本發(fā)明涉及溫度控制技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種無低頻噪聲的半導(dǎo)體激光器數(shù)字溫控系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器作為一種新型的激光光源，因其體積小、重量輕、效率高、低功率驅(qū)動等優(yōu)點(diǎn)，而應(yīng)用于各個領(lǐng)域。在量子信息領(lǐng)域，對于離子阱系統(tǒng)的量子操作，需要用到窄線寬、頻率穩(wěn)定的激光器對離子進(jìn)行冷卻，但是半導(dǎo)體激光器受溫度影響較大，表現(xiàn)在輸出波長、閾值電流、輸出功率、使用壽命等，進(jìn)一步對半導(dǎo)體激光器的溫度控制的改進(jìn)顯得尤為重要。

半導(dǎo)體激光器一般由激光二極管、光電二極管、熱敏電阻、熱電制冷器(TEC)等構(gòu)成。熱敏電阻一般是一種負(fù)溫度系數(shù)的電阻，是溫控系統(tǒng)的溫度探測元件，并通過外部電路實時監(jiān)測激光二極管的管芯溫度。TEC是一種能同進(jìn)行制冷和加熱的半導(dǎo)體器件，根據(jù)帕耳貼效應(yīng)，當(dāng)給TEC提供驅(qū)動電流時，TEC一面發(fā)熱，另一面同時制冷，而當(dāng)驅(qū)動電流反向時，冷熱面互換。TEC的發(fā)熱或制冷量與驅(qū)動電流密切相關(guān)，可以通過改變驅(qū)動電流大小來使TEC溫度恒定。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于避免現(xiàn)有技術(shù)中的不足之處而提供半導(dǎo)體激光器數(shù)字溫控系統(tǒng)，能夠更加穩(wěn)定的控制溫度，降低半導(dǎo)體激光器輸出頻率的漂移及有效控制閾值電流，提高使用壽命，為囚禁離子和量子操作提供更加穩(wěn)定的實驗環(huán)境。

本發(fā)明目的通過下述技術(shù)方案來實現(xiàn)：

一種無低頻噪聲的半導(dǎo)體激光器數(shù)字溫控系統(tǒng)，包括正弦信號源電路，用于產(chǎn)生正弦交流信號作為初始信號輸入到熱敏電橋電路以及混頻器，

還包括：

熱敏電橋電路，用于測量TEC溫度信息并轉(zhuǎn)換為差分信號輸入到差分放大電路；

差分放大電路，用于根據(jù)增益開關(guān)選定的增益系數(shù)對差分信號進(jìn)行放大得到誤差信號，并將誤差信號發(fā)到混頻器；

混頻器，用于將誤差信號以及初始信號進(jìn)行混頻的到混頻信號，并將混頻信號輸出到有源低通濾波電路；

有源低通濾波電路，用于對混頻信號進(jìn)行濾波后輸出濾波信號到A/D轉(zhuǎn)換器；

A/D轉(zhuǎn)換器，用于將濾波信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入到中央處理器；

中央處理器，用于根據(jù)數(shù)字信號獲得差分參考信號值，將差分參考信號值與各個增益系數(shù)相乘得到各個誤差參考信號，找出小于等于差分放大器的最大輸出電壓的誤差參考信號作為備選誤差參考信號，最大的備選誤差參考信號對應(yīng)的增益系數(shù)即為優(yōu)選增益系數(shù)，將優(yōu)選增益系數(shù)轉(zhuǎn)換為增益倍數(shù)信號發(fā)送到增益開關(guān)；

增益開關(guān)，用于根據(jù)增益倍數(shù)信號對差分放大器的增益系數(shù)進(jìn)行選定。

一種無低頻噪聲的半導(dǎo)體激光器數(shù)字溫控系統(tǒng)，還包括D/A轉(zhuǎn)換器和TEC驅(qū)動電路模塊，

所述的中央處理器還用于將A/D轉(zhuǎn)換器輸出的數(shù)字信號進(jìn)行PID運(yùn)算后得到溫度控制信號并輸出到D/A轉(zhuǎn)換器，

