專利名稱：激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)方法與裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)方法與裝置；特別是對(duì)激光 二極管進(jìn)行快速溫度調(diào)諧的方法，能夠獲得很寬范圍的調(diào)諧光譜，可以應(yīng)用于激光調(diào)諧吸 收光譜技術(shù)測(cè)氣體、光通信等領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
可調(diào)諧激光器可以在一定范圍內(nèi)連續(xù)改變輸出波長，在光譜學(xué)、光化學(xué)、醫(yī)學(xué)、生 物學(xué)、集成光學(xué)、污染監(jiān)測(cè)、半導(dǎo)體材料加工、信息處理和通信等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。當(dāng)前，二極管激光器調(diào)諧的典型方法有四種電流調(diào)諧、溫度調(diào)諧、外諧振腔技術(shù) 和可調(diào)激光器陣列。電流調(diào)諧技術(shù)，通過改變激光器的注入電流實(shí)現(xiàn)波長調(diào)諧，其技術(shù)方案簡單，具有 很高的調(diào)諧速度(ns級(jí))和很寬的調(diào)諧帶寬，但是其調(diào)諧范圍很小，一般只有零點(diǎn)幾個(gè)nm。溫度調(diào)諧技術(shù)，通過改變激光腔的溫度來改變激光器的輸出波長。其技術(shù)方案簡 單，其調(diào)諧范圍一般為幾個(gè)nm，其主要缺點(diǎn)調(diào)諧時(shí)間較長，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。外諧振腔技術(shù)(ECL)，將激光二極管作為增益介質(zhì)，激光器諧振腔的選頻由外部可 旋轉(zhuǎn)的光柵組成，激光二極管的一面涂層作為高反射鏡，而另一面是激光輸出和諧振腔調(diào) 諧部分。ECL的調(diào)諧范圍一般為幾十個(gè)nm，其輸出功率高、線寬窄。但是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜、 存在運(yùn)動(dòng)部件、成本高，調(diào)諧時(shí)間比較長，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。可調(diào)激光器陣列，以激光器陣列，借助于耦合器或微機(jī)電系統(tǒng)(MEMS)做粗略選擇 波段，可實(shí)現(xiàn)較寬的調(diào)諧范圍。具有較高的輸出功率，但是其結(jié)構(gòu)復(fù)雜、成本高，調(diào)諧時(shí)間比 較長，一般需要幾秒的調(diào)諧穩(wěn)定時(shí)間。后兩種調(diào)諧技術(shù)由于系統(tǒng)復(fù)雜性、較高的成本以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的較高要求，目前 應(yīng)用較少，尤其是在工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)、野外等工況下，以前兩種技術(shù)應(yīng)用為主。例如，在調(diào)諧激光吸 收光譜中應(yīng)用的是電流調(diào)諧技術(shù)，目前通行的做法是，設(shè)定激光器的工作溫度，并保持溫度 恒定，通過注入電流調(diào)制的方式對(duì)激光器進(jìn)行調(diào)諧，再以鎖相放大器對(duì)二次諧波進(jìn)行檢測(cè)。 這種技術(shù)方案的缺點(diǎn)是激光器的調(diào)諧范圍很小，對(duì)于DFB激光器電流調(diào)諧范圍只有0. 1 0.3nm，只能覆 蓋一個(gè)氣體線吸收峰，一旦受到某種干擾，發(fā)生的測(cè)量錯(cuò)誤無法得到判斷和修正；
由于激光器調(diào)諧范圍小，通常一個(gè)激光器只能測(cè)量一種氣體，經(jīng)濟(jì)性較差；對(duì)激光器的溫度穩(wěn)定性要求很高，由于溫度對(duì)激光二極管的輸出波長影響很大， 為了保證激光調(diào)諧的波長范圍穩(wěn)定，一般要求溫度的穩(wěn)定性達(dá)到士0. 02°C以內(nèi)，這么高穩(wěn) 定性系統(tǒng)的復(fù)雜性和成本是很高的。在調(diào)諧激光器的各種應(yīng)用中，都有著對(duì)拓寬激光調(diào)諧范圍、提高調(diào)諧速度的需求。 例如，在密集波分復(fù)用(DWDM)光通信系統(tǒng)中，寬范圍調(diào)諧是擴(kuò)展光網(wǎng)絡(luò)容量的最佳技術(shù)； 在光譜學(xué)應(yīng)用中，通過拓寬激光器的調(diào)諧范圍可以覆蓋多個(gè)吸收峰，同時(shí)檢測(cè)多種氣體、并 提高檢測(cè)精度。
