双通道半导体激光电源控制技术

金文东，李迎新，杨基春，穆志明，王 晗

(中国医学科学院北京协和医学院生物医学工程研究所，天津300192)

1 引言

激光技术的发展促进了半导体激光器在光纤通信、高速打印、自由空间光通信、固体激光泵浦源、激光指示及各种医疗应用等领域的应用。在激光医学的应用中，单一波段的激光已不能满足需求，有时需要多波段激光进行联合治疗。例如，635 nm激光具有镇痛、抑制破骨细胞吸收和促进伤口愈合的作用［1－2］;808 nm弱激光具有抑制细胞增生，促进伤口愈合的作用［3－4］;而635 nm/808 nm双波长联合治疗能更有效地促进伤口的愈合［5］。

激光的输出参数如激光波长、功率大小和照射时间直接影响治疗效果［6］。半导体激光器的诸多输出参数都与温度和驱动电流有关［7－8］。如输出功率不仅取决于驱动电流的大小，而且受温度的影响;其输出波长和驱动电流及温度有关，对多数半导体激光器来说，其波长随注入电流的增加而增加，变化的典型值为0．025 nm/mA［9］，此外，当半导体激光器内部温度增加时，输出波长也随之增加［10］，其变化的典型值为0．3～0．4 nm/℃［11］。为了得到稳定的输出功率和波长，需对驱动电流进行精确控制，而环境温度的变化以及器件运行时发热都会导致激光器的温度变化，其中，808 nm半导体激光器的制造技术已经成熟，只需要用散热片和风冷就行，而635 nm激光器因为在工艺上的问题，对温度非常敏感，要求将温度稳定性控制在1℃以内。因此，本文提出采用高精度AD和DA转换模块控制恒流源驱动电路，在温度控制方面，则采用专家智能硬件PID控制方式控制半导体制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)，达到对其温度的准确控制。

2 系统结构

系统总体结构框图如图1所示，控制部分主要由恒流驱动控制模块和温度控制模块组成，并由交互界面(Interaction Interface)通过单片机(Single Chip Microcomputer，MCS)进行控制及数据显示。交互界面通过RS232串口控制单片机发送控制指令，以及接收从单片机发过来的数据，对激光器电流、功率和温度等信号进行控制及实时显示。单片机根据接收到的上位机指令通过DA控制激光器的驱动电流，恒流驱动电路通过AD将电流值反馈给单片机。温度传感器实时反馈激光器的温度信息，以此判断TEC进行制冷或是制热，来实现激光器的恒温控制。

图1 系统结构框图Fig．1 Structure diagram of the system

3 恒流源驱动控制

激光器需由电流源进行驱动，808 nm和635 nm通道恒流源驱动由钥匙开关和单片机控制继电器与三级管使能驱动，驱动电流的大小由单片机进行控制。808 nm通道电流驱动电路如图2所示。单片机AT89S4051控制12位DA输出控制电压VOUTA，VOUTA通过运放U7B比例放大，与运放U7A、精密电阻U8和稳压器U9构成负反馈控制电路，实现对808 nm通道激光的电流大小的闭环控制。此外，精密电阻U8作为采样电阻将电流信号转换为电压信号，经电压跟随器U7D和运放U7C比例放大得到电压VCH0。VCH0通过12位AD，向单片机实时反馈808 nm通道的驱动电流值。其中控制电压VOUTA和反馈电压VCH0，都与驱动电流呈线性关系。635 nm通道采用的电流驱动电路的原理与808 nm通道相同。

图2 808 nm恒流驱动电路原理图Fig．2 Constant current drive circuit principle diagram of 808nm

驱动电路的电流调节范围由电位器R12和R15的阻值大小控制，当调节电流驱动电路中的电位器使得808 nm和635 nm通道的电流调节范围分别为0～3 A和0～1 A时，808 nm和635 nm通道电流分辨率分别为0．73 mA和0．24 mA。

4 温度控制系统

常用的温度传感器有双金属片热电偶、热敏电阻器、铂电阻、感温铁氧体等，其中负温度系数(Negative Temperature Coefficient，NTC)热敏电阻具有价格低廉、精度较高、可靠性好的优点［12］，故采用NTC热敏电阻(10 K@25℃)作为温度传感器对温度信号进行采集。

半导体激光器采用热敏电阻作为传感器，一般多采用电桥法和电压源法进行温度采集。桥式电路采用的电阻较多，且可调电阻的精度和温度系数指标较低，因此温度控制精度不高;电压源法由于电压源常常容易受到噪声的干扰，导致电压源自身的电压不准，从而造成温度采样电压不准，对温度的计算带来误差［13］。如图3所示，本系统将DA和AD的参考电压VREF作为电压源法的电压源，通过将热敏电阻的分压值VCH2经过AD转化，实时显示激光器温度，有效解决了电压源采样电压不准的问题。此外，上述温度采样电路的采样电压VCH2与VOUTC经精密仪表放大器U15差分放大，构成了以参考电压VREF作为电压源的H桥测温电路［14］。差分放大后的信号低通滤波后，经运放U16B进一步放大后进入比例积分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)补偿电路。其中VOUTC由单片机控制12位DA输出控制，用于设置激光器工作温度。与传统的H桥测温电路相比，VOUTC由单片机控制，代替传统桥式测温电路中桥臂上两个固定电阻的分压值，不仅使得工作温度的设置更加简便，而且结构简单，具有较高的温控精度。

