效果。激光器盒17通过聚四氟乙烯垫6、2颗尼龙螺钉8与支架7相连接，并通过支架7固定在内腔19底部，支架7、激光器盒17可以保证激光器3在工作时的稳定。外腔20侧壁上设置有端子，激光控制线通过端子12连接，外腔20与内腔19侧壁上还开设有供激光尾纤穿过的孔，为了保证密封效果，孔处设置硅胶密封垫14，激光尾纤通过硅胶密封垫14的中间孔引出。

激光器波长稳定控制电路包括主控制电路、第一温度控制电路以及第二温度控制电路，激光器波长稳定控制电路用于检测当前外界环境温度与内腔温度，并调节内腔温度使达到设定环境目标值；以及检测激光器的当前瞬时温度，并结合当前环境温度值、设定工作温度控制激光器内置的TEC模块的输出，使激光器稳定在设定工作温度。

在一些实施例中，如图2-3所示，主控制电路包括型号为STM32F103VET6的主控芯片U8、晶振Y1与Y2、开关S1、LED灯D9与D10、电容C29～C36，电阻R64～R70。主控芯片U8的第6、11、28、50、75、100引脚与3.3V电源相连，第10、27、49、74、99引脚与地相连。主控芯片U8的第21引脚分别接电阻R66和电阻R67的第二端，电阻R66的第一端接主控芯片U8的第22引脚，电阻R67的第一端接电容C36的第一端，电容C36的第二端接地。主控芯片的第22引脚分别连接电阻R70的第二端以及电容C33、C34的第一端，电容C33、C34的第二端接地，电阻R70的第一端接3.3V电源。主控芯片U8的第12引脚连接电阻R69、晶振Y1的第一端与电容C30的第二端，第13引脚连接电阻R69、晶振Y1的第二端与电容C31的第二端，电容C30、C31的第一端共地。主控芯片U8的第8引脚连接晶振Y2的第一端与电容C32的第二端，第9引脚连接晶振Y2的第二端与电容C35的第二端，电容C32、C35的第一端共地。主控芯片U8的第14引脚连接电阻R65的第二端、开关S1与电容C29的第一端，电阻R65的第一端接3.3V电源，开关S1、电容C29的第二端共地。

上述电源通过电源供电电路提供。如图4所示，电源供电电路包括连接器P7、钽电容E2～E7、型号为LP38690的可调节低压降稳压器U12、U13、U14。连接器P7的第1引脚接地，第3引脚为输入端，与钽电容E2的正极和+5V电源相连，第1引脚为输出端，与钽电容E3的正极和电容C58的第一端相连，并输出+3.3V电压(+D3V3)，钽电容E2、E3的负极、电容C58的第二端以及可调节低压降稳压器U12的第4引脚共地。

类似的，可调节低压降稳压器U13的第3引脚为输入端，与钽电容E4的正极和+5V电源相连，第1引脚为输出端，与钽电容E5的正极和电容C59的第一端相连，输出+3.3V电压(+T3V3)，钽电容E4、E5的负极、电容C59的第二端以及可调节低压降稳压器U12的第4引脚共地。可调节低压降稳压器U14的第3引脚为输入端，与钽电容E6的正极和+5V电源相连，第1引脚为输出端，与钽电容E7的正极和电容C60的第一端相连，输出+3.3V电压(+M3V3)，钽电容E6、E7的负极、电容C60的第二端以及可调节低压降稳压器U14的第4引脚共地。

第一温度控制电路主要包括帕尔贴P4、H桥驱动电路以及两组热电偶温度检测电路，热电偶温度检测电路的输出端与主控制电路的输入端连接，主控制电路的输出端连接H桥驱动电路，H桥驱动电路的输出端连接帕尔贴P4，帕尔贴P4固定在隔热盒的内腔19中。两组热电偶温度检测电路分别用于检测隔热盒的内腔19温度与外界环境温度，并将当前外界环境温度转换为电压信号后输入到主控制电路的AD接口。主控制电路根据外界环境温度判断内腔19温度是否达到设定环境目标值，通过增量式PID控制算法计算得出PWM控制量，输出相应占空比的PWM方波到H桥驱动电路，帕尔贴P4安装在内盖板18的内壁上，H桥驱动电路控制帕尔贴P4的输出使调节隔热盒的内腔19温度到设定环境目标值。在一些实施例中，设定环境目标值设定为高于外界环境温度3～5℃，当外界环境温度变化时，内腔19温度随之变化，可以延缓外界环境温度对于激光器3工作的影响。