激光二極管的溫度調(diào)諧可以拓寬波長調(diào)諧范圍，但是由于激光器組件的熱慣性較大，使得應(yīng)用溫度調(diào)諧技術(shù)在實(shí)用化方面還有較多的障礙，不同技術(shù)方案的問題為方案1 通過設(shè)定在若干個(gè)不同的恒定溫度，分別進(jìn)行電流快速調(diào)諧測(cè)量，該方案 中，激光器的溫度從一點(diǎn)改變到另外一點(diǎn)，并達(dá)到要求的穩(wěn)定度，與兩點(diǎn)溫度差異的大小有 關(guān)，一般需要幾秒到十幾秒的時(shí)間，不能滿足同時(shí)測(cè)量和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的需要。方案2 依據(jù)激光器組件的熱慣性，以較小的TEC驅(qū)動(dòng)電流改變激光腔的溫度實(shí)現(xiàn) 調(diào)諧，保證NTC的溫度值能夠反映激光腔的溫度，在最大允許溫度范圍內(nèi)可以獲得幾個(gè)nm 的連續(xù)調(diào)諧，但是需要十幾到幾十秒的掃描時(shí)間，調(diào)諧速度慢，一般為0. 1 0. 5nm/s。方案3 以較大的TEC驅(qū)動(dòng)電流改變激光腔溫度實(shí)現(xiàn)快速調(diào)諧，但是由于激光器組 件的熱慣性，激光腔的溫度值與NTC測(cè)量值存在差異，且溫度差異的大小與TEC驅(qū)動(dòng)電流、 環(huán)境溫度、激光器組件封裝形式以及器件離散性都有關(guān)系。難以確定激光腔的準(zhǔn)確溫度值， 進(jìn)而無法得到調(diào)諧過程中的波長值。在調(diào)諧激光器的具體應(yīng)用中，知道調(diào)諧過程中的準(zhǔn)確波長值是非常重要的。例如， 在調(diào)諧激光吸收光譜(TDLAS)技術(shù)中，激光器的波長與被測(cè)氣體的特征吸收相關(guān)，波長是 準(zhǔn)確判斷氣體種類的依據(jù)。在外差光學(xué)探測(cè)、光通信等領(lǐng)域，對(duì)調(diào)諧過程中的波長值不僅需 要知道，而且在調(diào)諧非線性、調(diào)制度等方面有著嚴(yán)格的要求。就激光二極管而言，其輸出波 長可以由注入電流和激光腔溫度兩者來唯一地確定，這樣就要求激光二極管在調(diào)諧過程中 的LD驅(qū)動(dòng)電流和激光腔的溫度可準(zhǔn)確感知?？傊壳暗亩O管激光器的調(diào)諧技術(shù)在調(diào)諧范圍、調(diào)諧時(shí)間以及技術(shù)方案的復(fù) 雜性等方面存在較大的不足，無法滿足應(yīng)用中的需求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種激光二極管快速溫度調(diào)諧 的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)方法與裝置。本發(fā)明的一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，在于給激光二極 管組件中的熱電制冷器施加周期性的電流，實(shí)現(xiàn)激光器溫度的快速掃描；通過感測(cè)激光二 極管組件中熱敏電阻NTC兩端的電壓值，得到實(shí)時(shí)的電阻值，將電阻值轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的熱敏 電阻溫度值，通過熱敏電阻上的溫度變化速率計(jì)算出溫度補(bǔ)償值，然后得到激光腔的預(yù)估 溫度；利用已知的激光二極管調(diào)諧傳遞函數(shù)，根據(jù)公式λ (t) =FA(i(t)，T(t))，得到激光 器的實(shí)時(shí)輸出波長。激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，步驟如下
1)給二極管激光器組件中的激光二極管LD施加一定的驅(qū)動(dòng)電流；
2)給二極管激光器組件中的熱電制冷器件TEC施加一個(gè)周期性的驅(qū)動(dòng)電流，所述周期性 驅(qū)動(dòng)電流包拈掃描階段和平衡階段，由以下4個(gè)階段組成 (1):ιΗ向掃描階段給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較人的負(fù)向電流I1,持續(xù)時(shí)間為((Kt1
