CN115864108A - 一种基于tec的光纤激光器及其温控控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种基于TEC的光纤激光器及其温控控制方法。激光器包括：光纤激光器壳体、隔振垫、NTC温度传感器、激光光源模块、TEC、均温板、散热风扇，其中，激光光源模块设置在光纤激光器壳体内并且激光光源模块的底面和一个侧面紧贴光纤激光器壳体的底面和一个侧面设置，NTC温度传感器设置在激光光源模块上，TEC的制冷面与光纤激光器壳体的所述一个侧面粘结，均温板的一侧分别与TEC的加热面、光纤激光器壳体的底面以及光纤激光器壳体的所述一个侧面的相对面粘结，隔振垫一侧与散热风扇连接，隔振垫另一侧与均温板另一侧粘结。

Description

一种基于TEC的光纤激光器及其温控控制方法

技术领域

本发明属于光纤激光器领域，具体涉及一种基于TEC的光纤激光器及其温控控制方法。

背景技术

光纤激光器具有可调谐、窄线宽、良好的光束质量、高耦合率、兼容性好、成本低、稳定性好等特点，在国防、通信、工业等领域得到了广泛应用。光纤激光器对工作条件的要求非常苛刻，温度的变化会影响其发射波长、输出功率等参数，从而对测试结果产生严重影响。(1)温度对波长的影响。光纤激光器在工作电流恒定的情况下，温度每升高1℃，激光波长将增加0.1nm～0.3nm。(2)温度对输出功率，寿命的影响。温度升高会造成激光器阈值电流增大，从而使输出功率下降，减少使用寿命。由此可见，对光纤激光器的温度进行控制是很有必要的。常用的控制方法有以下两种：一种是在激光器内部集成热电制冷器进行加热或制冷来控制温度，这种控制方式只能将激光器外侧的热量散发掉，激光器内侧的热量并不能得到及时的处理；同时在激光器工作环境温度范围较大的情况下，控制的效果很不理想。另一种是采用风冷或水冷进行控制，这种方法只能对温度进行宽幅调节，温度控制精度低，而且响应时间比较长。为了解决目前常用的控制方法中存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

发明目的：提供一种基于TEC的光纤激光器及其温控控制方法。

技术方案：

一种基于TEC的光纤激光器，包括：光纤激光器壳体1、隔振垫2、NTC温度传感器3、激光光源模块4、TEC5、均温板6、散热风扇7，其中，激光光源模块4设置在光纤激光器壳体1内并且激光光源模块4的底面和一个侧面紧贴光纤激光器壳体1的底面和一个侧面设置，NTC温度传感器3设置在激光光源模块4上，TEC5的制冷面与光纤激光器壳体1的所述一个侧面粘结，均温板6的一侧分别与TEC5的加热面、光纤激光器壳体1的底面以及光纤激光器壳体1的所述一个侧面的相对面粘结，隔振垫2一侧与散热风扇7连接，隔振垫2另一侧与均温板6另一侧粘结。

进一步地，还包括散热翅片8，其中，散热翅片8设置在隔振垫2另一侧与均温板6另一侧之间。

进一步地，TEC5的制冷面与光纤激光器壳体1的所述一个侧面通过导热硅脂粘结，均温板6的一侧分别与TEC5的加热面、光纤激光器壳体1的底面以及光纤激光器壳体1的所述一个侧面的相对面通过导热硅脂粘结。

一种基于TEC的光纤激光器的温度控制方法，所述方法用于控制上述的基于TEC的光纤激光器的温度，所述方法包括：

步骤1：从NTC温度传感器3获取温度；

步骤2：若温度高于正常温度阈值的上限，则使得TEC5的IN1为高电平，IN2为低电平，此时输出正向电流，TEC对光纤激光器制冷以降低温度；

步骤3：若温度低于正常温度阈值的下限，则使得TEC5的IN1为低电平，IN2为高电平，此时输出反向电流，TEC对光纤激光器加热，提高光纤激光器的温度。

进一步地，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第一温度范围之内，则使TEC以最大功率制冷或加热，使温度快速恢复。

进一步地，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第二温度范围之内，则使TEC以最大功率的75％工作，使温度恢复。

进一步地，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第三温度范围之内，则使TEC以最大功率的50％工作，使温度恢复。

进一步地，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第四温度范围之内，则使TEC以最大功率的25％工作，既使温度恢复。

进一步地，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值差值为0，则使TEC停止工作。

有益效果：

通过均温板可以有效的将激光光源模块与壳体相连面的热量转移到光纤激光器的外部，并进一步转移到外部环境；TEC可以实现对光纤激光器的精确温控，控制精度在0.01℃之内。

