[發(fā)明專利]基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統(tǒng)

無效

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• 申請日: 2011-08-04
• 公開（公告）號: CN102306904A
• 公開（公告）日: 2012-01-04
• 發(fā)明（設計）人: 鄒文棟;吳文鳳;郭斐;李曉娟
• 申請（專利權）人: 南昌航空大學
• 主分類號: H01S5/06
• 分類號: H01S5/06;H01S5/068
• 代理公司: 江西省專利事務所 36100
• 代理人: 張靜

技術領域

本發(fā)明涉及一種半導體激光裝置，尤其涉及一種基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統(tǒng)。

背景技術

半導體激光器(LD)由于具有體積小、重量輕、效率高等眾多優(yōu)點，誕生伊始一直是激光領域的關注焦點，廣泛應用于光譜技術、光外差探測、光纖通信、高功率固體激光泵浦、醫(yī)療、加工等眾多領域。國內外已經有很多LD系統(tǒng)現(xiàn)控制方法，我們也已研制出數(shù)字式控制的LD系統(tǒng)，但是都很少涉及到溫度和功率的解耦控制。實際上LD的溫度和輸出光功率存在耦合影響，溫度升高導致外分子效率降低，輸出光功率降低，同時閾值電流增加，熱耗散功率升高，導致溫度升高，LD系統(tǒng)耦合模型如圖1所示。溫度的變化引起輸出光功率的起伏，會影響半導體激光的使用性能，例如：激光雷達在接收端會產生虛假目標導致雷達的虛警概率增加，在醫(yī)療中導致手術失敗，在光通信中會導致信號失真，在激光刻錄、讀取信息時會導致操作錯誤等等。為此，人們付出很大的努力來研制高精密LD系統(tǒng)。而溫度－功率解耦控制是優(yōu)化半導體激光輸出特性的一種有效手段，因此有必要對其進行研究。

圖1中I_TEC(s)，I_LD(s)分別為TEC和LD電流的給定值；T(s)，P(s)分別為被控量的溫度和功率；C₁(s)，C₂(s)分別為溫度和光功率的PID調節(jié)器；G₁₁(s)，G₂₁(s)分別為TEC輸入電流對溫度和光功率的傳遞函數(shù)；G₁₂(s)，G₂₂(s)分別是LD輸入電流對溫度和光功率的傳遞函數(shù)。由此可以看出，LD溫度和光功率的耦合作用通過參數(shù)G₂₁(s)，G₁₂(s)來表示。其耦合關系可用如下矩陣方程表示：

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傳統(tǒng)的半導體激光驅動系統(tǒng)一般通過純硬件電路對溫度與功率間的相互影響予以抑制，但是由于電路內各環(huán)節(jié)單元的功能動作是時序控制，缺少對溫度、工作電流等多變量復雜控制以及噪聲抑制，因此會給半導體激光驅動系統(tǒng)帶來很多干擾，影響半導體激光器的使用性能和壽命，這也是阻礙半導體激光器推廣應用發(fā)展的一個瓶頸，因此解決好這個問題顯得尤為重要。

發(fā)明內容

本發(fā)明的目的在于：采用DSP來實現(xiàn)對半導體激光器的前饋補償解耦，消除溫度和功率間的耦合，提高半導體激光器的溫度和功率控制精度，改善半導體激光器的控制性能，提出一種基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統(tǒng)。

本發(fā)明提供的基于前饋解耦控制的高精密半導體激光系統(tǒng)由DSP數(shù)字信號處理器、溫度傳感器、光傳感器、A/D轉換器、D/A轉換器、LD驅動電路及TEC驅動電路構成。LD驅動電源通電后系統(tǒng)自動復位，通過軟件設定功率值，DSP數(shù)字信號處理器將此數(shù)值通過外擴DAC引腳加載到D/A轉換器的輸入端，經過數(shù)模轉換后的信號提供給LD驅動電路，經過LD驅動電路的信號使半導體激光器正常工作，從而獲得所需的功率輸出，LD功率信號經過光傳感器、A/D轉換器的采樣和模數(shù)轉換后反饋至DSP的ADC引腳，實時計算后送入DSP數(shù)字信號處理器中，然后對輸出控制量進行控制，以實現(xiàn)LD的功率控制；通過軟件設定溫度值，DSP通過PWM1引腳產生脈沖寬度調制信號PWM，經過TEC驅動電路后，使半導體激光器穩(wěn)定工作，從而獲得所需的溫度信號，采用溫度傳感器對半導體激光器的溫度采樣，將溫度通過DSP數(shù)字信號處理器GPIOA0端輸入給DSP，經過算法處理，通過控制輸出PWM占空比驅動TEC驅動電路工作，通過TEC和散熱裝置使得系統(tǒng)始終工作在設定的溫度附近。

本發(fā)明建立了LD的溫度－功率耦合模型，模型如下：

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????為了消除G₁₂和G₂₁的耦合影響，應滿足：

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其中：，分別為TEC和LD電流的設定值；，分別為控制對象LD的溫度和功率；、分別是對、的作用，、分別是對、的作用；為消除對的影響的前饋補償解耦控制器，為消除對的影響的前饋補償解耦控制器；其傳遞函數(shù)分別為：

前饋補償解耦矩陣為：