[发明专利]基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种半导体激光装置，尤其涉及一种基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统。

背景技术

半导体激光器(LD)由于具有体积小、重量轻、效率高等众多优点，诞生伊始一直是激光领域的关注焦点，广泛应用于光谱技术、光外差探测、光纤通信、高功率固体激光泵浦、医疗、加工等众多领域。国内外已经有很多LD系统现控制方法，我们也已研制出数字式控制的LD系统，但是都很少涉及到温度和功率的解耦控制。实际上LD的温度和输出光功率存在耦合影响，温度升高导致外分子效率降低，输出光功率降低，同时阈值电流增加，热耗散功率升高，导致温度升高，LD系统耦合模型如图1所示。温度的变化引起输出光功率的起伏，会影响半导体激光的使用性能，例如：激光雷达在接收端会产生虚假目标导致雷达的虚警概率增加，在医疗中导致手术失败，在光通信中会导致信号失真，在激光刻录、读取信息时会导致操作错误等等。为此，人们付出很大的努力来研制高精密LD系统。而温度－功率解耦控制是优化半导体激光输出特性的一种有效手段，因此有必要对其进行研究。

图1中I_TEC(s)，I_LD(s)分别为TEC和LD电流的给定值；T(s)，P(s)分别为被控量的温度和功率；C₁(s)，C₂(s)分别为温度和光功率的PID调节器；G₁₁(s)，G₂₁(s)分别为TEC输入电流对温度和光功率的传递函数；G₁₂(s)，G₂₂(s)分别是LD输入电流对温度和光功率的传递函数。由此可以看出，LD温度和光功率的耦合作用通过参数G₂₁(s)，G₁₂(s)来表示。其耦合关系可用如下矩阵方程表示：

　　                                                

传统的半导体激光驱动系统一般通过纯硬件电路对温度与功率间的相互影响予以抑制，但是由于电路内各环节单元的功能动作是时序控制，缺少对温度、工作电流等多变量复杂控制以及噪声抑制，因此会给半导体激光驱动系统带来很多干扰，影响半导体激光器的使用性能和寿命，这也是阻碍半导体激光器推广应用发展的一个瓶颈，因此解决好这个问题显得尤为重要。

发明内容

本发明的目的在于：采用DSP来实现对半导体激光器的前馈补偿解耦，消除温度和功率间的耦合，提高半导体激光器的温度和功率控制精度，改善半导体激光器的控制性能，提出一种基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统。

本发明提供的基于前馈解耦控制的高精密半导体激光系统由DSP数字信号处理器、温度传感器、光传感器、A/D转换器、D/A转换器、LD驱动电路及TEC驱动电路构成。LD驱动电源通电后系统自动复位，通过软件设定功率值，DSP数字信号处理器将此数值通过外扩DAC引脚加载到D/A转换器的输入端，经过数模转换后的信号提供给LD驱动电路，经过LD驱动电路的信号使半导体激光器正常工作，从而获得所需的功率输出，LD功率信号经过光传感器、A/D转换器的采样和模数转换后反馈至DSP的ADC引脚，实时计算后送入DSP数字信号处理器中，然后对输出控制量进行控制，以实现LD的功率控制；通过软件设定温度值，DSP通过PWM1引脚产生脉冲宽度调制信号PWM，经过TEC驱动电路后，使半导体激光器稳定工作，从而获得所需的温度信号，采用温度传感器对半导体激光器的温度采样，将温度通过DSP数字信号处理器GPIOA0端输入给DSP，经过算法处理，通过控制输出PWM占空比驱动TEC驱动电路工作，通过TEC和散热装置使得系统始终工作在设定的温度附近。

本发明建立了LD的温度－功率耦合模型，模型如下：

           

    为了消除G₁₂和G₂₁的耦合影响，应满足：

          

其中：，分别为TEC和LD电流的设定值；，分别为控制对象LD的温度和功率；、分别是对、的作用，、分别是对、的作用；为消除对的影响的前馈补偿解耦控制器，为消除对的影响的前馈补偿解耦控制器；其传递函数分别为：

前馈补偿解耦矩阵为：