D/A轉(zhuǎn)換器，用于將溫度控制信號轉(zhuǎn)換為溫度控制模擬信號輸出到TEC驅(qū)動電路模塊；

TEC驅(qū)動電路模塊，用于根據(jù)溫度控制模擬信號對TEC溫度進(jìn)行控制；

如上所述的中央處理器與串口通信電路連接。

本發(fā)明相對于現(xiàn)有技術(shù)具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)采用交流信號作為參考源，能夠大大降低直流信號中低頻噪聲的干擾，能夠更為有效地控制激光器的溫度，降低激光器溫度的長期漂移。

(2)采用熱敏電橋電路輸入，產(chǎn)生穩(wěn)定的參考信號，能夠更為有效的獲得誤差信號。

(3)通過中央處理器對增益開關(guān)的控制，實現(xiàn)了誤差信號的增益系數(shù)精確自動控制，從而在實現(xiàn)溫度精確控制的同時，有效的保護(hù)了差分放大器，延長了其使用壽命。

(4)溫控電路與激光器采用分離式導(dǎo)線連接，可拆卸，使用更加方便，并可應(yīng)用于不同頻率的半導(dǎo)體激光器。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)框圖；

圖2為混頻器及有源低通濾波電路的實施例電路原理圖；

圖3為增益開關(guān)與差分放大器的實施電路原理圖；

圖4為TEC驅(qū)動電路模塊的實施電路原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖并通過具體實施方式來進(jìn)一步說明本發(fā)明的技術(shù)方案，但附圖中的實施例不構(gòu)成對本發(fā)明的任何限制。

如圖1所示，一種無低頻噪聲的半導(dǎo)體激光器數(shù)字溫控系統(tǒng)，包括正弦信號源電路(可選用XR2206芯片，10KHz)、熱敏電橋電路、差分放大器(可選用AD620)、混頻器(可選用AD633)、有源低通濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路(可選用AD7712)、D/A轉(zhuǎn)換電路(可選用AD5722)、中央處理器(可選用AT89S52TQFP)、增益開關(guān)(可選用ADG1611)、TEC驅(qū)動電路模塊和串口通信電路。

其中，正弦信號源電路產(chǎn)生正弦交流信號作為初始信號，初始信號經(jīng)過一個熱敏電橋電路，熱敏電橋電路包括一個放置在激光器內(nèi)部的熱敏電阻、三個10KΩ的固定電阻和一個最大阻值10KΩ的可變電阻，初始信號經(jīng)過熱敏電橋電路后輸出差分信號到差分放大器。

差分放大器對差分信號進(jìn)行放大后輸出誤差信號到混頻器，誤差信號與正弦信號源電路產(chǎn)生的初始信號都接入混頻器進(jìn)行混頻并輸出混頻信號到有源低通濾波電路，混頻信號可視為誤差信號和初始信號的乘積，混頻信號可以表示為

$\frac{1}{2}{\mathrm{kf}}_1{f}_{2}cos2\mathrm{\ω}t-\frac{1}{2}{\mathrm{kf}}_1{f}_2$

其中f1為初始信號幅值，f2為誤差信號幅值，ω為初始信號的頻率，k為增益系數(shù)。

混頻信號進(jìn)入有源低通濾波電路中進(jìn)行濾波輸出濾波信號到A/D轉(zhuǎn)換器，有源低通濾波電路如圖2，有源低通濾波電路包括二階濾波電路，以及兩端分別連接在二階濾波的輸入端和輸出端的負(fù)反饋電路，二階濾波電路為二階有源濾波電路，負(fù)反饋電路是由一個OP07芯片構(gòu)成的反向放大電路，能夠?qū)崿F(xiàn)更為穩(wěn)定的濾波效果。經(jīng)過濾波器后輸出的濾波信號可以表示為：

$-\frac{1}{2}{\mathrm{kf}}_1{f}_2$

濾波信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號輸入到中央處理器中。中央處理器根據(jù)數(shù)字信號選擇增益倍數(shù)信號，并將增益倍數(shù)信號輸出到增益開關(guān)，增益開關(guān)根據(jù)增益倍數(shù)信號控制與差分放大器連接的增益電阻的大小，進(jìn)而對差分放大器的增益系數(shù)進(jìn)行控制。