附图说明

图1为本发明提供的光纤激光器实施例一的模块结构图。

图2为本发明提供的光纤激光器实施例二的模块结构图。

其中，光纤激光器壳体1、隔振垫2、NTC温度传感器3、激光光源模块4、TEC5、均温板6、散热风扇7、散热翅片8。

图3为本发明提供的一种基于TEC的光纤激光器温控装置及方法的实施例的结构框图。

图4为本发明中提及的TEC，其中，IN1高电平，IN2低电平，为正向电流，TEC制冷；IN1低电平，IN2高电平，为反向电流，TEC制热。

具体实施方式

在常用的激光器散热方法中，通过在激光器内部集成热敏电阻和热电制冷器的方法只能将激光器外侧的热量散发掉，激光器内侧的热量并不能得到及时的处理；通过风冷或水冷进行温控的方法只能对激光器的温度进行宽幅调节，温度控制精度低，而且响应时间比较长。

图1为本发明提供的光纤激光器实施例一的模块结构图，该模块包括光纤激光器壳体1、隔振垫2、NTC温度传感器3、激光光源模块4、TEC5、均温板6、散热风扇7。NTC温度传感器3设置在激光光源模块4上，光纤激光器壳体1的一个侧面与TEC5的制冷面通过导热硅脂粘接，TEC5的加热面与均温板6一端通过导热硅脂粘接，均温板6另一端覆盖光纤激光器壳体1的底面及另一个侧面并与光纤激光器壳体1通过导热硅脂粘接，隔振垫2连接散热风扇7后与均温板6粘接。均温板的弯折处为圆角，减小断裂的风险，延长使用寿命。

图2为本发明提供的光纤激光器实施例二的模块结构图，该模块包括光纤激光器壳体1、隔振垫2、NTC温度传感器3、激光光源模块4、TEC5、均温板6、散热风扇7、散热翅片8。NTC温度传感器3设置在激光光源模块4上，光纤激光器壳体1的一个侧面与TEC5的制冷面通过导热硅脂粘接，TEC5的加热面与均温板6一端通过导热硅脂粘接，均温板6另一端覆盖光纤激光器壳体1的底面及另一个侧面并与光纤激光器壳体1通过导热硅脂粘接，散热翅片8连接均温板6，隔振垫2连接散热风扇7后与散热翅片8连接。

散热片右端与激光器壳体面积相同且贴合，左端散热面积增大类似方座，散热面为的；散热翅片与风扇的风道是一致的，增大散热面积、气流的运动阻碍变小。

图3为本发明提供的一种基于TEC的光纤激光器温控装置及方法的实施例的结构框图，由NTC温度传感器对光纤激光器温度进行温度采集，采集到温度信号后反馈到MCU中，在MCU中与设定的温度范围值进行比对，根据比对结果输出控制信号，由TEC驱动电路进行转换，得到TEC的驱动电流，对TEC进行加热或者制冷的温度控制。

图4为本发明中提及的TEC，在本实施例中IN1高电平，IN2低电平，为正向电流，TEC制冷；IN1低电平，IN2高电平，为反向电流，TEC制热。

本发明实施例提供了一种温度控制装置，包括：光纤激光器壳体1、激光光源模块4、NTC温度传感器3、均温板6、散热风扇7、隔振垫2、热电制冷器TEC 5、TEC驱动器和MCU；激光光源模块4紧贴光纤激光器壳体1底面及与底面垂直的一个侧面设置，该侧面的外部与TEC 5的制冷面通过导热硅脂粘接，TEC5的加热面与均温板6的一端粘接，均温板6覆盖光纤激光器壳体1的底面外部及与该侧面相对面的外部，均通过导热硅脂粘接，其中与设置TEC5的侧面相对的面上所粘接的均温板6通过隔振垫2和散热风扇7连接，NTC温度传感器3紧贴激光光源模块4的上表面设置。均温板6用于热量的传导，实现将内部热量散发到外部环境中。隔振垫2的一面设置于散热风扇7上，另一面与均温板6粘接，用于减小散热风扇转动带来的振动影响。均温板6是一体成型的结构，结构材料采用高导热薄膜材料，导热性强，且韧性高，避免弯折处出现疲劳断裂。

NTC温度传感器3设置于光纤激光器壳体1内部、激光光源模块4的上表面，用于获取激光光源模块的实时温度。热电制冷器TEC5的制冷面设置于光纤激光器壳体1外部的一个侧面，加热面与均温板6的一端粘接，其中均温板6用于热量的传导。控制电路中，MCU分别与NTC温度传感器3和TEC驱动电路连接，MCU预置了光纤激光器的正常温度阈值，通过与NTC温度传感器获取的温度值比较，判定是否需要进行加热或制冷，根据判定结果向TEC驱动器发送相应的温控信号。TEC接收到TEC驱动器的信号后，根据信号完成相应的工作(不进行操作、加热或制冷)。均温板6经过光纤激光器壳体1底部的外侧延伸覆盖到光纤激光器壳体1外部的另一个侧面，并与光纤激光器壳体1通过导热硅脂粘接。隔振垫2的一面设置于散热风扇7上，另一面与均温板6粘接，用于减小散热风扇工作时带来的振动影响。

