半导体激光器温度控制系统.

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高精度输出半导体激光器的温度控制系统设计

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ＴｅＤｓ９ｆｒａＨ９ｒｃｓ０ｅｐｒｔｒｙｔｍｈｅｉｎｏｉｈＰｅｉｉｎＴｍｅａｕｅＳｓｅ
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Ｋｅｗｏｄ：ＬｓｔＤｏｅ：ＴｍｅａｕｅＣｎｒｌｇｖｒｓａｅｉｄｅｐｒｔｒｏｔｏｉ１ｎ
０弓言Ｉ随着光纤通信向着小型化、集成化发展，掺铒光纤放大器（Ｆ）ＲＭＮ大器的பைடு நூலகம்用越来越广泛，ＥＡ和ＡＡ放Ｄ要求半导体激
将Ｌ的温度反馈到输入端，Ｄ经过差动放大和缓冲隔离后送入ＰＤＩ控制器，通过控温执行元件实现温度控制【。２测温部分用】具有高灵敏度的负温度系数的热敏电阻（Ｔ）ＮＣ作为温度传感
器，将实际温度与设置温度值相减，差值送ＰＤ制器驱动Ｉ控温控执行部分。用ＴＣＥ作为制冷器件，ＴＣ用乙类双电源互Ｅ补对称功率放大电路驱动。１１温度／．电压转换电路进行精密温控的前提条件是能够高精度高分辨率的检测温度值。本文中的温控装置用于激光器，温控精度要求达到 ±Ｏ０１，因此相应的测温分辨率至少应高出一个数量级。．２Ｃ通常的集成温度传感器或半导体温度传感器达不到如此精度，热敏电阻具有较高的温度系数，但非线性很大。由于ＬＤ体积非常小，以，测温器件也要很小。所采用半导体工艺制成的薄膜铂热敏电阻器，不仅体积小（以做到２Ｏｍｘ可．ｍ２５．ｍｍ１１ｘ．ｍｍ）而且具有很好的灵敏度和稳定性，，它将温度的变化转化为电阻值的变化，在不太宽的温度范围内（０１２０Ｃ以下），其电阻与温度的关系可以表示为：ＲＲ［一ｏ（＝。１【０，０）】式中：。０Ｒ为时的电阻值（：为选定温度，一般Ｑ）０。为０Ｃ０时的电阻值；ｏ１；Ｒ为。【为温度系数。测温电路如图一所示，采用桥路放大采样。为了很好的使热敏电阻（ｔＲ）的变化与输出的电压线性化，电路中设计ＴＲ与Ｒ并联。ｔ电桥由Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒ、Ｒ组成。因此，Ｒ上的电压变化就１２３４ｔｔ

半导体激光器温度控制系统设计与算法仿真

ＤｅｓｉｇｎａｎｄＳｉｍｕｌａｔｉｏｎＡｌｇｏｒｉｔｈｍｏｆＴｅｍｐｅｒａｔｕｒｅＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＤｉｏｄｅＬａｓｅｒ
ＷＡＮＧＬｉｎｇ，ＹＥＨｕｉ — ｙｉｎｇ，ＺＨＡＯＷｅｎ
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｄｉｏｄｅｌａｓｅｒ（ＬＤ）ｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｉｒｓｔｉｃｓｏｆｌａｒｇｅｖｏｌｕｍｅ，ａｎｄｌｏｗｐｒｅｃｉｓｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏ１．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｄｅ —
２０１３
仪表技术与传感器
ＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔＴｅｃｈｎｉｑｕｅａｎｄＳｅｎｓｏｒ
２０１３
第５期
Ｎｏ．５
半导体激光器温度控制系统设计与算法仿真
．
汪
灵，叶会英，赵
ｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｔａｂｉｌｉｔｙｏｆｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；Ｓｍｉｔｈａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ｆｕｚｚｙＰＩＤ・Ｓｍｉｔｈｃｏｎｔｒｏｌ

