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基于單片機的外腔半導體激光器控制系統的設計
【摘要】進(jìn)入21世紀以來(lái)，外腔半導體激光器在國內的科研、通訊以及我國的國防、精密測量和冷原子物理等領(lǐng)域中得到了廣泛應用;但是隨著(zhù)各行各業(yè)對高精度的要求，近年來(lái)，為解決外腔半導體激光器由于溫度變化而自身產(chǎn)生熱量進(jìn)而影響其輸出特性這一問(wèn)題，我國又研發(fā)出一種單片機的溫度控制系統，該系統的最大優(yōu)點(diǎn)就是能使半導體激光器輸出特性的精度進(jìn)一步提高，功率穩定、波長(cháng)單一，來(lái)減小誤差，滿(mǎn)足各種需求，而且長(cháng)時(shí)間工作也不會(huì )出現跳�，F象。
【關(guān)鍵詞】外腔半導體激光器;單片機;提高輸出特性;PID控制
半導體激光器的穩頻控制研究，不僅解除了半導體激光器在實(shí)際應用中的限制，而且解決了輸出頻率對其工作環(huán)境極其敏感而導致的其他不準確性，使半導體激光器的開(kāi)發(fā)前景更為廣闊;接下來(lái)，筆者就以單片機的外腔半導體激光器控制系統的應用與設計做簡(jiǎn)要分析。
一、半導體激光器的基本原理以及應用條件
半導體激光器又叫作激光二極管，工作時(shí)所使用的物質(zhì)一般為半導體材料，采用簡(jiǎn)單的注入電流的方式來(lái)泵浦其工作電壓和電流與集成電路兼容，操作簡(jiǎn)單，使用方便，受到了很多部門(mén)的青睞;半導體激光器除去激光器的共同優(yōu)點(diǎn)之外，還有如下優(yōu)點(diǎn)：首先，半導體激光器的體積較其他激光器小，重量也輕，操作和使用起來(lái)會(huì )比較便易;此外，雖然半導體激光器驅動(dòng)功率和電流較低，但是使用效率高，這就節約了部分能源，而且工作壽命長(cháng)，這就避免了因經(jīng)常更換激光器而造成的巨額費用，具有很好的經(jīng)濟性;最后，激光器可與半導體制造技術(shù)兼容，可以擴大生產(chǎn)量，而且更易于與各種光電子器件實(shí)現光電子集成;等等，正是由于這些優(yōu)點(diǎn)，才使得半導體激光器得到了我國社會(huì )以及世界許多國家的廣泛關(guān)注，同時(shí)也致使許多國家致力于該技術(shù)的研究，所以這些年來(lái)，半導體激光器技術(shù)不僅應用廣泛，而且發(fā)展迅速，在諸多激光器的發(fā)展中搶占了先機。半導體激光器除這些優(yōu)點(diǎn)之外，使用原理也較為簡(jiǎn)單;由于外界環(huán)境對半導體激光器的干擾及影響較大，所以隨時(shí)間的變化，輸出頻率有著(zhù)較大的變動(dòng)。注入電流、工作溫度、載流子濃度、腔長(cháng)、增益等都是影響激光器輸出頻率的因素，而在這諸多的影響因素中，最容易調控的是注入電流和外界的工作溫度，所以我們往往通過(guò)控制這兩個(gè)因素來(lái)提高運行頻率的穩定性，可以利用原子或分子躍遷線(xiàn)作為頻率標準實(shí)現激光頻率鎖定，進(jìn)而使得激光頻率得以穩定，使控留模塊得以調控。
二、半導體激光器控制系統采用PID溫度控制的必要性
PID控制電路是半導體激光器溫度控制模塊中不可缺少的一部分，工作原理如下：當激光器因長(cháng)期工作而發(fā)熱時(shí)，具有負溫特性的熱敏電阻就會(huì )及時(shí)的把溫度變化的信號轉換成電阻值的變化，此時(shí)的熱敏電阻充當溫度傳感器的作用，由此，便可測出電壓的變化，然后再用該變化同起初設定的高精度基準溫度的電壓相互比較，再將比較結果經(jīng)過(guò)高精密的差分信號處理后的電路放大，進(jìn)一步保證了激光器溫度控制電路中的高精度;為保證系統具有良好的穩定性，及其良好的動(dòng)態(tài)特性，再將放大的信號轉入到比例一積分一微分的控制電路中，并且該電路不僅應該具有穩定性能指標，還應該滿(mǎn)足閉環(huán)系統瞬態(tài)的特性，最后，再根據半導體制冷器所需要的電流，制冷器再按照其要求完成半導體激光器的冷卻或加熱，由此，該系統便可形成閉環(huán)反饋系統，保證了半導體激光器能夠在恒溫下進(jìn)行，從而消除外界環(huán)境多變的溫度的影響。
三、半導體激光器控制系統的設計要求
輸入系統電流的穩定性對半導體激光器的輸出信號有非常重要的影響，這是因為，半導體激光器的正常工作是依靠載流子的直接注入來(lái)完成的，這就要求該系統具有較好的穩定性，不僅工作電流要有較高的穩定性，而且驅動(dòng)電源也應該是一個(gè)恒流源;與注入電流相比，溫度對輸出光頻率的影響要大，當半導體激光器中的內部溫度升高時(shí)，輸出功率反而會(huì )變小，而在干涉測量的試驗中，就要求輸出功率有非常高的穩定性，從而避免引發(fā)模式跳躍現象;為保證半導體激光器的內部穩定性，要將溫度變化控制在0.05度以?xún)�，因為在這個(gè)范圍內溫度的變化可以忽略不計，對系統的穩定性的影響也可以認為不存在。
四、結語(yǔ)
綜上所述，為了保證單片機的外腔半導體激光器控制系統工作中的精度，滿(mǎn)足實(shí)際工程的需要，就應該將溫度的調節和電流的調節相結合，進(jìn)而使其工作起來(lái)更加穩定，然而隨著(zhù)社會(huì )的發(fā)展，我國各個(gè)行業(yè)對半導體激光器的控制系統的要求越來(lái)越高，為進(jìn)一步消除誤差，提高穩定性，這就要求要用更為嚴密的PID控制調節，再加上嚴密的操作規程，才能實(shí)現半導體激光器在實(shí)際工作中的高效性和穩定性。
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