具体地，如图9所示，两组热电偶温度检测电路分别包括型号为AD595的测温芯片U6、U7与K型热电偶P2、P3，K型热电偶P2设置在隔热盒外侧，用于检测环境温度，K型热电偶P3固定在隔热盒的内腔19中，用于检测内腔19的温度。K型热电偶P2的两个引脚分别与测温芯片U6的第1引脚和第14引脚相连，测温芯片U6的第4、7、13引脚接地，第11引脚接+5V电源，第8引脚和第9引脚短接，并共同连接主控芯片U8的第67引脚。K型热电偶P3的两个引脚分别与测温芯片U7的第1引脚和第14引脚相连，测温芯片U7的第4、7、13引脚接地，第11引脚接+5V电源，第8引脚和第9引脚短接，并共同连接主控芯片U8的第67引脚。

如图10所示，H桥驱动电路包括二极管D1～D4、MOS管Q1～Q4、三极管Q5、Q6、电阻R61～R64及电容C28。其中，MOS管Q1、Q3作为上桥臂，MOS管Q2、Q4作为下桥臂，MOS管Q1和Q2的栅极连接，并共同连接到三极管Q5的集电极，三极管Q5的发射极接地，基极连接电阻R61的第一端，电阻R61的第二端与主控芯片U8的第23引脚相连。MOS管Q3和Q4的栅极连接，并共同连接到三极管Q6的集电极，三极管Q6的发射极接地，基极与电阻R62的第一端相连，电阻R62的第二端与主控芯片U8的第24引脚相连。MOS管Q1、Q2、Q3、Q4的源极和漏极之间分别并联二极管D1、D2、D3、D4；二极管D1的正极以及二极管D2的负极与电容C28的第一端相连，二极管D3的正极以及二极管D4的负极与电容C28的第二端相连，帕尔贴P4并联在电容C28的两端。

由于激光器设置在激光器盒17中，激光器盒17放置在隔热盒的内腔19中，隔热盒通过外腔中的隔热材料如聚四氟乙烯垫片15、无石棉垫片16与外界环境隔热，极大地延缓了外界环境温度对隔热盒内腔温度的干扰，避免因隔热盒内外温差过大而导致的温度波动。又因为激光器盒17通过聚四氟乙烯垫6与内腔19隔热，进一步保证激光器工作温度的稳定性。上述第一温度控制电路中，主控芯片U8通过AD接口识别K型热电偶P2、P3的电压信号，通过读取K型热电偶温压对照表可计算出当前的环境温度和内腔19中的温度，并将其与设定环境目标值进行对比。本实施例将设定环境目标值设置为高于当前环境温度3～5℃，当内腔19温度与外界环境温度的差值大于该范围值时，主控芯片U8通过PID控制算法计算得出PWM控制量，主控芯片U8内部TIM接口产生相应占空比PWM波，输出至H桥驱动电路。当主控芯片U8的第23引脚输出PWM波时，MOS管Q1、Q4导通，帕尔贴P4制热，当主控芯片U8的第24引脚输出PWM波时，MOS管Q2、Q3导通，帕尔贴P4制冷，从而使激光器的工作环境温度稳定可控。

参见图11，第二温度控制电路包括型号为MAX1968的温度控制芯片U3、型号为MAX4475的运放芯片U4以及型号为MAX4477的运放芯片U5，运放芯片U5与运放芯片U4连接构成测温电路，测温电路的输入端连接N型热敏电阻，输出端连接温度控制芯片U3，温度控制芯片U3的输出端连接TEC模块。温度控制芯片U3将N型热敏电阻的瞬时阻值转换为电压信号，并发送到主控制电路，主控制电路检测得到激光器的瞬时温度，根据瞬时温度、当前环境温度以及设定工作温度，采用广义预测控制策略生成温度控制芯片U3的温度控制信号电压，通过控制温度控制芯片U3的输出控制TEC模块的输出电流的方向和强度，使得TEC模块对激光器加热或制冷，将激光器稳定在设定工作温度。