)；
(2)平衡階段1:給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較小的電流12，持續(xù)時(shí)間為(ti-tz)；
(3)反向掃描階段給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)勹(1)反向的較人電流13，持續(xù)時(shí)間 為(t2-t3)；
(4)平衡階段2:給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較小的電流14，持續(xù)時(shí)間為(t3-t4)；
3)在:ιΗ向掃描階段(1)和反向掃描階段(3)分別測(cè)S激光二極管組件中NTC熱敏電阻 的電阻值，并由NTCiU阻值得到NTC溫度測(cè)S值；
4)計(jì)算掃描階段的溫度變化率，根據(jù)溫度變化率，預(yù)估激光腔々NTC熱敏電阻的溫度滯 后S，并給出激光腔的溫度預(yù)估值；
5)由先驗(yàn)的激光二極管LD調(diào)諧傳遞函數(shù)，根據(jù)LD驅(qū)動(dòng)電流和預(yù)估的激光腔溫度值，辨識(shí) 掃描過程中的動(dòng)態(tài)波長。提出的給熱電制冷器件TEC施加周期性的驅(qū)動(dòng)電流，所述周期性是指一個(gè)掃描周 期包括掃描階段和平衡階段，一個(gè)掃描周期包括一個(gè)或兩個(gè)以上掃描階段和一個(gè)或兩個(gè)以 上平衡階段。所述的負(fù)向電流I1為TEC額定電流的(0. 6-1)倍；持續(xù)時(shí)間、的確定是以不超過 激光器的最大工作溫度為原則。電流I2 STEC額定電流的(0-0.3)倍。持續(xù)時(shí)間、是以 不超過激光器的最低工作溫度為原則。電流I3在數(shù)值上可以與I1相同，也可以不同；電流 I4在數(shù)值上可以與I2相同，也可以不同。一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的裝置，激光二極管組件1中的二 極管激光器LD3與LD電流驅(qū)動(dòng)器5連接、熱敏電阻NTC4與前置放大器6連接、熱電制冷器 件2與TEC電流驅(qū)動(dòng)器8連接，前置放大器6與AD轉(zhuǎn)換器7連接，LD電流驅(qū)動(dòng)器5、AD轉(zhuǎn) 換器7和TEC電流驅(qū)動(dòng)器8均接入計(jì)算機(jī)9。所述的LD電流驅(qū)動(dòng)器5是提供給激光二極管一個(gè)高于其閾值電流的注入電流，使 其發(fā)光，或通過LD電流驅(qū)動(dòng)器5對(duì)激光二極管進(jìn)行所需要的電流調(diào)制。施加到LD的驅(qū)動(dòng)電流的波形沒有限定，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流大小的要求是大于激光器的 閾值電流、并小于激光器的最大允許電流。所述的TEC電流驅(qū)動(dòng)器8是提供給熱電制冷器2 —個(gè)電流，電流的正負(fù)決定著其 制冷或制熱，電流絕對(duì)值的大小決定著制冷或制熱的速度。具體說明如下本發(fā)明是一種對(duì)激光二極管的快速溫度調(diào)諧的裝置，激光二極管組件1中的激光 二極管3與LD電流驅(qū)動(dòng)器5連接，LD電流驅(qū)動(dòng)器5的作用是提供給激光二極管一個(gè)高于其閾值電流的注入電流，使其發(fā)光，也可以通過5對(duì)激光二極管進(jìn)行所需要的電流調(diào)制；NTC熱敏電阻4與前置放大器6連接，前置放大器6與AD轉(zhuǎn)換器7連接，NTC熱敏電阻4的兩端 電壓信號(hào)經(jīng)前置放大器放大6放大后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)9后根 據(jù)本發(fā)明提出的波長辨識(shí)方法處理得到激光二極管的輻射波長；熱電制冷器件2與TEC電 流驅(qū)動(dòng)器8連接，TEC電流驅(qū)動(dòng)器8的作用是提供給熱電制冷器2 —個(gè)電流，電流的正負(fù)決 定著其制冷或制熱，電流絕對(duì)值的大小決定著制冷或制熱的速度；計(jì)算機(jī)(或單片機(jī))9分 別與LD電流驅(qū)動(dòng)器5、AD轉(zhuǎn)換器7、TEC電流驅(qū)動(dòng)器8連接，計(jì)算機(jī)9用來控制LD電流驅(qū)動(dòng) 器5驅(qū)動(dòng)電流的大小及波形和TEC電流驅(qū)動(dòng)器8驅(qū)動(dòng)電流的大小和波形，并處理和保存AD 轉(zhuǎn)換器7傳送過來的數(shù)據(jù)。