單頻激光器的高精密溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

　　文本根據(jù)高穩(wěn)定性半導(dǎo)體激光（LD）泵浦單塊非平面環(huán)形腔（NPRO）單頻激光器對(duì)于功率穩(wěn)定性和頻率穩(wěn)定性的要求，設(shè)計(jì)并研制了一套高精度的精密溫控系統(tǒng)。該系統(tǒng)基于模擬比例積分微分（PID）控制原理，采用程控調(diào)節(jié)P和PI的方式通過對(duì)半導(dǎo)體制冷器（TEC）的驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)在-10---+70℃范圍內(nèi)對(duì)LD和NPRO單塊晶體溫度的精確控制，控溫精度達(dá)±0.01℃。采用該溫控系統(tǒng)的LD泵浦1645nm NPRO單頻激光器，30min內(nèi)相對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)8.32*10-2。

　　高穩(wěn)定性的單頻激光器在激光測(cè)量光學(xué)頻標(biāo)和激光雷達(dá)等領(lǐng)域都有重要的應(yīng)用。LD泵浦單塊NPRO激光器是產(chǎn)生高穩(wěn)定性單頻輸出的重要方法之一。在LD泵浦單塊NPRO激光器中泵浦源LD和激光晶體都需要有高精度的溫控系統(tǒng)。一般LD溫度漂移系數(shù)約為0.3nm/℃溫度的抖動(dòng)極易引起其輸出波長(zhǎng)的變化，而單塊NPRO的吸收譜線很窄，LD泵浦波長(zhǎng)的偏移將破壞其單頻特性和功率穩(wěn)定性。同時(shí)，NPRO單塊自身溫度的起伏也會(huì)影響輸出的單頻激光的頻率穩(wěn)定性。因此，高精度溫控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用是保證LD泵浦NPRO激光器穩(wěn)定性的關(guān)鍵。

　　針對(duì)上述要求，本文設(shè)計(jì)了一套基于模擬PID控制原理的精密溫控系統(tǒng)系統(tǒng)。采用程控調(diào)節(jié)P和PI的方式通過TEC的驅(qū)動(dòng)控制實(shí)現(xiàn)-10---+70℃在范圍內(nèi)對(duì)LD和NPRO單塊溫度的精確控制控，溫精度達(dá)±0.01℃。采用該溫控系統(tǒng)的LD泵浦1645nmNPRO激光器，30min內(nèi)相對(duì)波長(zhǎng)穩(wěn)定性達(dá)8.32*10-7。

　1、高精度溫控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

　　目前，精密溫控系統(tǒng)通常采用PID控制算法，通過放大溫度設(shè)定值與測(cè)量值的誤差信號(hào)獲得相應(yīng)的調(diào)節(jié)量，反饋控制并驅(qū)動(dòng)TEC制冷或加熱，實(shí)現(xiàn)對(duì)負(fù)載溫度的精確控制。具體電路實(shí)現(xiàn)方案主要包括模擬控制，數(shù)字控制和專用芯片控制等。其中，數(shù)字控制和專用芯片控制電路集成化程度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制精度和負(fù)載能力較差；模擬控制元件分立、電路復(fù)雜，但輸出線性度與控制精度高，負(fù)載能力強(qiáng)。根據(jù)系統(tǒng)高精度、大負(fù)載能力的要求，本設(shè)計(jì)采用模擬PID控制技術(shù)，通過程控調(diào)節(jié)P和PI優(yōu)化PI參數(shù)設(shè)置，在-10---+70℃范圍內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)LD和NPRO單塊±0.01℃的控溫精度。