具体地，温度控制芯片U3的第1、12、20引脚与电容C46的第二端、电容C47的第一端连接，同时与可调节低压降稳压器U14的+3.3V输出相连，电容C46的第一端接地线，电容C47的第二端与温度控制芯片U3的第22引脚共地。温度控制芯片U3的第9引脚与电容C48的第一端相连，电容C48的第二端连接第7引脚和地线，第4引脚与电容C49、电阻R86、R87的第一端以及第27引脚相连，电容C49的第二端接地，电阻R86的第二端接温度控制芯片U3的第26引脚，电阻R87的第二端连接电阻R88的第一端以及温度控制芯片U3的第26引脚，电阻R88的第二端接地。温度控制芯片U3的第21引脚连接电感L5的第一端，电感L5的第二端连接电容C44与C42、电阻R89的第一端以及温度控制芯片U3的第16引脚，电容C44的第二端接地，电阻R89的第二端连接温度控制芯片U3的第15引脚。温度控制芯片U3的第15、16引脚还分别连接在TEC模块的两端，电容C42的第二端与温度控制芯片U3的第16引脚、电感L6的第二端以及电容C45的第一端连接，电感L6的第一端接温度控制芯片U3的第8脚，电容C45的第二端接地，温度控制芯片U3的第25引脚通过电容C43接地。

温度控制芯片的第3引脚与运放芯片U4的第1引脚、电容C51、C50的第一端连接，运放芯片U4的第2引脚与电阻R91、R92的第一端以及电阻R93、电容C50的第二端连接，电阻R93的第一端与电容C51的第二端相连。运放芯片U4的第3引脚连接温度控制芯片U3的参考电压REF，运放芯片U4的第4引脚接地，第8引脚与+3.3V电源和电容C54的第一端相连，电容C54的第二端接地。电阻R92的第二端与电容C52的第一端连接，电阻R91、电容C52的第二端与电阻R94的第一端以及运放芯片U5的第1引脚连接；运放芯片U5的第2引脚与电阻R90的第二端、激光器的N型热敏电阻相连，电阻R90的第一端连接温度控制芯片U3的参考电压REF以及主控芯片U8的第18引脚。运放芯片U5的第3引脚与电阻R94的第二端以及电阻R95的第一端相连，第4引脚接地，第8引脚与+3.3V电源相连，并通过电容C53接地线。电阻R95的第二端接运放芯片U5的第6引脚和第7引脚，运放芯片U5的第5引脚接模数转换芯片U11的第6引脚。

模数转换芯片U11主要用于温度控制芯片U3与主控芯片U8之间的通信连接。如图12所示，模数转换芯片U11型号为MAX5144，模数转换芯片U11的第1引脚连接温度控制芯片U3的参考电压REF，还通过电容C56接地。模数转换芯片U11的第2引脚连接主控芯片U8的第66引脚，第3引脚接主控芯片U8的第65引脚，第4引脚接主控芯片U8的第64引脚，第5引脚通过电阻R96接+T3V3电源，第6引脚连接运放芯片U5的第5引脚，输出控制电压控制信号，第6引脚还通过电容C57接地。数模转换器U11的第9引脚接+3.3V电源，并通过电容C55接地；第10引脚接地。

第二温度控制电路的工作原理如下：

电阻R90与N型热敏电阻进行分压，电阻R90的分压信号输入到主控芯片U8的第18引脚，主控芯片U8通过公式

计算得到N型热敏电阻的阻值，从而得到激光器3的瞬时温度。主控芯片U8将激光器3当前的电压值与设定工作温度对应的电压值作比较，同时结合当前环境温度值，根据广义预测控制策略生成温度控制芯片U3的温度控制信号电压。所生成温度控制芯片U3的温度控制信号电压通过主控芯片U8的第64引脚传输至数模转换器U11的第4引脚，通过数模转换器U11的第6引脚输出设定工作温度对应的电压至第二温度控制电路，通过改变温度控制芯片U3的第3引脚处的电压来设置TEC电流。通过TEC(I_TEC)和V_CTLI的电流传递函数如下所示：

I_TEC＝(V_CTLI-V_REF)/(10×R89)

其中V_REF为1.50V，且I_TEC＝(V_OS1-V_CS)/R89，V_CTLI以V_REF(1.50V)为中心。当V_CTLI＝1.50V时，I_TEC为零。当V_CTLI>1.50V时，温控电路开始加热。电流从温度控制芯片U3的第14引脚流向温度控制芯片U3的第15引脚。引脚上的电压关系如下：

