锥形激光放大器系统温控电路设计及调试

汤国志 汪洲 耿梦梦 任元

摘  要： 温度对于锥形激光放大器（TA）的输出特性影响较大，为了保证TA芯片处于合适的工作温度，需要设计温控电路对芯片温度进行实时高精度调控。文中设计包括温度设定电路和温度主控电路在内的温度控制系统，通过小体积的硬件电路实现了温度的高可靠比例积分（PI）调节功能，并给出了PI参数的整定方法以提高控制模块响应速度与控制精度。实验结果表明，在设定温度25 ℃，工作电流2.0 A的条件下，注入35 mW种子激光，采用该温控系统的锥形激光放大器输出功率可达额定值1 W，且具有较好的长期稳定性和快速响应的突出优点，可以满足对高质量激光光源的需求。

关键词： 锥形激光放大器; 温度控制; 电路设计; 实时调试; 比例积分调节; 实验分析

中图分类号： TN722?34                              文献标识码： A                     文章编号： 1004?373X（2020）08?0077?05

Design and debugging of temperature control circuit of tapered laser amplifier system

TANG Guozhi1， WANG Zhou2， GENG Mengmeng1， REN Yuan2

（1. Graduate School of Space Engineering University， Beijing 101416， China;

2. Department of Aerospace Science and Technology， Space Engineering University， Beijing 101416， China）

Abstract： The temperature has a great influence on the output characteristics of the tapered laser amplifier. It is necessary to design a temperature control circuit to adjust and control the temperature of the tapered laser amplifier chip accurately in real time， so as to ensure that the chip is within the proper operating temperature. The temperature control system with the temperature setting circuit and temperature main control circuit is designed in the paper. The high?reliability proportional?integral （PI） temperature adjustment function of the system is realized by a small size hardware circuit. The PI parameter setting method improving the response speed and control precision of the control module is given. The experimental results show that when a 35 mW seed laser is injected with a setting temperature of 25 ℃ and an operating current of 2.0 A， the output power of the tapered laser amplifier of this control system can reach a rated value of 1 W， and the tapered laser amplifier has the outstanding advantages of good long?term stability and fast response speed， which can meet the demand for the high?quality laser light sources.

Keywords： tapered laser amplifier; temperature control; circuit design; real?time debugging; proportional?integral control; experiment analysis

0  引  言

高亮度、高光束质量的大功率激光器在空间激光通信、光对原子的操控、激光冷却和泵浦固体激光器等方面有着广泛的应用，高质量的稳定激光光源是很多实验的基础。常见的宽条型大功率半导体激光器出光功率虽能够达到瓦级，但其波导结构受到空间烧孔、丝状发光等现象的影响，使得出射光变得不稳定[1?2]。为改善光束质量，在考虑到技术难度和成本的情况下，常采用锥形激光放大器来产生高功率高、光束质量的激光光源[3]。放大芯片的锥形结构有助于减少丝状发光效应，改善光束质量并提高出光功率，有望满足诸如空间通信、激光操控等领域对于高质量激光光源的需求。

锥形激光放大器（Tapered Amplifier，TA）的放大芯片是提供高质量大功率激光输出的关键性部件，将小功率的种子激光注入芯片，放大后的激光由发射端输出，激光光强和激光功率成正比，和激光的发射端面积及发散角成反比，近似与波长的平方成反比[4]。TA放大芯片对温度非常敏感，温度的升高会导致芯片的阈值电流上升，同时会影响芯片寿命及PI特性。因此温度控制至关重要，是整个系统稳定工作的先决条件。

现有激光器主要的温控手段以温控芯片为代表，即通过数控电路来实现温度的调节。如ADI公司的TEC控制芯片ADN8830和德州仪器的32位定点DSP芯片TMS320F2812，Maxim公司的专用TEC驱动器芯片MAX1968，MAX1978也较为常用[5]。其对应的控制方法主要包括PI控制、模糊控制、自抗扰控制（ADRC）、分段控制等[6?8]。这些方法均需要较复杂的参数采集与计算过程，以及配套外围硬件，电路复杂度上升，随之而来的是可靠性与通用性的降低;此外，该类方法还不可避免地存在数字控制系统延时，影响了温度控制的影响速度和调节精度。