图3 温度采样电路Fig．3 Temperature sampling circuit

PID调节是自动控制系统中常见而典型的控制策略，其中模拟式PID是基本的实现手段与方式。本系统采用专家智能硬件PID调节电路控制TEC对激光器进行温度调节，控制电路如图4所示。PID控制由积分环节、比例环节和微分环节三个部分组成，通过对积分、比例和微分参数的合理选择，可以达到最佳的综合控制效果。其中，R34和C14控制积分时间常数;R37和R38控制比例系数;C15、R42和R43控制微分时间常数;R36、R39、R44、R45和U17D组成加法器将积分、比例和微分环节的作用叠加起来以实现PID控制，通过稳压器U18来实现TEC对激光器进行制冷或制热;C16能增加控制电路的稳定性。

如图3和图4所示，该电路利用温差作为调节参考点，即热敏电阻分压值与温度设定电压值差值ΔU(即VCH2－VOUTC)大于0．0025 V或小于－0．0075 V时，运算放大器U16B运放饱和，消除了PID控制器的微分环节的作用，此时对激光器温度进行PI控制;当ΔU大于－0．0075 V且小于0．0025 V时，运算放大器U16B正常工作，对激光器温度则进行PID控制。利用这种调节手段，使得系统硬件PID控制在两种工作方式下自动转换，即温差约大于0．5℃时，对系统进行PI调节，以消除稳态误差;当温差调节到0．5℃以内时，转化成PID补偿回路对系统进行温度控制，以防止过冲或超调。系统温控精度可达到0．1℃。

图4 PID控制电路Fig．4 PID control circuit

5 应用测试

为检测上述双通道半导体激光器电源控制系统的性能，用某公司生产的双波长激光模块对其进行检测。检测环境温度为室温23℃，激光模块工作温度设置为25℃。

5．1 激光功率稳定度

分别设定808 nm通道和635 nm通道的电流值为2200 mA和640 mA，用功率计对10 min内的激光功率进行测量，测量数据分别如图5(a)和5(b)所示。

图5 808 nm和635 nm激光功率随时间变化曲线Fig．5 Power curves of 808 nm and 635 nm laser

808 nm激光0～6 min在风冷的作用下达到工作温度，激光功率缓慢增大;6～10 min温度趋于稳定，激光功率也趋于稳定。635 nm激光0～3 min在TEC的作用下达到工作温度，激光功率缓慢增大;3～10 min温度趋于稳定，激光功率也趋于稳定。此外，在10 min的持续测量时间内，808 nm通道的功率最大值和最小值分别为1．45 W和1．35 W，功率不稳定度为1．805%;635 nm通道的功率最大值和最小值分别为413 mW和388 mW，功率不稳定度为1．233%。

5．2 激光波长及P/I特性曲线

用光谱仪对808 nm通道(设定驱动电流为500 mA时)和635 nm通道(设定驱动电流为550 mA时)的激光波长光谱进行测量，分别得到如图6(a)和6(b)所示的光谱图，测得中心波长分别为806．7 nm和634．3 nm。用光谱仪测量不同驱动电流(100～600 mA)下635 nm通道的激光波长，结果如图7所示，不同驱动电流下激光峰值波长变化小于等于2 nm，即激光波长随驱动电流的变化很小。

图6 808 nm和635 nm通道的光谱图Fig．6 Spectrum of 808 nm and 635 nm channel

图7 635 nm通道峰值波长随驱动电流的变化Fig．7 Peak wavelength of 635 nm channel along with the change of drive current

用功率计分别对808 nm通道和635 nm通道在不同设定驱动电流下的功率进行测量，并对其进行线性拟合，得到P/I特性曲线如图8所示，两个通道线性拟合的Adj．R－Square值都大于0．998。

图8 808 nm和635 nm激光的功率电流特性曲线及其线性拟合曲线Fig．8 Power current characteristic curve and linear curve fitting of 808 nm and 635 nm

6 结论

本文研制的808 nm/635 nm双通道半导体激光器的驱动电源，主要由恒流源驱动和温控电路两部分组成。恒流驱动由运算放大器、精密电阻及稳压器等形成闭环控制，实现高稳定和低纹波系数的电流源。驱动电流与控制电压呈线性关系，通过改变驱动电路中的电阻参数可以控制驱动电流的范围。温控电路采用硬件智能PID精确控制TEC进行制冷制热，该方式与数字PID相比具有响应速度快、不受采样精度影响的优点，适合实时性要求高的场合。实验结果表明，该驱动电源下的激光器不仅输出功率和波长稳定性好，而且功率－电流特征曲线的线性拟合度也很高，其输出参数达到医学实验要求。

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