其中，增益開關(guān)包括若干個通斷開關(guān)和一個控制端，差分放大器的增益控制端并聯(lián)有與通斷開關(guān)數(shù)目一致的增益控制單元，每個增益控制單元包括串聯(lián)的一個通斷開關(guān)和一個增益電阻，通過增益開關(guān)的控制端接入的增益倍數(shù)信號控制各個通斷開關(guān)的通斷，進(jìn)而控制差分放大器的增益控制端接入的等效電阻的大小，進(jìn)而控制差分放大器的增益系數(shù)。如圖3所示，作為一種具體的電路實施例，增益開關(guān)分別控制差分放大器的1、10、100、1000四種不同的增益系數(shù)，需要保證的是，誤差信號小于等于差分放大器的最大輸出電壓。首先設(shè)置差分放大器的增益系數(shù)為1，不對誤差信號進(jìn)行放大處理，保證輸出信號不失真。通過A/D轉(zhuǎn)換器采集到的數(shù)字信號的值除以計算出差分參考信號值f₂’，再將差分參考信號值f₂’與各個增益系數(shù)相乘得到各個誤差參考信號，找出小于等于差分放大器的最大輸出電壓的誤差參考信號作為備選誤差參考信號，最大的備選誤差參考信號對應(yīng)的增益系數(shù)即為優(yōu)選增益系數(shù)，中央處理器通過增益開關(guān)控制差分放大器的增益系數(shù)為優(yōu)選增益系數(shù)。

通過連接電腦的串口電路可以觀察誤差信號的變化以及數(shù)字信號對應(yīng)的激光器相對溫度的波動。當(dāng)數(shù)字信號對應(yīng)的激光器相對溫度的波動基本不變時，這說明激光器的溫度已經(jīng)穩(wěn)定了下來，能夠滿足實驗的要求。

對于中央處理器一方面對數(shù)字信號進(jìn)行存儲，另一方面，利用PID算法對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行處理輸出溫度數(shù)字調(diào)制信號到D/A轉(zhuǎn)換器，D/A傳感器將溫度數(shù)字調(diào)制信號轉(zhuǎn)換為溫度模擬調(diào)制信號輸出到TEC驅(qū)動電路模塊，進(jìn)而對TEC進(jìn)行控制。PID參數(shù)可以由實驗的不斷改進(jìn)而獲得，設(shè)定不同的預(yù)選PID參數(shù)，通過觀察不同的預(yù)選PID參數(shù)對應(yīng)的激光器的溫度穩(wěn)定時間和超調(diào)量，選擇溫度穩(wěn)定時間最短，超調(diào)量最小的預(yù)選PID參數(shù)來確定一個最佳的PID參數(shù)，為了使PID算法效果達(dá)到最佳，這里在不同的增益系數(shù)下分別設(shè)置相應(yīng)的最佳PID參數(shù)。處理后的信號通過D/A轉(zhuǎn)換器AD5722芯片轉(zhuǎn)換為模擬信號，作為TEC驅(qū)動電路模塊的控制信號。

TEC驅(qū)動電路如圖4，信號從電壓跟隨器輸入，經(jīng)過一個可變電阻分壓后輸入至反相放大器，并加入了一個濾波負(fù)反饋，實現(xiàn)更為穩(wěn)定的濾波放大，從OP07的6腳輸出，輸入到由兩個功率放大器構(gòu)成的乙類功率放大電路中，通過功率放大器對經(jīng)過TEC的電流進(jìn)行控制，進(jìn)而控制激光器的溫度。其中的電壓信號經(jīng)過分壓之后，再次輸入到OP07的2腳進(jìn)行負(fù)反饋調(diào)節(jié)。

優(yōu)選的，熱敏電阻放置在激光器銅板的內(nèi)部，靠近激光頭的位置，TEC用來控制激光器銅板的溫度，保證熱敏電阻與TEC的溫度基本一致。

最后應(yīng)當(dāng)說明的是，以上實施例僅用以說明本發(fā)明的技術(shù)方案而非對本發(fā)明保護(hù)范圍的限制，盡管參照較佳實施例對本發(fā)明作了詳細(xì)說明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，可以對本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，而不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的實質(zhì)和范圍。