V_OS2>V_OS1>V_CS

制冷时，情况正好相反。当V_CTLI<1.50V，电流从温度控制芯片U3的第15引脚流向温度控制芯片U3的第14引脚，此时引脚上电压关系为：

V_OS2<V_OS1<V_CS

由于温度控制芯片U3的第14引脚和第15引脚与激光器内置的TEC模块两端相连，温度控制芯片U3的TEC模块的驱动由温度控制芯片U3内部的两个开关降压稳压器组成，两个开关降压稳压器相配合控制TEC模块的电流。TEC模块上因此产生差分电压，可以允许双向TEC电流对激光器进行控制冷却和加热，并且不会产生“死区”或其他非线性波动。这确保了当激光器的瞬时温度非常接近设定工作温度时，温度控制系统不会振荡，只需要少量加热/冷却便可，从而在激光器的严格公差范围内精确控制激光器的工作温度。由于开关降压稳压器会在输出端产生纹波电压，温度控制芯片U3中的调节器可以同相切换并提供互补同相占空比，从而大大减少TEC模块处的纹波波形过大，可抑制TEC模块处的纹波电流和电气噪声，以防止干扰激光二极管工作。

上述主控制电路采用的自适应广义预测温控策略采用CARIMA模型，通过CARIMA模型获得系统的性能指标公式，对性能指标公式引入Diophantine方程用于求解预设的系统输出与当前实际系统输出的反馈控制量，从而计算得到预设的系统输出。该自适应广义预测温控策略具有滚动优化和反馈矫正的特点，可以对输出的温控信号电压进行预测，降低隔热盒内腔温度变化对激光器工作的干扰，保证输出的稳态误差为0。

CARIMA模型的差分方程由公式(1)表示：

A(z^-1)y(t)＝B(z^-1)x(t-1)+C(z^-1)ξ(t) (1)

其中，设定工作温度的电压x(t)是系统输入；温控信号电压y(t)是系统输出；隔热盒内腔19环境温度ξ(t)是干扰量。根据上述公式，假设在k时刻系统的性能指标为：

Δx(t-1)是过去的控制量增量向量，y(t)为系统实际输出，N为预测步长，N₀为控制时域的最小值，N_x为控制长度，λ是控制量的加权系数，用于抑制控制增量。其中，控制参数N,N_x,λ通过经验值给定。

引入Diophantine方程对式(1)、(2)进行求解，可得最优控制量公式为：

x＝(G^TG+λI)^-1G^T[y_r-FY(t)-HΔx(t-1)] (3)

其中，G、F、H为待求多项式，针对多项式求解，可计算得到反馈控制量，主控制电路将式(3)代入到式(1)、(2)，从而计算得到系统最佳性能指标时对应的系统输出，也即温控信号电压。

由于通过Diophantine方程对多项式的求解属于现有技术，在此不做过多说明。

在一些实施例中，主控制模块还与液晶显示电路连接，液晶显示电路用于显示主控制电路检测得到的激光器的瞬时温度以及设定工作温度值。

如图13所示，液晶显示电路包括型号为LCD1602的液晶屏P1、电位器R97～R105；液晶屏P1的第1引脚接地并和电位器R97的第1引脚连接，第2引脚接电位器R97的第3引脚和+5V电源，第3引脚接电位器R97的的第2引脚，第4引脚接主控芯片第97引脚，第5引脚接主控芯片的第98引脚，第6引脚接主控芯片U8的第48引脚，第7引脚接主控芯片U8的第15引脚和电阻R98的第二端，第8引脚接主控芯片U8的第16引脚和电阻R99的第二端，第9引脚接主控芯片U8的第10引脚和电阻R100的第二端，第10引脚接主控芯片U8的第11引脚和电阻R101的第二端，第11引脚接主控芯片U8的第31引脚和电阻R102的第二端，第12引脚接主控芯片U8的第32引脚和电阻R103的第二端，第13引脚接主控芯片U8的第89引脚和电阻R104的第二端，第14引脚接主控芯片U8的第90引脚和电阻R105的第二端，电阻R98～R105的第一端接+5V电源。

在一些实施例中，主控制电路还与按键温度设定电路连接，以便于确定激光器的设定工作温度。如图14所示，按键温度设定电路包括按键S2～S5，按键S2、S3、S4、S5的第一端接地，第二端分别连接主控芯片的第52、53、2、3引脚。主控芯片U8上电默认设定温度为25.00℃：每按下1次按键S2，液晶屏P1中的光标右移一位；每按下1次按键S3，该位数字增加1；每按下1次按键S4，该位数字减少1；每按下1次按键S5，设定温度为液晶屏P1内的当前温度。此外，主控制电路也可以通过上位机控制确定激光器的设定工作温度。