基于ADRC的半导体激光器温度控制的仿真研究

０引言
半导体激光器是基于半导体材料中电子一空穴
体激光器温度。
关键词：半导体激光器；温度控制；自抗扰控制
中图分类号：ＴＮ２４８．４
文献标志码：Ａ
文章编号：１０００— ０６８２（２０１３）ｏｌ一０００３— ０３
ＲｅｓｅａｒｃｈｏｎｔｈｅｓｉｍｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｂｓｅａｄｏｎＡＤＲＣ
ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｒｉｓｅ，ｔｈｅｒｅｂｙａｆｆｅｃｔｉｎｇｉｔｓｏｐｔｉｃａｌｏｕｔｐｕｔｐｏｗｅｒａｎｄｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ．Ｉｔｉｓｎｅｃｅｓ — ｓａｒｙｔｏｃｏｎｔｒｏｌｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ．Ｔｈｉｓｐａｐｅｒａｎａｌｙｚｅｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｔｈｅｓｅｍｉｃｏｎ—
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒ；ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；ａｃｔｉｖｅｄｉｓｔｕｒｂａｎｃｅｒｅｊｅｃｔｉｏｎｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ（ＡＤＲＣ）

气体传感器中半导体激光器的温度控制

ｕｓｅｄｔｏｍｅａｓｕｒｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌａｓｅｒ，ｂｕｔｔｈｅｓｔｕｃｒｔｕｒｅｏｆｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｃｏｎｆｉｎｅｓｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｃａｎｎｏｔｔｏｂｅａｃｃｕｒａｔｅ
Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｏｆｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｉｎｇａｓｓｅｎｓｏｒ
ＷＡＮＧＺｈｕｏ，ＭＩＮＫｕｎ— ｌｏｎｇ，ＢＡＩＸｕｅ — ｂｉｎｇ，ＣＡＩＨｏｎｇ — ｇａｎｇ
验结果表明：光源温度偏差可以控制在０．Ｏ１ ℃以内，进一步提高了光学气体传感器的工作稳定度。
关键词：气体传感器；半导体激光器；温度控制
中图分类号：ＴＰ２１２．３文献标识码：Ａ文章编号：１０００－９７８７（２０１３）０６－００４３－０４
ｌａｓｅｒ，ａｎｄｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｏｆｌａｓｅｒｉｓｏｎｅｆｏｔｈｅｍａｊｏｒｆａｃｔｏｒｓａｆｆｅｃｔｉｎｇｗａｖｅｌｅｎｔｇｈ．Ａｔｐｒｅｓｅｎｔ，ｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｉｎｓｉｄｅｌａｓｅｒｉｓ
（东北林业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨１５００４０）

一种大功率TEC温控系统的设计

计算机测量与控制．２０２０．２８（１１）　犆狅犿狆狌狋犲狉犕犲犪狊狌狉犲犿犲狀狋牔犆狅狀狋狉狅犾　·１０６　·收稿日期：２０２００４２１；　修回日期：２０２００５１５。

基金项目：深圳技术大学２０１７年度新引进教师科研启动项目（１８１４３０９０１１１７００５）。

作者简介：敬奕艳（１９８２），女，四川盐亭人，硕士，高级工程师，主要从事电子技术实验教学和电子产品设计方向的研究。

文章编号：１６７１４５９８（２０２０）１１０１０６０５ＤＯＩ：１０．１６５２６／ｊ．ｃｎｋｉ．１１－４７６２／ｔｐ．２０２０．１１．０２２中图分类号：ＴＰ２７１文献标识码：Ａ一种大功率犜犈犆温控系统的设计敬奕艳（深圳技术大学新材料与新能源学院，广东深圳　５１８１１８）摘要：小功率半导体激光器常采用ＴＥＣ片进行温度控制，其中，ＴＥＣ片工作电压为５Ｖ，工作电流低于４Ａ的应用已经有了几种成熟的芯片方案，而更高电压和电流的ＴＥＣ温控需要自行设计控制系统；设计了一种基于ＡＶＲ单片机ＡＴｍｅｇａ１２８，适用于较大功率ＴＥＣ片的温控系统，主要技术指标包括：ＴＥＣ片工作电压范围６～２４Ｖ，峰值电流≤２０Ａ，控温范围：０～７０℃，控温精度±０．０５℃；使用负温度系数热敏电阻采集温度，包含温度信息的电压值转化为数字量输入单片机，单片机根据位置式ＰＩＤ控制算法的计算结果输出控制信号，驱动由两片ＢＴＮ７９７１Ｂ构成的Ｈ桥电路，Ｈ桥输出电压提供给ＴＥＣ片；对硬件和软件的实现方法进行了详细分析，重视控温精度、系统的可靠性设计；经过实际测试，可实现前述技术指标，能满足较大功率半导体激光器的控温要求。

