錐形激光放大器系統(tǒng)溫控電路設(shè)計及調(diào)試

湯國志 汪洲 耿夢夢 任元

摘? 要： 溫度對于錐形激光放大器（TA）的輸出特性影響較大，為了保證TA芯片處于合適的工作溫度，需要設(shè)計溫控電路對芯片溫度進行實時高精度調(diào)控。文中設(shè)計包括溫度設(shè)定電路和溫度主控電路在內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)，通過小體積的硬件電路實現(xiàn)了溫度的高可靠比例積分（PI）調(diào)節(jié)功能，并給出了PI參數(shù)的整定方法以提高控制模塊響應(yīng)速度與控制精度。實驗結(jié)果表明，在設(shè)定溫度25 ℃，工作電流2.0 A的條件下，注入35 mW種子激光，采用該溫控系統(tǒng)的錐形激光放大器輸出功率可達額定值1 W，且具有較好的長期穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的突出優(yōu)點，可以滿足對高質(zhì)量激光光源的需求。

關(guān)鍵詞： 錐形激光放大器; 溫度控制; 電路設(shè)計; 實時調(diào)試; 比例積分調(diào)節(jié); 實驗分析

中圖分類號： TN722?34? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號： 1004?373X（2020）08?0077?05

Design and debugging of temperature control circuit of tapered laser amplifier system

TANG Guozhi1， WANG Zhou2， GENG Mengmeng1， REN Yuan2

（1. Graduate School of Space Engineering University， Beijing 101416， China;

2. Department of Aerospace Science and Technology， Space Engineering University， Beijing 101416， China）

Abstract： The temperature has a great influence on the output characteristics of the tapered laser amplifier. It is necessary to design a temperature control circuit to adjust and control the temperature of the tapered laser amplifier chip accurately in real time， so as to ensure that the chip is within the proper operating temperature. The temperature control system with the temperature setting circuit and temperature main control circuit is designed in the paper. The high?reliability proportional?integral （PI） temperature adjustment function of the system is realized by a small size hardware circuit. The PI parameter setting method improving the response speed and control precision of the control module is given. The experimental results show that when a 35 mW seed laser is injected with a setting temperature of 25 ℃ and an operating current of 2.0 A， the output power of the tapered laser amplifier of this control system can reach a rated value of 1 W， and the tapered laser amplifier has the outstanding advantages of good long?term stability and fast response speed， which can meet the demand for the high?quality laser light sources.

Keywords： tapered laser amplifier; temperature control; circuit design; real?time debugging; proportional?integral control; experiment analysis

0? 引? 言

高亮度、高光束質(zhì)量的大功率激光器在空間激光通信、光對原子的操控、激光冷卻和泵浦固體激光器等方面有著廣泛的應(yīng)用，高質(zhì)量的穩(wěn)定激光光源是很多實驗的基礎(chǔ)。常見的寬條型大功率半導(dǎo)體激光器出光功率雖能夠達到瓦級，但其波導(dǎo)結(jié)構(gòu)受到空間燒孔、絲狀發(fā)光等現(xiàn)象的影響，使得出射光變得不穩(wěn)定[1?2]。為改善光束質(zhì)量，在考慮到技術(shù)難度和成本的情況下，常采用錐形激光放大器來產(chǎn)生高功率高、光束質(zhì)量的激光光源[3]。放大芯片的錐形結(jié)構(gòu)有助于減少絲狀發(fā)光效應(yīng)，改善光束質(zhì)量并提高出光功率，有望滿足諸如空間通信、激光操控等領(lǐng)域?qū)τ诟哔|(zhì)量激光光源的需求。

錐形激光放大器（Tapered Amplifier，TA）的放大芯片是提供高質(zhì)量大功率激光輸出的關(guān)鍵性部件，將小功率的種子激光注入芯片，放大后的激光由發(fā)射端輸出，激光光強和激光功率成正比，和激光的發(fā)射端面積及發(fā)散角成反比，近似與波長的平方成反比[4]。TA放大芯片對溫度非常敏感，溫度的升高會導(dǎo)致芯片的閾值電流上升，同時會影響芯片壽命及PI特性。因此溫度控制至關(guān)重要，是整個系統(tǒng)穩(wěn)定工作的先決條件。

現(xiàn)有激光器主要的溫控手段以溫控芯片為代表，即通過數(shù)控電路來實現(xiàn)溫度的調(diào)節(jié)。如ADI公司的TEC控制芯片ADN8830和德州儀器的32位定點DSP芯片TMS320F2812，Maxim公司的專用TEC驅(qū)動器芯片MAX1968，MAX1978也較為常用[5]。其對應(yīng)的控制方法主要包括PI控制、模糊控制、自抗擾控制（ADRC）、分段控制等[6?8]。這些方法均需要較復(fù)雜的參數(shù)采集與計算過程，以及配套外圍硬件，電路復(fù)雜度上升，隨之而來的是可靠性與通用性的降低;此外，該類方法還不可避免地存在數(shù)字控制系統(tǒng)延時，影響了溫度控制的影響速度和調(diào)節(jié)精度。

