利用單片機實現對激光器電流的精度控制

引　言

近年來,隨著光電技術的迅猛發展,激光器已廣泛應用于醫療、國防、測量等各個領域。而環境溫度變化會直接影響激光器的波長。把關鍵元件(如高性能晶振、SAW 濾波器、光放大器、激光二極管) 的本機溫度限制在窄范圍內,可以提高電子系統的精度。一般需要將溫度控制在0. 1 ℃內,激光器的工作精度才能很好地保持在0. 1nm 內 。文中的設計方案能為大功率半導體激光器提供有效支持,最大電流可達2. 5A。

1 　半導體激光控制器的設計

激光控制器由受控恒流源,溫度監視及控制電路,主控制器及顯示器構成。整體結構原理見圖1。

1. 1 　受控恒流源：

為了使激光器輸出穩定的激光,對流過激光器的電流要求非常嚴格,供電電路必須是低噪聲的穩定的恒流源。恒流源可以從0A～2. 5A 之間連續可調,以適應不同規格的半導體激光器。該恒流源是以大功率的MOS 管為核心,激光器作為負載與之串聯,通過控制MOS 管的柵極,來實現對激光器電流的控制。但MOS 管是非線性器件,難以直接控制,因此必須將其轉化為線性控制。

如圖2 所示,在MOS 管串聯一個0. 1Ω 的電阻,用于采樣反饋,MOS 管的電流變化范圍是0A～2.

5A ,輸入控制信號的電壓范圍是0V～5V ,將采樣電阻的電壓放大20 倍正好與輸入電壓匹配。這樣控制電壓0V～5V 與電流0A～2. 5A 之間建立起線性的對應關系。但由于整個反饋是開環系統,十分容易產生自激,因此在采樣電阻連一個1μF 的電容,破壞自激產生條件、消除自激,并且應采用穩定的電源以減小電壓波動。

1. 2 　溫度檢測及控制電路

由于溫度對激光的品質有很大影響,在電流恒定的情況下,溫度每升高1 ℃,激光波長將增加大約0. 1nm ,而且溫度過高將導致激光器老化甚至損壞。

并且激光器是一個電靈敏度高、成本昂貴的器件,因此控制器必須提供監控、限制和過載保護的能力 。

包括:自啟動和過流保護、熱電制冷器(thermoelectriccooler ,TEC) 電壓、電流和溫度的感測。異常工作電路停機以避免激光器元件損壞。值得注意的是:環境溫度的變化對激光器的影響,要求控制器具備制冷和制熱的能力。通常為使元件溫度保持穩定是將把元件封閉在固定溫度的恒溫槽內。為了提供某種調整容限,其所選溫度應高于所有條件下的環境溫度。這種方法曾被廣泛采用,特別是用在超穩時鐘的設計中(如恒溫槽控制的晶振) 。但高溫應用此方法有如下缺點 : 性能(如噪聲因數,速度和壽命)有所降低;環境溫度處于中間范圍時調整器消耗加熱的功率,在環境溫度處于低端時需要兩倍大的功率;達到穩定溫度所需的時間可能相當長。

目前采用半導體TEC 來實現,因為它可選擇調整溫度值處在工作溫度范圍的中間。TEC 可做為熱泵或做為熱源,這取決于電流方向。某些系統(如冰箱和大功率處理器冷卻) 只用TEC 的冷卻特性。另一些應用(如晶振和SAW 濾波器) 利用熱流的兩個模式。并且該控制器是真正雙向的,使溫度從冷端到熱端之間沒有死區。TEC 的驅動電路通常采用“H”橋式,由兩個互補的達林頓管或MOS 管構成。

對H 橋的驅動宜采用開關式驅動方式,開關式驅動方式功耗小、效率高。對于開關式驅動方式可以使用LTC1923 等專用芯片驅動。其原理如圖3 所示。