阅读说明：本技术 用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置 (Device for controlling output wavelength of microchip laser pumping source ) 是由 李振华 王俊 来建成 王春勇 严伟 纪运景 赵艳 于 2019-09-03 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置,装置包括散热系统、半导体制冷片、第一连接热沉、激光二极管、温度传感器、窄带滤光片、光电传感器、固定支架、激光腔、第二连接热沉、金属基板、信号调理电路、信号处理系统和闭环控制电路；利用温度传感器进行升温和降温的判定,利用设置窄带滤光片结合光电探测器和信号调理电路感知激光二极管波长的偏移量,反馈给闭环控制电路利用模糊PID方法对半导体制冷片进行制冷或加热的变频控制。本发明采用波长信号与温度信号双重反馈,能根据微片激光器的工作环境设定相应的半导体制冷片温度,以保证激光器工作状态达到最佳,改善了微片激光器温度适应性差的问题。(The invention discloses a device for controlling the output wavelength of a pumping source of a microchip laser, which comprises a heat dissipation system, a semiconductor refrigerating sheet, a first connecting heat sink, a laser diode, a temperature sensor, a narrow band filter, a photoelectric sensor, a fixed support, a laser cavity, a second connecting heat sink, a metal substrate, a signal conditioning circuit, a signal processing system and a closed-loop control circuit, wherein the first connecting heat sink is connected with the laser diode; the temperature sensor is used for judging temperature rise and temperature drop, the narrow-band filter is arranged, the photoelectric detector and the signal conditioning circuit are combined to sense the wavelength offset of the laser diode, the wavelength offset is fed back to the closed-loop control circuit, and the fuzzy PID method is used for performing variable frequency control on the refrigeration or heating of the semiconductor refrigeration chip. The invention adopts double feedback of wavelength signals and temperature signals, and can set the corresponding temperature of the semiconductor refrigerating plate according to the working environment of the microchip laser, thereby ensuring the working state of the laser to be optimal and improving the problem of poor temperature adaptability of the microchip laser.)

用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置

技术领域

本发明涉及温度控制技术，特别是一种用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置。

背景技术

1989年，Zayhowski首先提出了微片激光器的概念，报道并研究了一种Yb:YAG微片激光器，实现了1.064μm和1.3μm的激光波长输出。微片激光器具有体积小、性能稳定、寿命长等优点，在激光雷达、激光传感、激光医疗、光存储及非线性光学等领域有着重要的应用价值。

微片激光器通常用激光二极管作为泵浦源。激光二极管是一种小型的半导体激光器，而温度对半导体激光器的性能有很大的影响，尤其是半导体激光器的输出波长。当激光二极管的输出波长发生漂移，由于激光晶体对泵浦光的吸收带宽较窄，难以达到很好的波长匹配效果，从而导致微片激光器的输出光质量下降。

因此，激光二极管温度控制显得至关重要。专利CN204087018U公开了一种半导体激光器的温度控制系统，该系统为半导体制冷片、反馈测量元件和PID控制器组成的负反馈控制系统。该系统首先根据经验设定TEC的温度值，然后通过反馈电路对激光器的温度进行控制。当环境温度变化不大时，该专利提出的方法能对激光器的温度进行精确的控制；当环境温度变化幅度较大时，由于半导体激光器对温度变化的敏感性，激光器的输出波长发生漂移，此时需要重新设定TEC的值，由于温度传感器只能安装在半导体激光器芯片周围，不能精确监测发光区域的温度，仅通过温度反馈信号无法确定最佳的TEC值。该专利对控制系统的硬件电路做了详细的介绍，在软件控制方面涉及甚少。在软件控制方面，文献“半导体激光器温度控制系统设计和算法仿真.仪表技术与传感器,2013(5):95-98”提出了一种模糊PID-Smith方法，即在模糊PID控制器的基础上引入Smith预估控制。Smith预估控制用来克服激光器温度控制系统的时滞性问题，但Smith预估控制需要精确的系统模型，若激光器在工作过程中系统模型发生改变，则控制效果就会明显减弱。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置，改善微片激光器温度适应性差的问题。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置，包括散热系统、半导体制冷片、第一连接热沉、激光二极管、温度传感器、窄带滤光片、光电传感器、固定支架、激光腔、第二连接热沉、金属基板、信号调理电路、信号处理系统和闭环控制电路；