所述的一種激光二極管快速溫度調(diào)諧裝置的工作過程為，計(jì)算機(jī)9設(shè)置LD3和 TEC2的驅(qū)動(dòng)電流，對(duì)激光二極管組件的溫度進(jìn)行快速掃描，由NTC4感測(cè)激光二極管組件的 溫度，并經(jīng)放大、AD轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，送入到計(jì)算機(jī)9，通過NTC溫度預(yù)估激光腔的溫度，并 結(jié)合LD的驅(qū)動(dòng)電流，辨識(shí)實(shí)時(shí)的激光輸出波長。本發(fā)明的一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，通過給激光二極 管組件中的TEC施加周期性的電流，實(shí)現(xiàn)激光器溫度的快速掃描，并在快速溫度掃描過程 中，辨識(shí)動(dòng)態(tài)的激光器輸出波長。由如下過程和步驟組成1)給激光二極管組件中的LD施加一定的電流或調(diào)制電流，該電流值是已知的或 可以直接檢測(cè)的；2)給激光二極管組件中的TEC施加一個(gè)周期性的驅(qū)動(dòng)電流，所述周期性驅(qū)動(dòng)電流 包括掃描階段和平衡階段，由以下4個(gè)階段組成a)正向掃描階段給激光二極管組件中的TEC施加一個(gè)較大(一般TEC額定電流 的(0.6-1)倍)的負(fù)向電流I1，持續(xù)時(shí)間為(0-、)，、的確定是以不超過激光器的最大工作 溫度為原則；b)平衡階段1 給激光二極管組件中的TEC施加一個(gè)與1同向的較小電流I2 ( 一 般為TEC額定電流的(0-0. 3)倍)，持續(xù)時(shí)間為(tft2)，目的是使激光腔的溫度和NTC溫度 快速達(dá)到平衡；c)反向掃描階段給激光二極管組件中的TEC施加一個(gè)與(a)反向的較大電流13， 其數(shù)值大小可與I1不同，也可相同，持續(xù)時(shí)間為(t2_t3)，、的確定是以不超過激光器的最 小工作溫度為原則；d)平衡階段2 給激光二極管組件中的TEC施加一個(gè)與(c)同向的較小電流I4，持 續(xù)時(shí)間為(t3_t4)，目的是使激光腔的溫度和NTC溫度快速達(dá)到平衡；在掃描階段，給TEC施加的較大的驅(qū)動(dòng)電流可以使激光二極管組件的溫度快速變 化，從而實(shí)現(xiàn)波長的快速調(diào)諧；在平衡階段，給TEC施加的較小的驅(qū)動(dòng)電流可以使激光二極 管組件的溫度快速實(shí)現(xiàn)熱平衡，也就是說，使激光腔的溫度與NTC的溫度值相同。TEC的驅(qū)動(dòng)電流完成一個(gè)周期后，激光器的溫度回到初始點(diǎn)，并處于熱平衡狀態(tài)， 這時(shí)NTC的溫度值準(zhǔn)確反映激光腔的溫度，熱平衡點(diǎn)是溫度預(yù)測(cè)的起始點(diǎn)。3)在正向掃描階段⑴和反向掃描階段(3)分別測(cè)量激光二極管組件中NTC的電 阻值，并由NTC電阻值得到NTC溫度測(cè)量值；NTC的電阻值可以采用公知的技術(shù)(比如歐姆 定律)測(cè)量獲得，將電阻值轉(zhuǎn)換得到待測(cè)溫度值T。(t)，可以采用以下兩種方式之一得到
①通過NTC的“電阻-溫度特征曲線(R-T)，，的方法；②根據(jù)如下的Steinhart-Hart方程計(jì)算
鞏沖T足外氏溫標(biāo)的絕對(duì)溫度，R足熱敏電阻的歐姆電阻值，參數(shù)C1, C2, C3足熱敏電阻的 常S參數(shù)。
4)通過掃描階段的溫度值，計(jì)算溫度的變化率e: β =dT/dt (B)
根據(jù)溫度變化率e，按照一階慣性系統(tǒng)的特性，預(yù)估NTC相對(duì)于激光腔的溫度滯后S Δ T(t)
扎中，&為溫度變化速率閾值。
從而得到激光腔的溫度預(yù)估值T (t)； T(t) = Tc(t)+AT(t)(D)
5)根據(jù)預(yù)估的激光腔溫度和LD驅(qū)動(dòng)電流值，由先驗(yàn)的LD調(diào)諧傳遞函數(shù)，如下所示
A(I) = FMWij)(E)
通過式(E)可以辨識(shí)掃描過程中的動(dòng)態(tài)波長。所述先驗(yàn)的LD調(diào)諧傳遞函數(shù)可以由激光二 極管的生產(chǎn)廠商提供，也可以通過公知的實(shí)驗(yàn)方法測(cè)S得到。
木發(fā)明的主要特點(diǎn)在于上述激光一.極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)方法足給激光一. 極管組件中的TEC施加較人的驅(qū)動(dòng)電流，從而實(shí)現(xiàn)溫度的快速掃描；