关键词：温度控制；ＴＥＣ；ＰＩＤ算法；ＡＴｍｅｇａ１２８犇犲狊犻犵狀狅犳犪犜犈犆犜犲犿狆犲狉犪狋狌狉犲犆狅狀狋狉狅犾犛狔狊狋犲犿犠犻狋犺犎犻犵犺犘狅狑犲狉ＪｉｎｇＹｉｙａｎ（ＳｃｈｏｏｌｏｆＮｅｗＭａｔｅｒｉａｌｓａｎｄＮｅｗＥｎｅｒｇｉｅｓ，ＳｈｅｎｚｈｅｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｓｈｅｎｚｈｅｎ　５１８１１８）犃犫狊狋狉犪犮狋：ＬｏｗｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒｓｏｆｔｅｎｕｓｅＴＥＣｃｈｉｐｓｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ，ａｍｏｎｇｗｈｉｃｈ，ｔｈｅｒｅａｒｅｓｅｖｅｒａｌｋｉｎｄｓｏｆｍａｔｕｒｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｆｏｒｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒｏｆｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｏｆ５Ｖａｎｄｗｏｒｋｉｎｇｃｕｒｒｅｎｔｌｅｓｓｔｈａｎ４Ａ．Ｆｏｒｂｉｇｇｅｒｖｏｌｔａｇｅａｎｄｃｕｒｒｅｎｔ，ａｕｎｉｑｕｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｎｅｅｄｓｔｏｂｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．ＡｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｓｙｓｔｅｍｂａｓｅｄｏｎＡＶＲｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒＡＴｍｅｇａ１２８ｉｓｄｅｓｉｇｎｅｄ，ｗｈｉｃｈｉｓｓｕｉｔａｂｌｅｆｏｒｈｉｇｈｐｏｗｅｒＴＥＣｃｈｉｐ．Ｔｈｅｍａｉｎｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｉｎｃｌｕｄｅ：ｔｈｅｗｏｒｋｉｎｇｖｏｌｔａｇｅｒａｎｇｅｏｆＴＥＣｃｈｉｐｉｓ６－２４Ｖ，ｔｈｅｐｅａｋｃｕｒｒｅｎｔｉｓｕｐｔｏ２０Ａ，ｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｒａｎｇｅｉｓ０－７０℃，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙｉｓ±０．０５℃．Ａｎｅｇａｔｉｖｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｅｆｆｉｃｉｅｎｔｔｈｅｒｍｉｓｔｏｒｉｓｕｓｅｄｔｏｃｏｌｌｅｃｔｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ，ａｎｄｔｈｅｖｏｌｔａｇｅｃｏｎｔａｉｎｉｎｇｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎｉｓｃｏｎｖｅｒｔｅｄｉｎｔｏａｄｉｇｉｔａｌｖａｌｕｅａｎｄｔｈｅｎｓｅｎｔｔｏｔｈｅｓｉｎｇｌｅｃｈｉｐｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒ．ＡｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｅｓｕｌｔｏｆｐｏｓｉｔｉｏｎｔｙｐｅＰＩＤｃｏｎｔｒｏｌａｌｇｏｒｉｔｈｍ，ｔｈｅｍｉｃｒｏｃｏｍｐｕｔｅｒｏｕｔｐｕｔｓｔｈｅｃｏｎｔｒｏｌｓｉｇｎａｌｓ，ｗｈｉｃｈｄｒｉｖｅｔｈｅＨ－ｂｒｉｄｇｅｃｉｒｃｕｉｔｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｔｗｏＢＴＮ７９７１Ｂ，ａｎｄｔｈｅＨ－ｂｒｉｄｇｅｏｕｔｐｕｔｖｏｌｔａｇｅｉｓｐｒｏｖｉｄｅｄｔｏｔｈｅＴＥＣｃｈｉｐ．Ｔｈｅｒｅａｌｉｚａｔｉｏｎｍｅｔｈｏｄｓｏｆｈａｒｄｗａｒｅａｎｄｓｏｆｔｗａｒｅａｒｅａｎａｌｙｚｅｄｉｎｄｅｔａｉｌ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌａｃｃｕｒａｃｙａｎｄｓｙｓｔｅｍｒｅｌｉａｂｉｌｉｔｙａｒｅｅｍｐｈａｓｉｚｅｄｉｎｄｅｓｉｇｎ．Ａｆｔｅｒｐｒａｃｔｉｃａｌｔｅｓｔｓ，ｔｈｅｔｅｃｈｎｉｃａｌｓｐｅｃｉｆｉｃａｔｉｏｎｓｃａｎｂｅａｃｈｉｅｖｅｄ，ａｎｄｔｈｅｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｈｉｇｈｅｒｐｏｗｅｒｓｅｍｉｃｏｎｄｕｃｔｏｒｌａｓｅｒａｒｅｍｅｔ．犓犲狔狑狅狉犱狊：ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｃｏｎｔｒｏｌ；ＴＥＣ；ＰＩＤａｌｇｏｒｉｔｈｍ；ＡＴｍｅｇａ１２８０　引言半导体热电致冷器（ｔｈｅｒｍｏｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｏｌｅｒ，ＴＥＣ）是利用半导体材料的珀尔帖效应制成的。