其中散热系统位于激光器尾部，半导体制冷片的热端与散热系统相连，半导体制冷片的冷端紧贴在第一连接热沉的后表面上，激光二极管固定在第一连接热沉的前表面，温度传感器固定在激光二极管外壳上，窄带滤光片覆盖光电传感器的接收窗口，光电传感器安装在固定支架上，激光腔安放在第二连接热沉内，金属基板与第一连接热沉、第二连接热沉、固定支架相连，信号调理电路与光电传感器相连，信号处理系统与温度传感器、信号调理电路和闭环控制电路相连，闭环控制电路与半导体制冷片相连；

其中，由窄带滤光片与光电传感器组成的波长反馈装置靠近激光二极管放置且位于其下方；激光腔的中心轴线与激光二极管的发射光轴重合；信号调理电路对光电传感器反馈的波长信号进行滤波去噪后输送给信号处理系统，信号处理系统对波长信号的峰值进行判别，结合温度传感器反馈的温度信号，改变闭环控制电路中电流的大小和方向，从而对半导体制冷片进行升温或降温控制。

与现有技术相比，本发明的显著优点为：(1)采用波长信号与温度信号双重反馈，能根据微片激光器的工作环境设定相应的半导体制冷片温度，以保证激光器工作状态达到最佳，改善了微片激光器温度适应性差的问题；(2)微片激光器的输出光质量间接通过光电传感器的信号强弱判定，与利用光谱仪直接检测的方法相比，集成化程度更高，使用上更为简单，整个系统的造价也更低；(3)利用改进的模糊PID方法对半导体制冷片进行变频控制。一方面，通过对PID控制器三个参数的实时调整，实现了精确、快速且稳定地温度控制；另一方面，引入了变频控制技术，降低了系统能耗。

附图说明

图1是本发明的微片激光器温度控制装置结构示意图。

图2是本发明的微片激光器的温度控制流程图。

图3是改进的模糊PID控制原理图。

图4是本发明温度控制效果仿真图。

具体实施方式

如图1所示，一种用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置，包括散热系统1、半导体制冷片2、第一连接热沉3、激光二极管4、温度传感器5、窄带滤光片6、光电传感器7、固定支架8、激光腔9、第二连接热沉10、金属基板11、信号调理电路12、信号处理系统13和闭环控制电路14；

其中散热系统1位于激光器尾部，半导体制冷片2的热端与散热系统1相连，半导体制冷片2的冷端紧贴在第一连接热沉3的后表面上，激光二极管4固定在第一连接热沉3的前表面，温度传感器5固定在激光二极管4外壳上，窄带滤光片6覆盖光电传感器7的接收窗口，光电传感器7安装在固定支架8上，激光腔9安放在第二连接热沉10内，金属基板11与第一连接热沉3、第二连接热沉10、固定支架8相连，信号调理电路12与光电传感器7相连，信号处理系统13与温度传感器5、信号调理电路12和闭环控制电路14相连，闭环控制电路14与半导体制冷片2相连；

其中，由窄带滤光片6与光电传感器7组成的波长反馈装置靠近激光二极管4放置且位于其下方；激光腔9的中心轴线与激光二极管4的发射光轴重合；信号调理电路12对光电传感器7反馈的波长信号进行滤波去噪后输送给信号处理系统13，信号处理系统13对波长信号的峰值进行判别，结合温度传感器5反馈的温度信号，改变闭环控制电路14中电流的大小和方向，从而对半导体制冷片2进行升温或降温控制。

激光腔9由激光晶体、调Q晶体、输入镜和耦合输出镜组成；其中，输入镜位于激光腔9的最前端，是泵浦光的接收窗口；激光晶体固定在输入镜后面，调Q晶体紧贴激光晶体后表面；耦合输出镜位于激光腔9的最后端，是激光的发射窗口。

其中激光晶体为Nd:YVO₄，输出波长为1064nm；调Q晶体为Cr⁴⁺:YAG。

窄带滤光片6的带宽小于等于激光晶体的吸收带宽。

激光二极管4的输出波长为808nm；窄带滤光片6的吸收带宽为806～810nm。

上述用于微片激光器泵浦源输出波长控制的装置采用波长偏移与温度的双重反馈控制；光电传感器用于检测激光二极管的输出波长，当波长信号峰值强度低于阈值时，通过温度传感器检测激光二极管的温度后进行降温或升温的判定，以改变半导体制冷片(TEC)的冷端温度，从而使激光二极管工作在正常的温度范围内；TEC通常由脉冲宽度调制(PWM)方式驱动，利用改进的模糊PID方法改变PWM调制的电压和频率实现变频控制，改进的模糊PID方法包括以下步骤：

