高精度光源控制系统的研究
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摘要：本文详细给出了本课题所采用的自动功率控制、自动温度控制的工作原理。自动功率控制是采用光电二极管的输出电流，处理后与设定值比较来调整激光器的工作电流，从而实现激光器功率闭环控制。自动温度控制是通过热敏电阻采集激光器的温度，将得到的温度值与设定值进行比较，从而控制TEC驱动电路中电流的流向及大小。
关键词：半导体激光器，闭环控制，自动温度控制
一、半导体激光器稳恒控制
对半导体激光器进行控制，常采用自动控制的方法，其包括自动电流控制（ACC）、自动功率控制（APC）、自动温度控制（ATC）、电压恒定控制（AVC）。
自动电流控制（ACC）是对半导体激光器的注入电流进行稳恒控制的一种控制方式。即通过电流反馈控制回路，来获得最低的电流偏差。当要求驱动电流稳定时，常采用ACC工作模式。
自动功率控制（APC）是对半导体激光器的输出光功率进行稳恒控制的一种控制方式。即当LD工作时， PD将接收的部分光功率转化为监测电流，该电流与PD接收到的光功率成正比。监测电流经过电流/电压转换后，通过反馈网络与设定值进行比较，形成闭环负反馈控制。
自动温度控制（ATC）是在对半导体激光器进行控制时保证其温度恒定不变。
电压恒定控制（AVC）是在对半导体激光器进行控制时保证其驱动电压恒定不变。
通过上述分析可以看出，ACC、APC方式适用于带有温度调节的半导体激光器，配合ATC控制方式，会产生很好的效果。一般情况下，激光器的光电转换效率随着使用时间的增长而降低，以此APC控制精度优于ACC。当要求LD的驱动电压恒定时，采用AVC模式[1] 。
鉴于以上分析本文采用APC和ATC控制方式相结合驱动半导体激光器。
二、半导体激光器自动功率控制（APC）原理
为方便功率的控制，通常半导体激光器内部将半导体激光器与光电二极管集成在一起，装在同一管芯内。PD感应的光电流很小（一般为几百微安），因此，对光电流检测器的灵敏度和精度要求很高。检测器的输出信号反馈回单片机系统并通过输入端控制电流驱动模块调整输出光功率，一般将驱动模块与功率控制模块统一考虑[2] 。
自动功率控制原理框图如1-1所示。
图1-1自动功率控制原理框图
采用背向光反馈自动偏置控制方式，即用半导体激光器组件中的光电二极管检测激光器背向输出光功率。因为背向输出光功率能跟踪前向输出光功率的变化，通过闭环控制系统就可以调节激光器的工作电流，达到输出稳定光功率的目的。检测光电二极管的输出光电流，然后经过光电转换及前置放大电路，主放大电路以及滤波电路，A/D转换以后进入单片机系统，通过ADuC836单片机处理以后通过D/A转换电路反馈回恒流源电路，控制恒流值的大小，从而控制半导体激光器的光功率，达到稳定光功率的目的。
正常状态下，半导体激光器工作在设定点，流过其驱动电流I与其输出光功率处于稳定的状态。当LD因某种原因功率增大时，耦合至PD的光电流也按比例增大；当LD光功率降低时，PD的光电流相应减小。监测PD输出光电流的变化控制LD的注入电流，当输出光电流减小时，通过单片机控制增大LD的注入电流，以保证输出功率的稳定；反之，若输出光电流增大时，则降低LD的注入电流。
自动功率控制是以稳定输出功率为目的，以输出光功率作为反馈信号，控制驱动电流源，以消除温度和浪涌等因素造成的输出功率的不稳定。
入射光强Pin与光电流Im的关系如公式（1-1）所示[3]：
式中R：光电二极管的响应度，可由所使用的半导体激光器组件参数求得。
三、半导体激光器自动温度控制（ATC）原理
温度是LD性能恶化、寿命减少的主要因素，温度升高使输出功率下降，并且影响波长的稳定性[4]。目前已经提出了很多种半导体激光器温控电路，采用模拟技术和数字技术，但高精度温度控制并不是一件容易实现的事情。本文在软件上采用PID（Proportion，Integrator，Differentiator）控制技术及模糊控制作为核心，以减少静态误差、提高控制精度。
自动温度控制（ATC）电路系统原理框图如图1-2所示。
图1-2自动温度控制原理框图
自动温度控制（ATC）系统包括：采样部分、转换部分、单片机系统部分和制冷控制部分[9]。半导体激光器工作时，随时间的推移其温度会逐渐升高，测温传感器将温度变化的信号转换成电阻信号，由温度—电压转换电路（T/V）将信号转换为电压信号以便后续处理，仪表运算放大电路是将电压信号进行高精度放大以利于A/D转换，由于本文所选的单片机自带A/D转换器，可直接将代表温度的信号从A/D转换模拟通道输入到单片机系统，单片机系统经过PID算法处理后由输出端口输出数字控制信号到D/A转换电路，经过D/A转换的模拟控制信号就可以控制半导体制冷器的驱动电路，达到控制半导体制冷器的电流及制冷功率，从而保证半导体激光器温度恒定。
温度传感器采用负温度系数热敏电阻，其工作原理是将温度的变化转化为自身电阻的变化。因此，测温的精度取决于这个电阻值的变化转换为电压变化过程的精度。将电阻值的变化转换为电压的变化常采用电桥方法，并用仪表运算放大电路保证信号转换和传输。控制程序采用PID控制算法控制帕耳帖的电流，来控制帕耳帖的制冷量，实现半导体激光器的恒温度控制。自动温度控制电路通过改变半导体制冷器上的电流大小和方向，对半导体激光器进行加热或制冷，来控制其温度，使功率稳定输出。当半导体激光器温度升高时，制冷器制冷，其温度下降；当半导体激光器温度降低时，制冷器加热，其温度上升。
四、总结
本文主要介绍了半导体激光器的四种驱动方式及各种方式的优缺点；并详细给出了本课题所采用的自动功率控制、自动温度控制的工作原理。自动功率控制是采用光电二极管的输出电流，处理后与设定值比较来调整激光器的工作电流，从而实现激光器功率闭环控制。自动温度控制是通过热敏电阻采集激光器的温度，将得到的温度值与设定值进行比较，从而控制TEC驱动电路中电流的流向及大小。
参考文献：
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