本发明将激光器内置在温度可控的隔热盒中，隔热盒采取内腔、外腔隔热的保温方式，大大降低了内外环境的热量交换，以保证激光器工作环境温度的稳定性，从而减少大气温度变化对激光器的影响，使激光器可以稳定工作在多种天气环境下；当激光器周围温度因工作室外的温度而产生波动时，主控芯片U8会迅速做出响应，根据激光器3的实时瞬时温度，采用广义预测控制策略生成温度控制芯片温度控制信号电压，第二温度控制电路接收到电压信号后，会对激光器的TEC模块进行冷却或加热，使激光器稳定在最优的工作温度，提高了激光器的波长抗环境温度干扰的能力，从而实现复杂工作环境下激光器波长的快速调节和长期稳定；经试验，本发明提供的激光器波长稳定控制模块响应速度快，调节时间＜3s，控温精度高，控温精度＜0.02°，稳定性高，控温稳定时间＞12h。

虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

故以上所述仅为本申请的较佳实施例，并非用来限定本申请的实施范围；即凡依本申请的权利要求范围所做的各种等同变换，均为本申请权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，包括隔热盒与激光器波长稳定控制电路，所述隔热盒设有内腔与用于隔热的外腔，激光器设置在隔热盒的内腔中；所述激光器波长稳定控制电路配置为

检测当前外界环境温度与内腔温度，并调节内腔温度使达到设定环境目标值，以及检测激光器的当前瞬时温度，并结合当前环境温度值、设定工作温度控制激光器内置的TEC模块的输出，使激光器稳定在设定工作温度。

2.根据权利要求1所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述内腔由内隔热层、内盖板构成，所述外腔由外隔热层、外盖板构成，所述内隔热层与外隔热层之间、内盖板与外盖板之间填充有隔热材料。

3.根据权利要求2所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述内隔热层与外隔热层之间设置有聚四氟乙烯垫片，所述外盖板与内盖板上还设置有无石棉垫片。

4.根据权利要求2或3所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述激光器固定在激光器盒内，所述激光器盒固定在内腔中；所述激光器通过激光器盒中的接线座与激光器波长稳定控制电路电连接，激光器的尾纤通过硅胶密封垫从所述激光器盒、隔热盒中引出。

5.根据权利要求1所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述激光器波长稳定控制电路包括主控制电路、第一温度控制电路以及第二温度控制电路；所述第一温度控制电路包括帕尔贴P4、H桥驱动电路以及两组热电偶温度检测电路，两组所述热电偶温度检测电路分别设置在隔热盒的内腔及外侧，其输出端与主控制电路的输入端连接，主控制电路的输出端连接所述H桥驱动电路，所述H桥驱动电路的输出端连接帕尔贴P4，所述帕尔贴P4固定在内腔中。

6.根据权利要求5所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述第二温度控制电路包括型号为MAX1968的温度控制芯片U3以及运放芯片U4、U5，运放芯片U4、U5连接构成测温电路，测温电路的输入端连接激光器内部的N型热敏电阻，输出端连接所述温度控制芯片U3，所述温度控制芯片U3的输出端连接所述TEC模块以及主控制电路。

7.根据权利要求5或6所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述主控制模块还与液晶显示电路连接，液晶显示电路用于显示所述主控制电路检测得到的激光器的瞬时温度以及设定工作温度。

8.根据权利要求5或6所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述主控制电路还与按键温度设定电路或上位机连接。

9.根据权利要求1所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述设定环境目标值配置为高于外界环境温度3～5℃。

10.根据权利要求6所述的一种激光器波长稳定控制模块，其特征在于，所述主控制电路采用自适应广义预测温控策略生成温度控制芯片U3的温度控制信号电压，所述自适应广义预测温控策略采用CARIMA模型，CARIMA模型的差分方程如下所示：

A(z^-1)y(t)＝B(z^-1)x(t-1)+C(z^-1)ξ(t)

其中设定工作温度的电压x(t)为系统输入；温控信号电压y(t)为系统输出；隔热盒内腔环境温度ξ(t)为干扰量；

主控制电路通过CARIMA模型获得系统的性能指标公式，对性能指标公式引入Diophantine方程用于求解预设的系统输出与当前实际系统输出的反馈控制量，从而计算得到预设的系统的输出。

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