步骤1、通过最优化函数方法对PID控制器的三个初始参数K_p0、K_i0和K_d0进行整定；

步骤2、确定模糊控制器输入量、输出量的论域和模糊论域，计算输入、输出量的伸缩因子；

步骤3、对输入误差的变化范围进行分级，在不同的误差区间采用不同的调整系数，对伸缩因子进行实时调整；

步骤4、确定模糊控制器的隶属度函数和模糊规则表；

步骤5、对输入量进行模糊推理和去模糊化得到模糊控制器的输出量ΔK_p、ΔK_i和ΔK_d，最后得到的模糊PID控制器的输出为：

式中，K_p、K_i和K_d分别为比例控制参数、积分控制参数、微分控制参数。

针对激光二极管管芯温度无法直接测量的问题，本发明通过反馈的波长信号间接监测，以温度反馈信号为辅助手段，结合改进的模糊PID控制方法，通过对半导体制冷片的变频控制，实现对激光二极管温度的精确、快速且稳定的控制，确保微片激光器输出性能最佳，同时降低整个温度控制系统的能耗。

下面结合实施例对本发明进行详细说明。

实施例

一种微片激光器泵浦源输出波长控制装置，其整体结构如图1所示，包括散热系统1、半导体制冷片2、第一连接热沉3、激光二极管4、温度传感器5、窄带滤光片6、光电传感器7、固定支架8、激光腔9、第二连接热沉10、金属基板11、信号调理电路12、信号处理系统13和闭环控制电路14。

散热系统1位于激光器尾部，半导体制冷片2的热端与散热系统1相连，半导体制冷片2的冷端紧贴在第一连接热沉3的后表面上，激光二极管4固定在第一连接热沉3的前表面，温度传感器5固定在激光二极管4外壳上，窄带滤光片6覆盖光电传感器7的接收窗口，光电传感器7安装在固定支架8上，激光腔9安放在第二连接热沉10内，金属基板11与第一连接热沉3、第二连接热沉10、固定支架8相连，信号调理电路12与光电传感器7相连，信号处理系统12与温度传感器5、信号调理电路12和闭环控制电路14相连，闭环控制电路14与半导体制冷片2相连。

其中，由窄带滤光片6与光电传感器7组成的波长反馈装置靠近激光二极管4放置且位于其下方；激光腔9的中心轴线与激光二极管4的发射光轴重合。信号调理电路12对光电传感器7反馈的波长信号进行处理后输送给信号处理系统13，信号处理系统13对波长信号和温度传感器5反馈的温度信号进行处理后作用于闭环控制电路14，从而对半导体制冷片2进行升温或降温控制。

散热系统1用于控制半导体制冷片热端温度。散热系统为铝制散热翅片，散热总面积为0.1mm²，半导体制冷片2的尺寸为30mm×30mm，最大制冷功率为15.4W；温度传感器5为负温度系数的热敏电阻，测量精度为0.001℃。激光二极管4的输出波长为808nm，滤光片6的吸收带宽为806～810nm。激光腔9由激光晶体、调Q晶体、输入镜和耦合输出镜组成。其中，输入镜位于激光腔9的最前端，是泵浦光的接收窗口；激光晶体固定在输入镜后面，调Q晶体紧贴激光晶体后表面；耦合输出镜位于激光腔9的最后端，是激光的发射窗口；激光晶体为Nd:YVO₄，输出波长为1064nm；调Q晶体为Cr⁴⁺:YAG。

图2是温度控制流程图。滤光片与光电传感器用于检测激光二极管的波长信号，其中滤光片的带宽略小于激光晶体对激光二极管输出波长的吸收带宽。当信号处理系统接收到的反馈的波长信号比较强时，激光二极管的工作温度正常，半导体制冷片(TEC)的冷端温度设定值保持不变；当信号处理系统接收到的反馈的波长信号比较弱时，说明激光二极管的输出波长发生漂移态，此时激光二极管温度可能偏高或偏低，可通过温度反馈信号加以判断，判断的基准为TEC设定值。若温度反馈值较高，则减小TEC设定值；若温度反馈值较低，则增大TEC设定值。TEC通常由脉冲宽度调制(PWM)方式驱动，利用改进的模糊PID方法改变PWM调制的电压和频率实现变频控制。