本文所设计的包括温度设定电路和温度主控电路在内的温度控制系统，通过硬件電路实现了温度的比例积分（PI）调节功能，并给出了PI参数的整定方法以提高控制模块响应速度与控制精度，计算调节方法简单，电路可靠性高且易于小型化，有效避免了数字控制系统延时。实验结果表明，采用该温控系统的锥形激光放大器输出功率可达额定值1 W，且具有较好的长期稳定性和快速响应的突出优点，可以满足对高质量激光光源的需求。

1  温度控制原理

TA放大芯片通过温度传感器和TEC进行温度的反馈与调节。如图1所示，本文的温控系统主要包含三个部分：温度传感器、TEC和温度控制器。本系统选取10 kΩ热敏电阻作为温度传感器，优点在于其灵敏度较高，响应时间短，耐压高，利于设计安装，缺点是其在低温区绝对误差较大。将温度传感器连接到TEC的制冷面，同时连接到温度控制器进行温度值的反馈。温度控制器输出的制冷/加热电流驱动TEC工作，散热器连接到TEC辅助散热。为保证测温灵敏性，在加工机械结构时为传感器预留的孔位要尽可能接近芯片的安装位与TEC，并通过导热硅胶消除空隙。

半导体制冷片（TEC）是以帕尔帖效应（Peltier Effect）为基础的一种冷却装置。所谓帕尔帖效应，指的是当电流流经两种不同半导体材料串联形成的电偶时，在电偶的两端可分别产生吸热和放热的现象。宏观表现为TEC的制冷和制热效果，改变电流方向可分别实现制冷和制热，调节电流大小可控制制冷量或放热量，帕尔帖热与电流成正比，驱动TEC的电流由温度控制器提供[9?10]。

设计温控电桥作为温度控制器的温度设定电路，电桥由一串特定阻值的电阻组成。调节波段开关改变预设温度，即改变了电桥接入的阻值。电桥所接入电阻两端的电压与热敏电阻两端的电压形成电压差作为温度反馈信号。该温度反馈信号经过处理放大产生控制量输送给电流控制单元，最终产生动态变化的电流，控制TEC实现制热和制冷的工作。热敏电阻的阻值随温度变化，直到芯片周围温度达到预设温度，电压差变为零，TEC才停止工作。作为一个闭环控制系统，利用电桥与热敏电阻两端的压差进行运算，修正控制量，可达到消除偏差的目的[11?12]。如图 2所示为温度控制器原理框图。

2  温度控制电路设计

2.1  温度设定电路

温控电桥电路如图 3所示，电位器[RV]最大阻值为10 kΩ，为防止波段开关未接入电阻时，电位器[RV]调零而造成短路，添加保护电阻[R0]，[R0]阻值取8.2 kΩ，[RP]为低温漂电阻，阻值7.5 kΩ，[RT]为10 kΩ热敏电阻，[U=15  V]由直流稳压源提供。

本文系统设计要求温控电桥可调节温度范围从0～50 ℃，5 ℃为一个档位。根据温度档位，对照10 kΩ热敏电阻分度表，结合A，B两点间的电压差，可计算图中R1～R11各个电阻的大小：

式中：n表示当前温度档位;[Rn-11]表示从第n个电阻到第11个电阻的总阻值，当A，B两点间的电压差为0时，芯片周围温度达到当前档位设定值。从1档开始，0 ℃时[RT]阻值为27.62 kΩ，计算可得R1?11取值在30.198～67.025 kΩ之间，取50 kΩ。温度设为2档时，同理向下进行计算，选取合适阻值，尽量取在区间中间，覆盖全部温度范围，最终得到R1～R11全部电阻的大小，如图3中所标注。

2.2  主控电路

温度反馈信号输入主控电路，首先经过1NA128放大芯片对信号进行放大处理，如图4所示为1NA128放大芯片信号和电源的基本连接电路。增益为[G]，输出电压以输出Ref端标准地为基准：

[50 kΩ]为芯片内部A1和A2的反馈电阻之和，输出端电压为[Vo]：

放大后的温度反馈信号继续进入TL084ACD通用四运算放大器，其中的PI控制单元会对信号进行进一步处理，输出控制量。[Vo]首先经过电位器[RV3]，电压下降到[V′o=Vo1-RV310×103]，[V′o]经过[U1B]比例模块放大，输出记为[V7]：