TEC有两个引脚IN1和IN2，温度控制范围在-55℃～80℃；MCU预置光纤激光器的正常工作温度阈值为20℃～25℃。MCU将NTC温度传感器3采集到的实时温度信号与阈值进行比较，若实时温度高于阈值上限，说明光纤激光器过热，则使IN1为高电平，IN2为低电平，此时输出的是正向电流，TEC对光纤激光器制冷以降低温度；若实时温度低于阈值下限，说明光纤激光器过冷，则使IN1为低电平，IN2为高电平，此时输出反向电流，TEC进行加热，提高光纤激光器的温度。同时计算实时温度与阈值上下限差值的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第一温度范围之内，则TEC驱动器会获得MCU发送的占空比为100％的脉冲信号，使TEC以最大功率工作，使温度快速恢复；如果差值在设定的第二温度范围之内，则TEC驱动器会获得占空比为75％的脉冲信号，使TEC以最大功率的75％工作，使温度恢复；如果差值在设定的第三温度范围之内，则TEC驱动器会获得占空比为50％的脉冲信号，使TEC以最大功率的50％工作，使温度恢复；如果差值在设定的第四温度范围之内，则TEC驱动器会获得占空比为25％的脉冲信号，使TEC以最大功率的25％工作，既使温度恢复，也能避免温度矫正过度引起的震荡；如果差值为0，则TEC驱动器输出低电平，使TEC停止工作。NTC温度传感器测温精度可达0.01℃，响应时间≤0.01s。

Claims (9)

1.一种基于TEC的光纤激光器，其特征在于，包括：光纤激光器壳体(1)、隔振垫(2)、NTC温度传感器(3)、激光光源模块(4)、TEC(5)、均温板(6)、散热风扇(7)，其中，激光光源模块(4)设置在光纤激光器壳体(1)内并且激光光源模块(4)的底面和一个侧面紧贴光纤激光器壳体(1)的底面和一个侧面设置，NTC温度传感器(3)设置在激光光源模块(4)上，TEC(5)的制冷面与光纤激光器壳体(1)的所述一个侧面粘结，均温板(6)的一侧分别与TEC(5)的加热面、光纤激光器壳体(1)的底面以及光纤激光器壳体(1)的所述一个侧面的相对面粘结，隔振垫(2)一侧与散热风扇(7)连接，隔振垫(2)另一侧与均温板(6)另一侧粘结。

2.根据权利要求1所述的基于TEC的光纤激光器，其特征在于，还包括散热翅片(8)，其中，散热翅片(8)设置在隔振垫(2)另一侧与均温板(6)另一侧之间。

3.根据权利要求1所述的基于TEC的光纤激光器，其特征在于，TEC(5)的制冷面与光纤激光器壳体(1)的所述一个侧面通过导热硅脂粘结，均温板(6)的一侧分别与TEC(5)的加热面、光纤激光器壳体(1)的底面以及光纤激光器壳体(1)的所述一个侧面的相对面通过导热硅脂粘结。

4.一种基于TEC的光纤激光器的温度控制方法，所述方法用于控制权利要求1-3中任一项所述的基于TEC的光纤激光器的温度，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：从NTC温度传感器(3)获取温度；

步骤2：若温度高于正常温度阈值的上限，则使得TEC(5)的IN1为高电平，IN2为低电平，此时输出正向电流，TEC对光纤激光器制冷以降低温度；

步骤3：若温度低于正常温度阈值的下限，则使得TEC(5)的IN1为低电平，IN2为高电平，此时输出反向电流，TEC对光纤激光器加热，提高光纤激光器的温度。

5.根据权利要求4所述的基于TEC的光纤激光器的温度控制方法，其特征在于，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第一温度范围之内，则使TEC以最大功率制冷或加热，使温度快速恢复。

6.根据权利要求4所述的基于TEC的光纤激光器的温度控制方法，其特征在于，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第二温度范围之内，则使TEC以最大功率的75％工作，使温度恢复。

7.根据权利要求4所述的基于TEC的光纤激光器的温度控制方法，其特征在于，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第三温度范围之内，则使TEC以最大功率的50％工作，使温度恢复。

8.根据权利要求4所述的基于TEC的光纤激光器的温度控制方法，其特征在于，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值在设定的第四温度范围之内，则使TEC以最大功率的25％工作，既使温度恢复。

9.根据权利要求4所述的基于TEC的光纤激光器的温度控制方法，其特征在于，步骤2和步骤3，具体还包括：

计算温度与正常温度阈值的下限或者正常温度阈值的上限的绝对值，如果计算得到的绝对值差值为0，则使TEC停止工作。

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