图3是改进的模糊PID控制原理图，图中包括输入信号r_in，伸缩因子调整模块，模糊控制器，PID控制器，执行机构(半导体制冷器件)，控制对象(微片激光器)，反馈测量元件(温度传感器)，系统输出量y_out。输入信号经过PID控制器后，作用于执行机构和控制对象上，得到的系统输出量经过测量反馈元件转换为与输入信号形式相同的反馈信号，输入信号和反馈信号的差值即误差信号e(t)作为输入量，输入到伸缩因子调整模块，误差信号和误差信号变化率作为模糊控制器的输入，输出量作用到PID控制器上，实现了PID参数的在线调整和系统的闭环控制。

PID控制器初始参数的整定是模糊PID控制器设计的重要环节。大多数的控制系统是一阶滞后系统，针对此类系统，通常使用Z-N法确定PID控制器的3个参数。Z-N法是一种经验公式，对某些系统模型的控制效果不太理想，而通过最优化函数方法可获得不错的控制效果。在本发明中用到的最优化函数方法以时间t的平方与误差的平方的乘积为误差标准J，即

模糊控制器的设计，包括以下步骤：

步骤1、确定模糊控制器输入、输出量的论域和模糊论域，并计算伸缩因子。

设定半导体制冷器件冷端温度为25℃，假定环境温度的变化范围为-5℃～55℃，则输入误差e的论域为(-30，30)，误差变化率ec也为(-30，30)。在对PID控制器的3个参数进行调整的过程中发现，控制系统对积分系数的变化最为敏感，比例系数次之，微分系数最次。设定模糊控制器输出量Δk_p、Δk_i、Δk_d的论域分别为(-0.3，0.3)、(-0.06，0.06)、(-0.3，0.3)。将输入、输出量的模糊论域设为(-3，3)，则e和ec的伸缩因子λ＝3/30＝0.1，输出量Δk_p、Δk_i、Δk_d的伸缩因子μ为：μ_kp＝0.1，μ_ki＝0.02，μ_kd＝1。

步骤2、设计伸缩因子调整模块，以提高控制精度。伸缩因子调整的原则为：将误差e的变化范围划分为几个不同的区间，在不同的区间内伸缩因子的调整系数不同。当误差e的绝对值较大时，伸缩因子调整系数α_e,ec、

和

的值较大，

的值较小，以加快控制速度；当误差e的绝对值较小时，α_e,ec、

和

的值较小，

的值较大，以防止超调量过大，提高控制系统的稳定性。基于上述原则，将误差e划分为以下4个区间：

误差区间1：(-∞,-0.6r_in]∪[0.6r_in,∞)；

误差区间2：(-0.6r_in,-0.4r_in]∪[0.4r_in,0.6r_in)；

误差区间3：(-0.4r_in,-0.2r_in]∪[0.2r_in,0.4r_in)；

误差区间4：(-0.2r_in,0.2r_in)。

在不同区间内调整系数的值如表1所示：

表1伸缩因子调整系数表

步骤3、确定隶属度函数，为了提高控制精度，要求零点处的隶属度函数分辨率高，故选择三角形隶属度函数；为了提高系统的稳定性，在靠近模糊论域边界处，高斯型隶属度函数。

步骤4、制定模糊控制器的模糊规则。根据专家经验，结合PID控制器三个参数的特点，将模糊控制器的输入变量即误差e、误差的变化率ec以及模糊控制器的输出变量Δk_p、Δk_i、Δk_d分为七个等级，可表示为{NB,NM,NS,ZO，PS,PM,PB}，模糊规则表采用“if A andB,then C and D and E”的形式，总共有49条模糊规则。

对输入变量进行模糊推理和去模糊化后得到输出变量的清晰值，模糊推理采用Mamdani法则。

模糊PID控制器的输出为：

其中，K_p0、K_i0、K_d0为PID控制器3个参数的初始值，ΔK_p、ΔK_i、ΔK_d为参数修改值。

图4为温度控制系统模型simulink仿真图，从仿真图中可以看出，与常规模糊PID控制器相比，本发明的改进型模糊PID控制器，在控制速度、精度和稳定性上均有明显地改善。