基于半导体制冷器的激光器温度控制系统

ＶＯ１．３１ＮＯ．３
Ｊｎ２１ｕ．００
基于半导体制冷器的激光器温度控制系统
王博钰，贾文超
（春工业大学电气与电子工程学院，吉林长春１０１）长３０２
摘要：采用ＮＴＣ作为温度传感器进行温度采集，利用ＰＷＭ脉宽调制技术及ＰＤ补偿算法Ｉ实现温度调节，导体制冷器作为控制终端控制激光器温度。经过实验测试，激光器温度保半使
激光器温度检测电路主要完成对激光器温度
的作者简介：王博钰（９１）男，族，林吉林人，春工业大学硕士研究生，要从事数字化检测技术方向研究， — ｉ：１８一，汉吉长主Ｅｍａｌｗａｇｏｕｃｓ．ｄ．ｎ＊联系人：文超（９５）男，族，林松原人，春工业大学教授，士，ｎｂｙ＠ｕｔｅｕｃ．贾１６一，汉吉长博主要从事电气工程、达、拟仪器等方向研究，－ｉｊｗｅｃａ＠ｍａ．ｃｔｅｕａ．雷虚Ｅｍａｌｉｎｈｏ：ａｉｃｕ．ｄ．ｎｌ
Ａｂｓｒｃ：Ａｓｔｅｅｔａｔｈｔｍｐｅａｕｅｅｓｒ，ＮＴＣｓｕｓｄｔｓｍｐｌｈｅｔｍｐｅａｕｒ．Ｔｈｅｔｍｐｅａｕｒｓｒｔｒｓｎｏｉｅｏａｅｔｅｒｔｅｅｒｔｅｉ

半导体激光器参数温度依赖关系

半导体激光器参数温度依赖关系摘要本文主要对半导体激光器的阈值电流、外微分量子效率、输出光功率、模谱等主要参数与温度间关系进行分析，探究半导体激光器主要参数受温度影响的情况。