以激光二極管組件中的NTC感測(cè)溫度，基于溫度的變化速率來預(yù)估激光腔相對(duì)NTC的溫度 滯后S。因而，這足一個(gè)!J卩環(huán)系統(tǒng)；從本質(zhì)上講，激光腔相對(duì)NTC的溫度滯后量與多個(gè)物理量有關(guān)系，其中包括TEC 驅(qū)動(dòng)電流、環(huán)境溫度、激光器組件封裝形式以及器件離散性等，并存在著極為復(fù)雜的數(shù)學(xué)關(guān)系。本發(fā)明以溫度變化速率預(yù)估激光腔相對(duì)NTC的溫度滯后量，這種方法不依賴于 TEC驅(qū)動(dòng)電流的大小、不受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。實(shí)際上，從系統(tǒng)論角度，所有因素的影響都 已經(jīng)體現(xiàn)到溫度變化速率上了，是更為科學(xué)的表述形式。本發(fā)明將傳統(tǒng)意義上的高精度溫度控制，代之以開環(huán)驅(qū)動(dòng)、先進(jìn)算法的在線辨識(shí)， 簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。本發(fā)明可以大幅度的提高溫度調(diào)諧的速率；可以在線的給出溫度快速調(diào)諧過程中 的動(dòng)態(tài)波長，對(duì)波長的辨識(shí)精度經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)可以在Pm量級(jí)。
總之，本發(fā)明的激光二極管調(diào)諧方法和裝置，同時(shí)具備快速、范圍大、動(dòng)態(tài)波長可 知的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)裝置的結(jié)構(gòu)簡單、成本低。


圖1 是本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖；圖2a 為本發(fā)明的TEC驅(qū)動(dòng)電流波形；圖2b 為本發(fā)明溫度變化的波形圖；圖3 為本發(fā)明的波長辨識(shí)的流程圖。具體實(shí)施實(shí)例現(xiàn)通過附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)一步說明如下如圖1所示，本發(fā)明是一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的裝置，激光二極管組件1中 的激光二極管3與LD電流驅(qū)動(dòng)器5連接，5的作用是提供給激光二極管一個(gè)高于其閾值電 流的注入電流，使其發(fā)光，也可以通過5對(duì)激光二極管進(jìn)行所需要的電流調(diào)制；NTC熱敏電 阻4與前置放大器6連接，前置放大器6與AD轉(zhuǎn)換器7連接，NTC熱敏電阻4的兩端電壓 信號(hào)經(jīng)前置放大器放大6放大后經(jīng)AD轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)9后根據(jù)本 發(fā)明提出的波長辨識(shí)方法處理得到激光二極管的輻射波長；熱電制冷器件2與TEC電流驅(qū) 動(dòng)器8連接，TEC電流驅(qū)動(dòng)器8的作用是提供給熱電制冷器2 —個(gè)電流，電流的正負(fù)決定著 其制冷或制熱，電流絕對(duì)值的大小決定著制冷(或制熱)的速度；計(jì)算機(jī)(或單片機(jī))9分 別與LD電流驅(qū)動(dòng)器5、AD轉(zhuǎn)換器7、TEC電流驅(qū)動(dòng)器8連接，計(jì)算機(jī)9用來控制LD電流驅(qū)動(dòng) 器5驅(qū)動(dòng)電流的大小及波形和TEC電流驅(qū)動(dòng)器8驅(qū)動(dòng)電流的大小和波形，并處理和保存AD 轉(zhuǎn)換器7傳送過來的數(shù)據(jù)。