本文所設(shè)計的包括溫度設(shè)定電路和溫度主控電路在內(nèi)的溫度控制系統(tǒng)，通過硬件電路實現(xiàn)了溫度的比例積分（PI）調(diào)節(jié)功能，并給出了PI參數(shù)的整定方法以提高控制模塊響應(yīng)速度與控制精度，計算調(diào)節(jié)方法簡單，電路可靠性高且易于小型化，有效避免了數(shù)字控制系統(tǒng)延時。實驗結(jié)果表明，采用該溫控系統(tǒng)的錐形激光放大器輸出功率可達額定值1 W，且具有較好的長期穩(wěn)定性和快速響應(yīng)的突出優(yōu)點，可以滿足對高質(zhì)量激光光源的需求。

1? 溫度控制原理

TA放大芯片通過溫度傳感器和TEC進行溫度的反饋與調(diào)節(jié)。如圖1所示，本文的溫控系統(tǒng)主要包含三個部分：溫度傳感器、TEC和溫度控制器。本系統(tǒng)選取10 kΩ熱敏電阻作為溫度傳感器，優(yōu)點在于其靈敏度較高，響應(yīng)時間短，耐壓高，利于設(shè)計安裝，缺點是其在低溫區(qū)絕對誤差較大。將溫度傳感器連接到TEC的制冷面，同時連接到溫度控制器進行溫度值的反饋。溫度控制器輸出的制冷/加熱電流驅(qū)動TEC工作，散熱器連接到TEC輔助散熱。為保證測溫靈敏性，在加工機械結(jié)構(gòu)時為傳感器預(yù)留的孔位要盡可能接近芯片的安裝位與TEC，并通過導(dǎo)熱硅膠消除空隙。

半導(dǎo)體制冷片（TEC）是以帕爾帖效應(yīng)（Peltier Effect）為基礎(chǔ)的一種冷卻裝置。所謂帕爾帖效應(yīng)，指的是當(dāng)電流流經(jīng)兩種不同半導(dǎo)體材料串聯(lián)形成的電偶時，在電偶的兩端可分別產(chǎn)生吸熱和放熱的現(xiàn)象。宏觀表現(xiàn)為TEC的制冷和制熱效果，改變電流方向可分別實現(xiàn)制冷和制熱，調(diào)節(jié)電流大小可控制制冷量或放熱量，帕爾帖熱與電流成正比，驅(qū)動TEC的電流由溫度控制器提供[9?10]。

設(shè)計溫控電橋作為溫度控制器的溫度設(shè)定電路，電橋由一串特定阻值的電阻組成。調(diào)節(jié)波段開關(guān)改變預(yù)設(shè)溫度，即改變了電橋接入的阻值。電橋所接入電阻兩端的電壓與熱敏電阻兩端的電壓形成電壓差作為溫度反饋信號。該溫度反饋信號經(jīng)過處理放大產(chǎn)生控制量輸送給電流控制單元，最終產(chǎn)生動態(tài)變化的電流，控制TEC實現(xiàn)制熱和制冷的工作。熱敏電阻的阻值隨溫度變化，直到芯片周圍溫度達到預(yù)設(shè)溫度，電壓差變?yōu)榱?，TEC才停止工作。作為一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，利用電橋與熱敏電阻兩端的壓差進行運算，修正控制量，可達到消除偏差的目的[11?12]。如圖 2所示為溫度控制器原理框圖。

2? 溫度控制電路設(shè)計

2.1? 溫度設(shè)定電路

溫控電橋電路如圖 3所示，電位器[RV]最大阻值為10 kΩ，為防止波段開關(guān)未接入電阻時，電位器[RV]調(diào)零而造成短路，添加保護電阻[R0]，[R0]阻值取8.2 kΩ，[RP]為低溫漂電阻，阻值7.5 kΩ，[RT]為10 kΩ熱敏電阻，[U=15? V]由直流穩(wěn)壓源提供。

本文系統(tǒng)設(shè)計要求溫控電橋可調(diào)節(jié)溫度范圍從0～50 ℃，5 ℃為一個檔位。根據(jù)溫度檔位，對照10 kΩ熱敏電阻分度表，結(jié)合A，B兩點間的電壓差，可計算圖中R1～R11各個電阻的大小：