从阈值电流与温度的关系式中，发现阈值电流与温度有明显的相关性，实验中测量出不同温度下的P-I特性，证明了这个结论。

随后对外微分量子效率进行探究，发现其与P-I曲线的斜率大小相同。

最后测量了三组温度下激光器的模谱，分析了温度与模谱之间的关系。

通过对这三个部分的研究，为半导体激光器在不同温度场景的应用奠定理论模型基础。

关键词：阈值电流，外微分量子效率，输出光功率，模谱，温度Relationship between the semiconductor laser parameters and the temperatureAbstractThis paper focuses on the relationship between the semiconductor laser threshold current ，external differential quantum efficiency, output power, mode spectrumand temperature were analyzed，Explore the relationship between the temperature of the semiconductor laser parameters.From the threshold current versus temperature formula, We found that the threshold current with temperature significantly correlated，Experimental measurements of the P-I characteristics at different temperatures and this conclusion is proved. Then explore the externaldifferential quantum efficiency，It found P-I curve slope equal in value. The last three groups were measured at the temperature of the laser mode spectrum, It analyzes the relationship between temperature and the mode spectrum. By studying the three portions, A semiconductor laser theoretical foundation model in use under different temperature scenarios.Key Words：Threshold Current，External differential quantum efficiency, output power, mode spectrum, temperature第一章绪论在1917年，受激辐射现象的存在被爱因斯坦预言，后来研究者们在光波段研究受激辐射放大。

半导体激光器的热反转

半导体激光器的热反转
半导体激光器的热反转（Thermal Reversal）是指在激光器工作时，由于温度的变化导致激光器内部的光学性质发生改变，从而影响激光的输出特性。

这种现象在高功率半导体激光器中尤为显著，因为它们在工作时会产生大量的热量，导致激光器芯片的温度升高。

热反转的主要表现包括：
1.波长漂移：随着温度的升高，激光器的发射波长会向长波长方向漂移，这通常被称为“红移”。

这是因为激光器内部的折射率会随着温度的变化而变化，从而改变了激光器内部的谐振条件。

2.功率下降：温度升高还可能导致激光器的输出功率下降，因为高温会增加激光器内部的损耗，减少有效的激光输出。

3.阈值电流上升：热效应还可能导致激光器的阈值电流上升，这意味着需要更多的电流才能启动激光器的正常工作。

4.效率降低：随着温度的升高，激光器的转换效率可能会降低，因为热量的产生会导致更多的能量损失。

为了减少热反转对半导体激光器性能的影响，通常会采取以下措施：
热管理：设计有效的散热系统，如使用散热片、热沉或
液冷系统，以控制激光器的工作温度。

热隔离：在激光器芯片和封装之间使用热隔离材料，以减少热量从芯片传递到封装。

温度控制：使用温度传感器和控制系统来监控和调节激光器的工作温度，以保持其稳定运行。

热设计优化：优化激光器的热设计，如使用热传导性好的材料、改善热路径设计等，以减少热量的积累。

热反转是高功率半导体激光器设计和应用中需要特别注意的问题，通过合理的热管理措施可以有效地提高激光器的性能和可靠性。

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半导体激光器温度控制系统
半导体激光器广泛应用在工业加工、精密测量、通讯等领域。

半导体
激光器是一个对温度很敏感的器件,它的输出波长和功率会随着温度的变化而改变,工作寿命也会因此而缩短。

所以为了保证半导体激光器工作性能的良好,必
须要控制半导体激光器的温度。

本文利用半导体制冷器作为系统的执行元件,设计出了半导体激光器的温度控制系统。

目前半导体激光器的温控执行元件大多
使用半导体制冷器。

半导体制冷器是根据珀尔贴效应而制成的,当给它通上直流电时,半导体制冷器就会加热或制冷,从而控制半导体激光器的温度。

本文首先
研究了半导体制冷器的工作原理,而后在此基础上应用小信号分析法,建立出在
平均意义下的半导体制冷器的数学模型。

其次研究半导体激光器和温度传感器
的模型,得出了温控系统的传递函数,通过分析温控系统的传函和温控系统需要
达到的性能要求,设计了PID控制器和模糊自适应PID控制器来优化系统,得出
应用模糊自适应PID的系统控制精度可以达到0.01℃。

然后又利用遗传算法对
系统进行寻优,遗传算法不需要任何初始信息便可以寻求到全局最优解,本文设
计出基于遗传算法的PID控制器,与PID控制和模糊自适应PID进行比较,经过
仿真比较,得出基于遗传优化的PID控制效果更好。

最后,设计温度控制系统的
硬件部分。

详细介绍了系统的数据采集部分、单片机接口部分、功率驱动器部
分和显示器部分。

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