[發(fā)明專利]基于熱電制冷器的寬電源功耗限制型恒溫控制器

無效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201010270102.7
• 申請日: 2010-09-02
• 公開（公告）號: CN101950186A
• 公開（公告）日: 2011-01-19
• 發(fā)明（設計）人: 汝玉星;田小建;單江東;高博;吳戈
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G05D23/20
• 分類號: G05D23/20;H01S5/024
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 王恩遠

技術領域

本發(fā)明屬于電子技術的技術領域。特別涉及用于激光器制冷的恒溫控制裝置。

背景技術

在光纖通信、國防工業(yè)等領域中，各類放大器、調(diào)制器廣泛使用半導體激光器作為光源，而半導體激光器是一種高功率密度、高量子效應的器件，由于存在著各種非輻射復合損耗、自由載流子吸收等損耗機制，使其電光轉(zhuǎn)換效率只能達到20％～30％，這意味著相當部分注入的電功率將轉(zhuǎn)化為熱量，引起激光器溫度升高，而溫度的升高對激光器將產(chǎn)生很多不利的影響，主要有以下幾個方面：

1、溫度對閾值電流的影響：

隨著溫度的升高將引起閾值電流的增大，使輸出功率下降。

2、溫度對V-I關系的影響：

當注入電流相等時，溫度高的激光器對應的正向壓降也大，這會給半導體激光器恒流源的設計帶來困難。

3、溫度對輸出波長的影響：

由于有源層材料的禁帶寬度隨溫度升高而變窄，使激射波長向長波方向移動，即紅移現(xiàn)象。紅移量與器件的結(jié)構和有源區(qū)材料有關，約為0.2～0.3nm/℃。因此，可以用適當?shù)臏囟瓤刂苼砦⒄{(diào)激光的峰值波長，以滿足對波長要求嚴格的一些應用。

4、溫度對P-I曲線非線性的影響：

理想情況下，半導體激光器的P-I應該是線性曲線，PN結(jié)過熱是產(chǎn)生非線性的原因之一。除此之外，來自于有源區(qū)中橫(側(cè))模的不穩(wěn)定性，來自外部的反射光(如從連接器，尾纖端等部位)以及與光強有關的飽和等因素也能造成非線性。其中模式的不穩(wěn)定性是出現(xiàn)P-I曲線扭折的主要原因，這種不穩(wěn)定性除了與激光器本身的結(jié)構有關外，還與溫度有很大關系。

除此之外溫度升高還會增加內(nèi)部缺損，嚴重地影響器件的壽命，給應用帶來很大困難。如果不將所產(chǎn)生的熱量移去，將造成一種惡性循環(huán)，使激光器很快失效。試驗表明，溫度每增加25℃，器件的壽命將減少一半，所以工作溫度對于激光器十分重要，必須給激光器提供恒定而且能夠精密調(diào)整的工作溫度，才能保證激光器具有最大的效率和最小的功率波動以及最他的使用壽命。

以前對大功率激光器往往采用冰水循環(huán)方式制冷，通過調(diào)節(jié)熱沉中循環(huán)管道內(nèi)冰水的流量來達到溫控的目的。這種控制方在操控性、精確性以及穩(wěn)定性等各方面都很落后。本發(fā)明便是在這種背景下誕生的。本發(fā)明利用半導體熱電制冷器(TEC，Thermoelectric?Cooler)對激光器進行制冷和控溫。半導體制冷器是一種固體制冷方式，與通常壓縮機制冷系統(tǒng)相比，其優(yōu)點是沒有機械轉(zhuǎn)動部分，無需制冷劑，無噪聲、無污染、體積小，可靠性高，壽命長，易于恒溫等?？刂撇糠植捎秒p重負反饋結(jié)構，有效提高了控溫精度和溫度穩(wěn)定性，供電電源采用寬電源可變直流輸入的方式，針對不同特性的被控系統(tǒng)和不同參數(shù)的TEC，選取不同的供電電源，有效限制了控制器自身的內(nèi)部功耗，大大提高了電源效率。本發(fā)明不但可應用于對激光器進行控溫，還可應用于其它熱系統(tǒng)的溫度控制。

目前國內(nèi)外已有類似產(chǎn)品，如：

臺灣致惠科技股份有限公司的CDS系列熱電模組控制器，該產(chǎn)品的特性包括：

1、溫控范圍-50～+150℃，精確度±0.3℃，穩(wěn)定度±0.01～0.05℃。

2、溫度設定與讀值解析度0.01℃。

3、可單機操作或連接PC軟體操作。

4、整合控制器與驅(qū)動器，并擁有兩組T-type熱電偶。

5、可搭配客制化溫控平臺，適用于電子元件測試、光電檢測、材料研究、生物科技等。

美國Wavelength?Electronics?Inc.的LFI3751?Temperature?Control?Instrument，該產(chǎn)品的特性包括：

1、24小時溫度穩(wěn)定度：0.003℃。

2、最大TEC驅(qū)動電流輸出：±5安培。

3、比例系數(shù)增益范圍：1～100。

4、積分時間常數(shù)范圍：1～10秒。

5、微分時間常數(shù)范圍：1～100秒。

6、供電電壓：+115V～+230V。

7、RS-232接口。

美國ThermOptics?Inc.的DN1220?Thermoelectric?Cooler?Controller，該產(chǎn)品的特性包括：

1、比例和積分控制。

2、增益與積分時間常數(shù)由一個電位器控制(無需外部提供積分電容)。

3、單電源供電：直流+5V～+12V。

4、驅(qū)動電流：±2安培。

5、溫度穩(wěn)定度高于0.01℃。

但是，上述的產(chǎn)品只有產(chǎn)品性能的介紹，而沒有見到具體結(jié)構的公開。