[V7]随后经过[U1A]比例模块和[U1D]积分模块处理，分别输出[V1]与[V14]，实现PI调节：

进一步经过[U1C]处理输出控制量，最后经过IRFZ48N与IRF9540N组成的TEC电流控制单元，产生动态变化的电流，控制TEC工作。温度主控电路原理图如图5所示，发光二极管用于指示电路工作状况。

3  实验研究

3.1  PI模块调试

为提高PI模块响应速度，缩短温控模块响应时间，提高控制精度，需要对温控PI模块进行调试，采用闭环循环（Closed Loop Cycling）的方法进行调试，具体步骤如下：

1） 通过示波器监测Error信号，此时确保S1，S2，S3都是断路的，Error信号显示结果如图6所示，[Error=V0]，由示波器显示结果可知，接通电源后，Error信号稳定。

2） 短路S2接入R10，调节RVG使增益增大至出现明显的振荡，如图7所示。需明确此振荡周期并不是恒定的，负载情况改变，振荡周期可能出现变化。

3） 记录图7中的振荡周期约为[T=27 s]，根据表 1给出的闭合环路参数整定常数可得：

由式（7）可计算出[RV2]的值约为1.18 MΩ，调节[RV2]至计算值。

表1  闭合环路参数整定常数

[控制器 比例范围Pb 积分时间常数TI 仅比例项（P） 2P 不可用 比例项与积分项（PI） 2.2P 0.8T ]

4） 再次调节[RVG]使系统恰好出现自激振荡，如图8所示。

5） 短路S1和S3，启动积分模块，此时的增益变为原来的[12.2]，查看Error信号，调节预设温度，确认曲线收敛良好，如图9所示，曲线突变点表示预设温度改变，即调节波段开关档位，经过约25 s曲线重新拉回到零点，说明温度达到所调节的温度，响应时间较快。

3.2  TA芯片保护

如图10所示为TA芯片保护电路，其作用是减少噪声，限制传输到芯片的電流与信号波动，防止芯片损坏[13]。

3.3  输出检测

对放大器的功率放大效果与出光稳定性进行实验研究，设置工作温度为25 ℃，逐渐改变种子光功率，通过激光功率计分别记录电流为1.0 A，1.5 A，2.0 A时的出射光功率，绘制折线图，如图11所示。从图中可以看出，在工作电流2.0 A的条件下，注入35 mW种子激光，采用该温控系统的锥形激光放大器输出功率可达额定值1 W。

进一步检测出光稳定性，在2.0 A电流，种子光功率35 mW的情况下，利用三组[λ2]波片与PBS的组合搭建分光光路，对出射光进行分束，为防止发生危险，侧向光通过套筒进行吸收，最终得到约1 mW的光束。通过光电池接入示波器检测出光稳定性，250 s内示波器采集到的光电信号如图12所示。最大电平210.5 mW，最小电平209.3 mW，平均电平209.72 mW，具有较好的长期稳定性，可以满足对高质量激光光源的需求。需要注意的是，无论是用功率计检测出射光功率还是对出射光进行分束，都要注意受光面的偏斜，防止有反射光反向射入芯片造成芯片损坏。

4  结  论

锥形激光放大器是制备高功率、高质量激光光源的关键部件，温度对于放大芯片工作的稳定性具有显著影响，采用注入电流调谐放大芯片输出时，芯片工作温度的稳定性控制变得尤为重要。

本文采用1NA128放大芯片及通用四运算放大器设计主控电路，利用电桥及热敏电阻配合设计温度设定电路，完全采用硬件电路实现温度控制，电路构成简单，可靠性高且易于小型化，有效避免了数字控制系统延时，可全面覆盖0～50 ℃温度区间，便于调节，温控模块响应速度较快。对出光功率进行检测，通过温控模块控制芯片温度为25 ℃，在工作电流2.0 A，种子光功率35 mW的情况下，采用该温控系统的锥形激光放大器输出功率可达额定值1 W;并在此工作条件下，设计简易分光光路，通过光电池及示波器检测出光稳定性，结果显示锥形激光放大器的输出具有较好的长期稳定性，可以满足对高质量激光光源的需求。检测结果同样表明温控模块长时间稳定有效。

注：本文通讯作者为任元。

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