激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法步驟如下1)給二極管激光器組件中的激光二極管LD施加一定的驅(qū)動(dòng)電流； 2)給二極管激光器組件中的熱電制冷器件TEC施加一個(gè)周期性的驅(qū)動(dòng)電流，所述 周期性驅(qū)動(dòng)電流包括掃描階段和平衡階段，由以下4個(gè)階段組成(1)正向掃描階段給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較大的負(fù)向電流I1，持續(xù)時(shí)間為 (0-、)；(2)平衡階段1 給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較小的電流I2，持續(xù)時(shí)間為 (Vt2)；(3)反向掃描階段給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)與(1)反向的較大電流13，持續(xù) 時(shí)間為(t2-t3)；(4)平衡階段2 給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較小的電流14，持續(xù)時(shí)間為 (Vt4)； 3)在正向掃描階段(1)和反向掃描階段(3)分別測(cè)量激光二極管組件中NTC熱敏 電阻的電阻值，并由NTC電阻值得到NTC溫度測(cè)量值；4)計(jì)算掃描階段的溫度變化率，根據(jù)溫度變化率，預(yù)估激光腔與NTC熱敏電阻的 溫度滯后量，并給出激光腔的溫度預(yù)估值；5)由先驗(yàn)的激光二極管LD調(diào)諧傳遞函數(shù)，根據(jù)LD驅(qū)動(dòng)電流和預(yù)估的激光腔溫度 值，辨識(shí)掃描過程中的動(dòng)態(tài)波長。
計(jì)算機(jī)9設(shè)置的LD驅(qū)動(dòng)電流通過LD電流驅(qū)動(dòng)器5施加到激光二極管組件1中的 激光二極管3，計(jì)算機(jī)9設(shè)置的TEC驅(qū)動(dòng)電流通過TEC電流驅(qū)動(dòng)器8施加到激光二極管器件 1中的熱電制冷器件2，熱敏電阻4感測(cè)到的溫度經(jīng)前置放大器6放大、AD轉(zhuǎn)換器7轉(zhuǎn)換為 數(shù)字信號(hào)送入到計(jì)算機(jī)9。如圖2a為本發(fā)明的一個(gè)周期的TEC驅(qū)動(dòng)電流波形10，計(jì)算機(jī)9通過TEC電流驅(qū)動(dòng) 器8給TEC2施加一個(gè)較大的負(fù)向電流(I1)，使激光二極管組件的溫度快速升高(T1 — T2)， 經(jīng)歷一段時(shí)間(0-、)后，將TEC驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為較小的負(fù)向電流(12)，使激光二極管組件 快速達(dá)到熱平衡，經(jīng)歷一段時(shí)間(trt2)后，將TEC驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置為較大的正向電流(I3)，使 激光二極管組件的溫度快速降低(T2 —T1),經(jīng)歷一段時(shí)間(t2-t3)后，將TEC驅(qū)動(dòng)電流設(shè)置 為較小的正向電流(I4)，經(jīng)歷一段時(shí)間(t3-t4)，使激光二極管組件快速達(dá)到熱平衡。 在周期性的TEC電流掃描過程中，熱敏電阻4實(shí)時(shí)感測(cè)溫度，如圖2b所示的一個(gè) 周期NTC溫度波形11。在溫度快速掃描過程中，激光腔的溫度滯后于NTC感測(cè)溫度值，如圖 2b所示的一個(gè)周期的激光腔預(yù)估溫度波形12。本發(fā)明對(duì)施加到LD的驅(qū)動(dòng)電流的波形沒有任何限定，可以是恒定的直流、正弦調(diào) 制信號(hào)、鋸齒波調(diào)制信號(hào)、方波調(diào)制信號(hào)、正弦與鋸齒波雙調(diào)制信號(hào)等，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流大小的 要求是大于激光器的閾值電流、并小于激光器的最大允許電流。如圖3所示，是本發(fā)明的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的流程圖，NTC4上的電壓經(jīng)放大、AD轉(zhuǎn)換后 送到計(jì)算機(jī)9，基于公知的計(jì)算方法得到實(shí)時(shí)的電阻值，再將電阻值轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的NTC溫度 值，通過NTC上的溫度變化速率由式(D)計(jì)算激光腔的預(yù)估溫度；利用先驗(yàn)的LD調(diào)諧傳遞 函數(shù)，將實(shí)時(shí)的LD電流值和激光腔預(yù)估溫度值代入式(E)計(jì)算，可以計(jì)算激光器的實(shí)時(shí)輸 出波長。給熱電制冷器件TEC施加周期性的驅(qū)動(dòng)電流，周期性是指一個(gè)掃描周期包括掃描 階段和平衡階段，一個(gè)掃描周期包括一個(gè)或兩個(gè)以上掃描階段和一個(gè)或兩個(gè)以上平衡階 段。