式中：n表示當(dāng)前溫度檔位;[Rn-11]表示從第n個電阻到第11個電阻的總阻值，當(dāng)A，B兩點間的電壓差為0時，芯片周圍溫度達到當(dāng)前檔位設(shè)定值。從1檔開始，0 ℃時[RT]阻值為27.62 kΩ，計算可得R1?11取值在30.198～67.025 kΩ之間，取50 kΩ。溫度設(shè)為2檔時，同理向下進行計算，選取合適阻值，盡量取在區(qū)間中間，覆蓋全部溫度范圍，最終得到R1～R11全部電阻的大小，如圖3中所標注。

2.2? 主控電路

溫度反饋信號輸入主控電路，首先經(jīng)過1NA128放大芯片對信號進行放大處理，如圖4所示為1NA128放大芯片信號和電源的基本連接電路。增益為[G]，輸出電壓以輸出Ref端標準地為基準：

[50 kΩ]為芯片內(nèi)部A1和A2的反饋電阻之和，輸出端電壓為[Vo]：

放大后的溫度反饋信號繼續(xù)進入TL084ACD通用四運算放大器，其中的PI控制單元會對信號進行進一步處理，輸出控制量。[Vo]首先經(jīng)過電位器[RV3]，電壓下降到[V′o=Vo1-RV310×103]，[V′o]經(jīng)過[U1B]比例模塊放大，輸出記為[V7]：

[V7]隨后經(jīng)過[U1A]比例模塊和[U1D]積分模塊處理，分別輸出[V1]與[V14]，實現(xiàn)PI調(diào)節(jié)：

進一步經(jīng)過[U1C]處理輸出控制量，最后經(jīng)過IRFZ48N與IRF9540N組成的TEC電流控制單元，產(chǎn)生動態(tài)變化的電流，控制TEC工作。溫度主控電路原理圖如圖5所示，發(fā)光二極管用于指示電路工作狀況。

3? 實驗研究

3.1? PI模塊調(diào)試

為提高PI模塊響應(yīng)速度，縮短溫控模塊響應(yīng)時間，提高控制精度，需要對溫控PI模塊進行調(diào)試，采用閉環(huán)循環(huán)（Closed Loop Cycling）的方法進行調(diào)試，具體步驟如下：

1） 通過示波器監(jiān)測Error信號，此時確保S1，S2，S3都是斷路的，Error信號顯示結(jié)果如圖6所示，[Error=V0]，由示波器顯示結(jié)果可知，接通電源后，Error信號穩(wěn)定。

2） 短路S2接入R10，調(diào)節(jié)RVG使增益增大至出現(xiàn)明顯的振蕩，如圖7所示。需明確此振蕩周期并不是恒定的，負載情況改變，振蕩周期可能出現(xiàn)變化。

3） 記錄圖7中的振蕩周期約為[T=27 s]，根據(jù)表 1給出的閉合環(huán)路參數(shù)整定常數(shù)可得：

由式（7）可計算出[RV2]的值約為1.18 MΩ，調(diào)節(jié)[RV2]至計算值。

表1? 閉合環(huán)路參數(shù)整定常數(shù)

[控制器 比例范圍Pb 積分時間常數(shù)TI 僅比例項（P） 2P 不可用 比例項與積分項（PI） 2.2P 0.8T ]

4） 再次調(diào)節(jié)[RVG]使系統(tǒng)恰好出現(xiàn)自激振蕩，如圖8所示。

5） 短路S1和S3，啟動積分模塊，此時的增益變?yōu)樵瓉淼腫12.2]，查看Error信號，調(diào)節(jié)預(yù)設(shè)溫度，確認曲線收斂良好，如圖9所示，曲線突變點表示預(yù)設(shè)溫度改變，即調(diào)節(jié)波段開關(guān)檔位，經(jīng)過約25 s曲線重新拉回到零點，說明溫度達到所調(diào)節(jié)的溫度，響應(yīng)時間較快。

3.2? TA芯片保護

如圖10所示為TA芯片保護電路，其作用是減少噪聲，限制傳輸?shù)叫酒碾娏髋c信號波動，防止芯片損壞[13]。

3.3? 輸出檢測

對放大器的功率放大效果與出光穩(wěn)定性進行實驗研究，設(shè)置工作溫度為25 ℃，逐漸改變種子光功率，通過激光功率計分別記錄電流為1.0 A，1.5 A，2.0 A時的出射光功率，繪制折線圖，如圖11所示。從圖中可以看出，在工作電流2.0 A的條件下，注入35 mW種子激光，采用該溫控系統(tǒng)的錐形激光放大器輸出功率可達額定值1 W。

