(翻译1)激光二极管高精度数字温度控制.doc

(翻译1)激光二极管高精度数字温度控制.doc:..激光二极管的高精度数字温度控制1FabrizioBarone,EnricoCalloni,AniclloGrado,RosarioDeRosa,LucianoDiFiore,LeopoldOMilano,。通过使用一个有条件稳定的循环中,我们得到了一个小时的时间约±20yK温度稳定性。©1995年美国物理研究所。1•引言在一些应用中激光二极管具有宽范围的频率可调性,最基本的是从红外到可见光。例如,它们被用于原子和分子光谱,或者作为高功率固体激光器的泵浦源。频率调整是可行的因为激光二极管的发射频率对于注入电流和温度都是皱感的。激光的稳定运行是所有这些应用的基础,再开发出稳定的电流驱动和合适的温度控制回路去降低频率漂移到允许的范围内;典型的频率变化率是3040GHz/■积分■微分(PID)网络为反应过滤器。一个小时的时间约lniK温度稳定性己经公布。在本文屮我们将叙述一个激光二极管温度控制的髙粹度数字伺服回路。一个数字系统的使用大大简化了反应滤波器的实现,并允许实现比一般的PID更复杂的网络。通过实现一个有条件稳定的循环中,我们获得了温度稳定性为20pK,超过了6250秒(1小时44分钟),这个时间还可以很容易被延长。2•实验装置激光二极管(夏普LD024MD)是插入一个安装有珀尔帖冷却器(PT)的铜片里;在同一个铜片装一个小型负温度系数热嫩电阻(NTC)。控制电路可以分为两部分:模拟部分是一个类似应用,数字部分川于实现环路滤波器。NTC组成单臂的惠斯通电桥;参考电压(7V)是由一个高稳定性的发生器(LM399)提供的。电桥是平衡系统工作点温度,这个温度可以在另一桥臂插入一个电位器进行调节。图1是装直的电路原理图。电桥信号放人使用Buir-Brown公司的型号为INA101的仪用运放(1A)。电桥,电压发生器,运算放大器都安装在一个靠近二极管的屏蔽盒中。输出,如误差信号就是送到数字系统中提供校止信号来进行温度控制。数字信号处理器是基于VME总线的,市一•个16位的AD转换器,一个68030CPU和一个DA转换器组成的;数字2滤波的实现是用双线性变换算法。调整是用互补对称推挽作者•:FabrizioBarone,EnricoCalloni,AniclloGrado,RosarioDeRosa,LucianoDiFiore,LeopoldOMilano,。电桥输出电压是提供NTC的温度偏差测量电压值,因此能达到激光二极管所需的工作温度。除了NTC还有另外两个温度传感器(AnalogDevicesAD59OJK)被使用。第一个温度传感器安装在铜片里测量激光二极管的工作温度并用来进行系统校正;第二个用來测量宗温。—20VROWER/M^PUFIER图1温度控制器电路原理图3•数字伺服回路为了稳定激光二极管的温度冇必要的设计一个合适的反馈系统。选择循环滤波器是非常重要的,因为它决定了稳定性和伺服的性能。一般在模拟系统屮使用一个PID滤波器。这可以虽然在低频段提供一个高增益,但是低频段温度波动人,由于系统的热惯性还需要加入相位延时补偿,主要是佩尔蒂埃冷却器和铜片的热惯性。这也允许一个更大的调整带宽。对于得到补偿的系统,开环传递函数(0L),即环路的乘积和系统传递函数是为低于单位增益的频率,选择非常低截止频率和高的直流增益的简单积分器。原则上为了获得更人的增益和速度可用更复杂的有个极点和冬点的高阶环路滤波器,但是这需要结构更加复杂的电路来实现。此外,由于这样一个环路只能做到条件稳定,这是需要设置极端精度的滤波器参数,即截止频率的参数零点和极点。出于这些原因,非常复朵滤波器的类似实现难以克服。使用数字滤波器这个对以解决。在这种情况下有可能实现多个零点利极点,而对于一个实时系统的唯一限制是需耍时间来进行数学运算。对于像温度控制这样的低频应用这通常没冇问题。实际的环路滤波器应该根据系统的传递函数(TF)设计,这些是温度传感器(V/K),电流驱动器(A/V),珀尔帖冷却器(K/A)和激光传递函数。图2是我们的系统所测的传递函数。为了设计这个伺服回路,这个传递函数大约有7个极点的低通滤波器。表1是这个滤波器的参数。图3是是综合传递函数。对于我们的反馈系统我们设计了一个冇四个极点和四个零点的环路滤波器。表2零极点的值。图4是这个滤波器的波特图,对比PID滤波器具有同样的相位裕度(大约45度)。在图5屮是计算实现伺服回路的开环传递函数是再次对比PID获得一个。整体的增益(OdB)大约50mH