負(fù)向電流I1為TEC額定電流的(0. 6-1)倍；持續(xù)時(shí)間、的確定是以不超過激光器 的最大工作溫度為原則。電流I2 STEC額定電流的(0-0.3)倍。持續(xù)時(shí)間、是以不超過 激光器的最小工作溫度為原則。LD電流驅(qū)動(dòng)器5是提供給激光二極管一個(gè)高于其閾值電流的注入電流，使其發(fā) 光，或通過5對(duì)激光二極管進(jìn)行所需要的電流調(diào)制。施加到LD的驅(qū)動(dòng)電流的波形沒有限定， 對(duì)驅(qū)動(dòng)電流大小的要求是大于激光器的閾值電流、并小于激光器的最大允許電流。TEC電流驅(qū)動(dòng)器8是提供給熱電制冷器TEC2 —個(gè)電流，電流的正負(fù)決定著其制冷 或制熱，電流絕對(duì)值的大小決定著制冷或制熱的速度。如采用DFB激光二極管，其型號(hào)為FOLl 5DDBA-A31，允許的最大TEC電流為 士 1. 6A。當(dāng)=I1= -IA ；I2 = -0. IA ；I3 = IA ；I4 = 0. 1A，調(diào)諧時(shí)間、=3. 4s 時(shí)，調(diào)諧范圍 可達(dá)4nm,波長辨識(shí)偏差小于5pm。本發(fā)明公開和提出的激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)方法與裝置，本領(lǐng) 域技術(shù)人員可通過借鑒本文內(nèi)容，適當(dāng)改變和數(shù)據(jù)處理方法即可實(shí)現(xiàn)。特別需要指出的是，所有相類似的替換和改動(dòng)對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的，他們都被視為包括在本發(fā) 明精神、范圍和內(nèi)容中。
權(quán)利要求
一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，其特征在于給激光二極管組件中的熱電制冷器施加周期性的電流，實(shí)現(xiàn)激光器溫度的快速掃描；通過感測(cè)激光二極管組件中的NTC熱敏電阻兩端的電壓值，得到實(shí)時(shí)的電阻值，將電阻值轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的熱敏電阻溫度值，通過熱敏電阻上的溫度變化速率計(jì)算出溫度補(bǔ)償值，然后得到激光腔的預(yù)估溫度；利用已知的激光二極管調(diào)諧傳遞函數(shù)，根據(jù)公式λ(t)＝Fλ(i(t)，T(t))，得到激光器的實(shí)時(shí)輸出波長。
2.如權(quán)利要求1所述的一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，其特征 在于步驟如下1)給二極管激光器組件中的激光二極管LD施加一定的驅(qū)動(dòng)電流；2)給二極管激光器組件中的熱電制冷器件TEC施加一個(gè)周期性的驅(qū)動(dòng)電流，所述周期 性驅(qū)動(dòng)電流包括掃描階段和平衡階段，由以下4個(gè)階段組成(1)正向掃描階段給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較大的負(fù)向電流II，持續(xù)時(shí)間為 (0-tl)；(2)平衡階段1給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較小的電流12，持續(xù)時(shí)間為(tl-t2)；(3)反向掃描階段給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)與(1)反向的較大電流13，持續(xù)時(shí)間 為(t2-t3)；(4)平衡階段2:給熱電制冷器件TEC施加一個(gè)較小的電流14，持續(xù)時(shí)間為(t3-t4)；3)在正向掃描階段(1)和反向掃描階段(3)分別測(cè)量激光二極管組件中NTC熱敏電阻 的電阻值，并由NTC電阻值得到NTC溫度測(cè)量值；4)計(jì)算掃描階段的溫度變化率，根據(jù)溫度變化率，預(yù)估激光腔與NTC熱敏電阻的溫度 滯后量，并給出激光腔的溫度預(yù)估值；5)由先驗(yàn)的激光二極管LD調(diào)諧傳遞函數(shù)，根據(jù)LD驅(qū)動(dòng)電流和預(yù)估的激光腔溫度值，辨 識(shí)掃描過程中的動(dòng)態(tài)波長。
