SPL_PL90_3型半导体激光器温度补偿设计

由于半导体激光器PN结的内部承受着较大的电流密度和热耗散功率密度，相当一部分注入电功率被转化为热量，引起激光器温度升高，从而影响其激光的输出．文献［11］指出，半导体激光器中心波长随着温度的升高而变长，随着温度的降低而变短．一般来说温度每变化1 °C波长也会相应的变化0. 2 nm．由于CCD传感器对不同波长光的响应系数存在很大差异，为了保证激光所成图像灰度信息的一致性，需要将激光器的工作温度稳定在要求的范围之内．
目前对激光器工作温度的控制主要通过两种途径来实现:一是采用主动制冷方式，如附加冷却系统以保持激光器结温恒定;二是采用电流补偿，即利用与激光器相近温度特性的调制电流束补偿温度变化所带来的性能漂移［12］．由于电流补偿的电路设计复杂，响应的速度慢，文中采用主动制冷方式，同时为了保证控制精度，所采用制冷器为半导体制冷器(thermo electric cooler，TEC)．
 
温度信号的获取目前对温度信号的采集是通过集成温度传感器实现的．集成温度传感器根据工作原理的不同分为电压型和电流型两种，两者可分别将环境温度转化为电压和电流信号输出，一般要根据传感器与控制电路之间的距离和传感器分辨率来选用．综合文中激光驱动电路的特点和激光器件的工作温度要求，采用美国AD公 司 推 出 的AD592型 高 性 能 电流型集成温度传感器，该型号传感器测量精度可达0. 3 °C，测量范围－25 ～105 °C，具有输出阻抗高、输出电流抗 干 扰 性 强 的 特 点． AD592的 温 度T与输出电流I的关系如图7． 采用STM8S103F系 列 微 控 制 器 对AD592型温度传感器建立温度信号采集与输出电路，如 图8． AD592的输出电流由电阻Ｒ转化为电压信号输入至STM8S103F型微控制器内置的10位AD转化模块，从而完成对温度信号的采集，微控制器将采集的温度信号与所设置的阈值作比较判断当前激光器件的温度状态，并通过out1 ～ out4输出控制信号完成对半导体制冷器工作状态的控制．
 
制冷器的控制
半导体制冷器以帕耳帖效应为基础，当电流流过半导体制冷器时，热量从半导体制冷器的一侧传送到另一侧，表现为一端制冷，另一端制热;如果电流的方向反 向，则制冷与制热的两端也会相应反转［13］．温度控制系统通过对激光器的温度监测，自动调节流经半导体制冷器的电流方向，对激光器加热或者制冷，从而实现对激光器的温度控制．根据文献［14］，激光器工作时半导体的制冷器的制冷效率满足 式中:α、K分别为半导体制冷器的塞贝克系数、热导系数:I为电流;Ｒ为制冷器电阻;th、tc分别为热沉面和散热器端面的温度．由式(17)可 知，为 了 提 高 控 制 效 率，在 选 用TEC时应使塞贝克系数、热导系数偏大，且尽可能使制冷器发热功率偏小．图9为H桥型TEC电流控制原理图［15］． 在图9电路中，双极型晶体管N1～N4的基极in1 ～ in4分 别 与STM8S103F的 输 出 引 脚out1 ～out4相连接，设温度传感器实际测试温度与激光器要求工作温度之差为Δ，则TEC工作电流的 方 向与Δ、out1 ～ out4逻辑值的关系如表2． 根据表2，微控制器通过计算激光器温度与预设温度之差确定out1 ～ out4的逻辑状态即可控制半导体散热器的电流方向，最终实现激光器的恒温控制．