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半导体激光器温控系统辨识与控制国内外研究现状

发布时间:2015-12-30 12:01:33   来源:中国电力电子产业网   点击:

  现阶段我国的的激光器研究工作已有了很大的进步,激光器技术理论与实践上紧跟国外发展。在激光器温度控制的精度与国外还存在着差距,所以影响着激光器应用领域中的实验效果,而且国外有关智能化温控设备精度较高、价格很贵。因此,研制出国产的半导体激光器温度控制仪器,将打破国外市场对温度控制技术的限制。

  从国内外产品来看,国外的研究半导体激光器温度控制器精度和稳定度优于国内,目前产品领先的研发机构有美国的 Newport 公司、美国 ILX Lightwave 公司。其中美国的 Newport 公司研发的温度控制仪器工作范围为-50~+150°C,1 小时工作稳定度为<0.001°C,24 小时工作稳定度为<0.005°C。美国 ILX Lightwave 公司温度控制仪器精度在±0.001°C 内,长期温度稳定性优于 0.005°C。而国内的激光器温控仪器生产机构有北京业贤科技有限公司、武汉森托尼激光有限公司、武汉九六传感技术有限公司、武汉泰伦特世纪科技有限公司,其中业贤科技有限公司 TCM系列高稳定性数字温控模块,温度的稳定性可以达到±0.1°C;森托尼激光公司 TT系列温控仪离散精度为 0.0625°C,控温的范围-55~125°C、九六传感有限公司温控仪控制精度达到±0.1°C,控温的范围 5~45°C,并且恒流连续输出,电流噪声小于0.1%。

  从国内外研究现状来看,国外研制的一种简单且廉价的激光二极管控制器,稳定工作的电流±8uA和温度±10mK ,使用 AD590 温度传感器,应用了快速傅里叶变换对驱动电流进行频谱分析,设计了温度控制电路和电流控制电路。国外文献提出了热电制冷器等效数学模型,准确的反映制冷制热性能,可用于设计反馈网络温度控制应用程序。提出了激光器大信号异质结的数学模型,能够模拟激光电流电压和光电动力学响应特性。提出了一个热电制冷器的等效模型,推导了高频调制下温度漂移的幅频与相频特性。Bong Su Kim;Sung Jin Yoo提出了一种非线性自适应控制方法,实现了理想的跟踪性能与满意度。国外有关激光器温度控制与电流控制的论文较少,并且技术较成熟。因此,主要阐述国内有关激光器温度控制与电流控制的关键技术。国内天津大学的周瑜等,研制的高精度温度控制仪器精度能够达到±0.05°C。中国工程物理研究院江孝国等研究的半导体激光器温度控制系统温度控制的稳定度达到±0.1°C 以上。有关激光温度控制方法的研究已经有了很大进步,比如曲阜师范大学物理工程学院的马超等,应用 PID 温控电路实现高精度温度控制,温度精度可以达到 0.004°C,电流控制精度为 0.002mA。北京化工大学的李建威等,应用模糊控制与数字 PID 自适应相结合的控制算法,将温度控制范围划分为几个模糊区间,用实验的方法确定一个温度区间内三个环境温度点的 PID参数,应用拉格朗日二次插值方法来整定不同环境温度下 P、I、D 的参数值,温度精度可以达到 0.2°C,对于模糊控制来说,这种方法是很好的,充分利用了插值逼近的思想,但在基准温度点 PID 参数整定误差较大的情况下,利用插值方法整定的 PID 参数不准确。同时,模糊控制的方法是建立在实际调试基础上的,很多情况下没有给出模糊控制理论证明。大连理工大学的李国林等,通过 PWM 脉宽调制技术控制固态继电器的通断来调节输出温度大小,提出了不完全微分方法,在微分项中加入了一阶惯性环节,能够减少高频干扰信号,在实际实验中,高频的干扰信号参与了微分运算会造成系统控制超前误判,导致不理想的控制精度。黑龙江大学的任勇等,针对强干扰影响的难题,通过仿真分析,提出了近似阶跃变化的强干扰信号处理方法。南京航天航空大学的万荣荣等,测温元件为铂电阻,利用卡尔曼滤波器无偏和估计均方误差最小的特点,实现温度信号的最优估计和滤波测温范围为±80°C,稳定度达到±0.02°C。在哈尔滨工业大学的杨明伟博士论文中,论述了热电制冷器双级耦合结构的温度控制思想,针对环境温度的变化,建立一个恒温环境,将环境温度作为温控系统的常量输入和第一级控制对象,而半导体激光器载体模组作为第二级控制对象,这种多模式组合控制的方法中,第一级环境温度控制是需要较长时间的预热处理,然后进行第二级控制,从温度控制的角度来说,第一级温度控制精度较高的情况下,不需要第二级控制。在哈尔滨工业大学的范贤光博士论文中,深入的研究了脉冲注入式半导体激光器的光电热特性,为半导体激光器热传递分析与温度控制奠定了基础。文中阐述了注入电流对光功率的影响,不同工作温度对光电特性的影响。

  综上所述,国外的半导体激光器温度控制和电流控制精度优于国内,为了实现低成本、精度高,稳定性强的半导体激光器将有利于激光技术的应用。同时,也

  为实验室的小位移、小角度、振动测量提供稳频的激光光源。

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