進一步檢測出光穩(wěn)定性，在2.0 A電流，種子光功率35 mW的情況下，利用三組[λ2]波片與PBS的組合搭建分光光路，對出射光進行分束，為防止發(fā)生危險，側(cè)向光通過套筒進行吸收，最終得到約1 mW的光束。通過光電池接入示波器檢測出光穩(wěn)定性，250 s內(nèi)示波器采集到的光電信號如圖12所示。最大電平210.5 mW，最小電平209.3 mW，平均電平209.72 mW，具有較好的長期穩(wěn)定性，可以滿足對高質(zhì)量激光光源的需求。需要注意的是，無論是用功率計檢測出射光功率還是對出射光進行分束，都要注意受光面的偏斜，防止有反射光反向射入芯片造成芯片損壞。

4? 結(jié)? 論

錐形激光放大器是制備高功率、高質(zhì)量激光光源的關(guān)鍵部件，溫度對于放大芯片工作的穩(wěn)定性具有顯著影響，采用注入電流調(diào)諧放大芯片輸出時，芯片工作溫度的穩(wěn)定性控制變得尤為重要。

本文采用1NA128放大芯片及通用四運算放大器設(shè)計主控電路，利用電橋及熱敏電阻配合設(shè)計溫度設(shè)定電路，完全采用硬件電路實現(xiàn)溫度控制，電路構(gòu)成簡單，可靠性高且易于小型化，有效避免了數(shù)字控制系統(tǒng)延時，可全面覆蓋0～50 ℃溫度區(qū)間，便于調(diào)節(jié)，溫控模塊響應(yīng)速度較快。對出光功率進行檢測，通過溫控模塊控制芯片溫度為25 ℃，在工作電流2.0 A，種子光功率35 mW的情況下，采用該溫控系統(tǒng)的錐形激光放大器輸出功率可達額定值1 W;并在此工作條件下，設(shè)計簡易分光光路，通過光電池及示波器檢測出光穩(wěn)定性，結(jié)果顯示錐形激光放大器的輸出具有較好的長期穩(wěn)定性，可以滿足對高質(zhì)量激光光源的需求。檢測結(jié)果同樣表明溫控模塊長時間穩(wěn)定有效。

注：本文通訊作者為任元。

參考文獻

[1] M?LLER A， FRICKE J， BUGGE F， et al. DBR tapered diode laser with 12.7 W output power and nearly diffraction?limited， narrowband emission at 1030 nm [J]. Applied physics B， 2016， 122（4）： 1?6.

[2] PASCHKE K， BUGGE F， BLUME G， et al. High?power diode lasers at 1178 nm with high beam quality and narrow spectra [J]. Optics letters， 2015， 40（1）： 100?102.

[3] 蒲濤飛，張晶.高功率高光束質(zhì)量錐形半導(dǎo)體激光器[J].長春理工大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版），2015（2）：9?12.

[4] PNIEL E， DALIN B， GOLOD S， et al. Types of filamentation in tapered diode amplifiers： their causes and features [J]. Optical & quantum electronics， 2015， 47（6）： 1?10.

[5] 徐建，甘志銀，石雄，等.CPT原子鐘系統(tǒng)光源溫度控制設(shè)計與實現(xiàn)[J].宇航計測技術(shù)，2011，31（2）：18?21.

[6] 左帥，和婷，堯思遠.基于模糊PID控制的半導(dǎo)體激光器溫控系統(tǒng)[J].激光與紅外，2014（1）：94?97.

[7] 黃一，薛文超.自抗擾控制：思想、應(yīng)用及理論分析[J].系統(tǒng)科學(xué)與數(shù)學(xué)，2012，32（10）：1287?1307.

[8] 李德亮，王軼卿.智能控制在溫度調(diào)節(jié)儀中的應(yīng)用[J].自動化技術(shù)與應(yīng)用，2012，31（4）：13?15.

[9] 陳從顏，王延奪，王煒.基于復(fù)合帕爾貼模塊熱觸覺再現(xiàn)裝置研究[J].儀器儀表學(xué)報，2016，37（11）：2521?2527.

[10] 馮云松，沈佳，路遠，等.基于帕爾帖效應(yīng)的動態(tài)紅外迷彩的機理與實現(xiàn)[J].紅外與激光工程，2012，41（7）：1695?1699.

[11] WU Yue， CHEN Guozhu， SHEN Yong， et al. Long?term stabilization of the optical fiber phase control using dual PID [J]. Instrumentation， 2015（4）： 114?117.

[12] 李先欣.基于DSP的PID算法溫控設(shè)計及其在MAX?DOAS系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].北京：中國科學(xué)院，2012.

[13] KANGARA J. Design and construction of tapered amplifier systems for laser cooling and atom trapping experiments [D]. Oxford： Miami University， 2012.