[發(fā)明專利]基于熱電制冷的激光器高效溫控電路

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710856295.6
• 申請日: 2017-09-21
• 公開（公告）號: CN107453193B
• 公開（公告）日: 2019-07-12
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 郭勁;于德洋;陳飛;何洋;潘其坤;張闊
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機械與物理研究所
• 主分類號: H01S3/04
• 分類號: H01S3/04
• 代理公司: 長春菁華專利商標代理事務(wù)所(普通合伙) 22210
• 代理人: 南小平

基于熱電制冷的激光器高效溫控電路，屬于溫控技術(shù)領(lǐng)域。解決了如何提供一種對激光器實現(xiàn)高效率、高可靠性、高控溫精度、高自動化程度的溫控電路的問題。該溫控電路，包括：主控制器模塊、精密恒流源模塊、鉑電阻溫度傳感器、信號放大處理模塊、光耦隔離推挽模塊、H橋驅(qū)動模塊、液晶顯示模塊和按鍵溫度設(shè)定模塊。該溫控電路，采用全數(shù)字化控制，可以根據(jù)需求實時調(diào)整激光器工作溫度，實時顯示監(jiān)測激光器溫度；在對激光器進行加熱或者制冷時，下橋臂N溝道場效應(yīng)管一只導(dǎo)通，另一只關(guān)斷，采用脈沖寬度調(diào)制方式驅(qū)動上橋臂中的一只P溝道場效應(yīng)管，大大提高了電路工作效率，提升輸出效率，降低開關(guān)損耗；控制精度高，控溫精度≤0.2℃。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于溫控技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于熱電制冷的激光器高效溫控電路。

背景技術(shù)

激光器的注入電流和溫度變化都會引起激光器的功率和波長發(fā)生變化。溫度變化對激光器的影響主要體現(xiàn)在一下幾個方面：

1)溫度能影響激光器輸出波長：電流恒定時，溫度每升高1℃，激光器波長增加約0.3nm；

2)溫度能影響激光器輸出功率，溫度變化將導(dǎo)致功率與電流之間的關(guān)系呈非線性；

3)溫度能影響激光器閾值電流和特性曲線；

4)溫度能影響激光器壽命；

因此，為了保證激光器具有較高的調(diào)制頻率和調(diào)制精度，對激光器進行電流調(diào)制時，必須保證激光器能恒溫工作，通過預(yù)置工作溫度來實現(xiàn)對激光器中心波長的設(shè)定。

目前，電子設(shè)備常用的冷卻方式為風(fēng)冷技術(shù)、半導(dǎo)體制冷技術(shù)、消耗式相變冷卻技術(shù)等。

風(fēng)冷技術(shù)分為直接風(fēng)冷和間接風(fēng)冷兩種形式。直接風(fēng)冷是冷卻空氣直接吹向發(fā)熱芯片表面帶走芯片的熱量，換熱效率較低。間接風(fēng)冷采用風(fēng)冷散熱器增大芯片散熱面積，通過冷卻空氣的對流進行散熱。但是風(fēng)冷技術(shù)需要運行平臺提供環(huán)控風(fēng)，同時散熱能力擴展具有局限性，伴隨熱負荷的增加，體積規(guī)模功耗顯著增大。

消耗式相變冷卻技術(shù)是一種較為簡便的散熱技術(shù)。電子設(shè)備的廢熱通過制冷劑蒸發(fā)相變帶走，制冷劑直接排向外部環(huán)境。該技術(shù)適用于一次性工況，結(jié)構(gòu)簡單、對環(huán)境風(fēng)沒有要求、溫控精度易于保證。但是，高相變潛熱的相變材料多具有腐蝕性，直接排放前需采取防腐措施；在振動、加速等條件下，容易發(fā)生液體脫離散熱面，引起器件過熱燒毀；長時間運行工況下冷卻劑儲罐體積過大，不利于小型化緊湊化設(shè)計。

半導(dǎo)體制冷技術(shù)，利用P型半導(dǎo)體元件和N型半導(dǎo)體元件連接成熱電偶，利用直流電源通過時產(chǎn)生的溫差和熱量轉(zhuǎn)移，實現(xiàn)制冷。半導(dǎo)體制冷器(Thermal ElectronicCooler，簡稱TEC)是利用半導(dǎo)體的熱-電效應(yīng)制取冷量的器件，又稱熱-電制冷器。用導(dǎo)體連接兩塊不同的金屬，接通直流電，則一個接點處溫度降低，另一個結(jié)點處溫度升高；若將電源反接，則接點處的溫度相反變化。這一現(xiàn)象稱為帕爾貼效應(yīng)，又稱熱電效應(yīng)。由于純金屬的熱電效應(yīng)很小，所以TEC常用N型半導(dǎo)體和P型半導(dǎo)體組成PN結(jié)陣列，接通電源后，一端附近產(chǎn)生電子-空穴對，內(nèi)能減少，溫度降低，從外界吸熱，稱為冷端；另一端因電子-空穴復(fù)合，內(nèi)能增大，溫度升高，并向環(huán)境放熱，稱為熱端。由于TEC結(jié)構(gòu)簡單，可制成體積很小的微型制冷器，無噪聲、無機械運動、無污染，通過改變TEC兩端電流方向即可改變制冷、加熱狀態(tài)，作用速度快、使用壽命長、易于控制，因此在電子工業(yè)、小型冰箱，激光器精密溫控、恒溫箱等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用。半導(dǎo)體制冷器也是最常用的控制激光器溫度的設(shè)備為半導(dǎo)體制冷器。

半導(dǎo)體制冷器需要通過溫控電路控制以實現(xiàn)其效果，現(xiàn)有技術(shù)中，已存在很多半導(dǎo)體制冷器的溫控電路，但效果不能盡如人意，尤其是，目前絕大多數(shù)激光器溫控電路的H橋驅(qū)動電路中，四只開關(guān)管在一個工作周期內(nèi)均在同時導(dǎo)通或關(guān)斷，工作效率低、損耗大，因此，本發(fā)明提供一種綜合效果優(yōu)異的激光器溫控電路。

發(fā)明內(nèi)容