3.如權(quán)利要求1或2所述的激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)方法，其特征在 于給熱電制冷器件TEC施加周期性的驅(qū)動(dòng)電流，所述周期性是指一個(gè)掃描周期包括掃描階 段和平衡階段，一個(gè)掃描周期包括一個(gè)或兩個(gè)以上掃描階段和一個(gè)或兩個(gè)以上平衡階段。
4.如權(quán)利要求2所述的一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，其特征 在于所述的負(fù)向電流II為TEC額定電流的(0. 6-1)倍；持續(xù)時(shí)間tl的確定是以不超過激 光器的最大工作溫度為原則。
5.如權(quán)利要求2所述的一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，其特征 在于所述的電流12為TEC額定電流的(0-0. 3)倍。
6.如權(quán)利要求2所述的一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的方法，其特征 在于所述的持續(xù)時(shí)間t3是以不超過激光器的最低工作溫度為原則。
7.一種激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的裝置，其特征是激光二極管組件 (1)中的二極管激光器LD(3)與LD電流驅(qū)動(dòng)器(5)連接、熱敏電阻NTC(4)與前置放大器(6)連接、熱電制冷器件TEC(2)與TEC電流驅(qū)動(dòng)器(8)連接，前置放大器(6)與AD轉(zhuǎn)換器(7)連接，LD電流驅(qū)動(dòng)器(5)、AD轉(zhuǎn)換器(7)和TEC電流驅(qū)動(dòng)器⑶均接入計(jì)算機(jī)(9)。
8.如權(quán)利要求7的激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的裝置，其特征是所述的 LD電流驅(qū)動(dòng)器(5)是提供給激光二極管一個(gè)高于其閾值電流的注入電流，使其發(fā)光，或通過(5)對(duì)激光二極管進(jìn)行所需要的電流調(diào)制。
9.如權(quán)利要求8的激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的裝置，其特征是施加到 LD的驅(qū)動(dòng)電流的波形沒有限定，對(duì)驅(qū)動(dòng)電流大小的要求是大于激光器的閾值電流、并小 于激光器的最大允許電流。
10.如權(quán)利要求7的激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)的裝置，其特征是所述 的TEC電流驅(qū)動(dòng)器(8)是提供給熱電制冷器TEC (2) —個(gè)電流，電流的正負(fù)決定著其制冷或 制熱，電流絕對(duì)值的大小決定著制冷或制熱的速度。
全文摘要
本發(fā)明涉及激光二極管快速溫度調(diào)諧的動(dòng)態(tài)波長辨識(shí)方法與裝置，給激光二極管組件中的熱電制冷器施加周期性的電流，實(shí)現(xiàn)激光器溫度的快速掃描；通過感測(cè)激光二極管組件中的NTC熱敏電阻兩端的電壓值，得到實(shí)時(shí)的電阻值，將電阻值轉(zhuǎn)換為實(shí)時(shí)的熱敏電阻溫度值，通過熱敏電阻上的溫度變化速率計(jì)算出溫度補(bǔ)償值，然后得到激光腔的預(yù)估溫度；利用已知的激光二極管調(diào)諧傳遞函數(shù)，根據(jù)公式λ(t)＝Fλ(i(t)、T(t))，得到激光器的實(shí)時(shí)輸出波長。以開環(huán)驅(qū)動(dòng)、先進(jìn)算法的在線辨識(shí)，簡化了系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)，降低了系統(tǒng)成本。大幅度的提高溫度調(diào)諧的速率；可以在線的給出溫度快速調(diào)諧過程中的動(dòng)態(tài)波長，對(duì)波長的辨識(shí)精度經(jīng)實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)可以在pm量級(jí)，并且不受環(huán)境溫度波動(dòng)的影響。
文檔編號(hào)G01J9/00GK101841128SQ200910312829
公開日2010年9月22日 申請(qǐng)日期2009年12月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月30日
發(fā)明者李金義, 杜振輝 申請(qǐng)人:天津大學(xué)