專利名稱：一種量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于電子技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種產(chǎn)生精確可調(diào)窄脈沖信號(hào)的量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)的驅(qū)動(dòng)電路及溫度可調(diào)的溫度控制電路。
背景技術(shù)：
量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)是基于電子在半導(dǎo)體量子阱中導(dǎo)帶子帶間躍遷和聲子輔助共振隧穿原理的新型單極半導(dǎo)體器件。不同于傳統(tǒng)p-n結(jié)型半導(dǎo)體激光器的電子-空穴復(fù)合受激輻射機(jī)制，QCL受激輻射過程只有電子參與，激射波長的選擇可通過有源區(qū)的勢阱和勢壘的能帶裁剪實(shí)現(xiàn)。它是氣體監(jiān)測和自由空間通信的理想光源。在紅外通信、遠(yuǎn)距離探測、大氣污染監(jiān)控、工業(yè)煙塵分析、化學(xué)過程監(jiān)測、分子光譜研究、無損傷醫(yī)學(xué)診斷等方面具有很廣泛的應(yīng)用前景。QCL的激射方案是利用垂直于納米級(jí)厚度的半導(dǎo)體異質(zhì)結(jié)薄層內(nèi)由量子限制效應(yīng)引起的分離電子態(tài)，在這些激發(fā)態(tài)之間產(chǎn)生粒子數(shù)反轉(zhuǎn)，該激光器的有源區(qū)是由耦合量子阱的多級(jí)串接組成(通常大于500層)而實(shí)現(xiàn)單電子注入的多光子輸出。QCL的驅(qū)動(dòng)方式有兩種:一種是恒流驅(qū)動(dòng)方式，另一種是脈寬調(diào)制(PWM)驅(qū)動(dòng)方式。恒流驅(qū)動(dòng)方式只需要保證流過激光器的電流恒定，就能使得激光器能很好、有效的工作，在市場上已經(jīng)有大量的專門用于激光器的恒流驅(qū)動(dòng)電源出現(xiàn)；此種驅(qū)動(dòng)方式的電源利用效率太低，絕大部分的電能都消耗在激光器的內(nèi)阻上，造成能量的極大浪費(fèi)，而且需要設(shè)計(jì)較大功率的散熱設(shè)備才能使得激光器能夠長時(shí)間的穩(wěn)定工作，這樣使得QCL的驅(qū)動(dòng)設(shè)備體積變得比較龐大。PWM驅(qū)動(dòng)方式工作的QCL激光器，一般來說其工作頻率在IOKHz左右，高脈沖時(shí)間在幾十ns到2us之間，其工作脈沖占工作周期的2%以下，在能源利用率方面比恒流工作的QCL要高得多，而且由于PWM驅(qū)動(dòng)方式工作的QCL產(chǎn)生的熱能遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于恒流工作的QCL，在QCL工作溫度控制方面，要容易得多，不需要非常大功率的散熱器就能保證激光器在穩(wěn)定的溫度環(huán)境下工作，其有效工作時(shí)間會(huì)大大的延長?，F(xiàn)有的QCL的一種PWM驅(qū)動(dòng)方式中，采用了傳統(tǒng)的三端可調(diào)穩(wěn)壓輸出電路模塊(如圖2所示)，其輸出電壓通過調(diào)整可變電阻R2的阻值大小來獲得，其輸出電壓表達(dá)式為Vout=L 25(1+ / )+^.-R2,即節(jié)點(diǎn)221的電壓是節(jié)點(diǎn)222的電壓加上1.25V,由于IAdJ的值非常小，通?？梢院雎裕瘦敵鲭妷篤out表達(dá)式可簡寫為Vout=L 25 (1+ / )，通過調(diào)整R2的阻值獲得想要的輸出電壓，傳統(tǒng)的三端穩(wěn)壓芯片多數(shù)為降壓調(diào)節(jié)，即要求輸出電壓Vout低于輸入電壓Vin。由于傳統(tǒng)的三端可調(diào)穩(wěn)壓輸出電路模塊采用的是精度較低、體積較大的可變電阻，使得輸出電壓Vout的精度較低、不能滿足高精度的應(yīng)用需求。
發(fā)明內(nèi)容針對(duì)現(xiàn)有量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)驅(qū)動(dòng)電路所存在的技術(shù)問題，本實(shí)用新型提供一種量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，該驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路具有工作電壓可調(diào)、PWM脈沖寬度較小且精確可調(diào)，同時(shí)具有工作溫度可控的特點(diǎn)，采用該驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，可使QCL激光器得到較穩(wěn)定的激光波長，并能夠長時(shí)間，高效率地工作。[0006]本實(shí)用新型技術(shù)方案如下:—種量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路(如圖1所示)，用于向量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)提供精確可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)電壓并精確控制量子級(jí)聯(lián)激光器的工作環(huán)境溫度，包括一個(gè)單片機(jī)、一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓源、一個(gè)溫度控制模塊、一個(gè)PWM控制模塊和一個(gè)負(fù)載保護(hù)模塊。所述單片機(jī)用于設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器的工作環(huán)境溫度，設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器工作頻率，設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器工作脈沖寬度，調(diào)整可調(diào)穩(wěn)壓源輸出電壓值，同時(shí)監(jiān)視激光器的工作狀態(tài)，在工作電流過大時(shí)及時(shí)關(guān)斷主電路；所述可調(diào)穩(wěn)壓源用于產(chǎn)生量子級(jí)聯(lián)激光器所需工作電壓；所述PWM控制模塊用于精確控制量子級(jí)聯(lián)激光器導(dǎo)通時(shí)間以改變流過激光器負(fù)載的平均電流；所述溫度控制模塊包括溫度探測、加熱和降溫部分，用于保證激光器在恒定的溫度下工作；所述負(fù)載保護(hù)模塊用于保證量子級(jí)聯(lián)激光器的正常工作。本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，采用單片機(jī)對(duì)量子級(jí)聯(lián)激光器工作電流電壓驚醒智能調(diào)節(jié)控制，適用于各種脈沖電流幅值不大于3A的窄脈沖激光器。采用本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，可使量子級(jí)聯(lián)激光器工作電壓與脈沖寬度、工作頻率都可以方便及時(shí)的調(diào)節(jié)，并能保證激光器在設(shè)定的溫度下工作，在長時(shí)間工作狀態(tài)下的量子級(jí)聯(lián)激光器能夠穩(wěn)定地有效地工作。比較于現(xiàn)有的量子級(jí)聯(lián)激光器PWM驅(qū)動(dòng)電路，本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路具有良好的窄脈沖特性，輸出電壓及時(shí)可調(diào)，工作頻率、脈沖寬度精確可調(diào)，隨工作時(shí)間延長，量子級(jí)聯(lián)激光器特性改變小等優(yōu)勢。

圖1是本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是傳統(tǒng)的三端穩(wěn)壓輸出電路示意圖。圖3所示為現(xiàn)有的一種可調(diào)升壓穩(wěn)壓輸出電路模塊。圖4是本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路中可調(diào)穩(wěn)壓源的電路圖。圖5是本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路中PWM控制模塊及負(fù)載保護(hù)模塊電路圖。圖6是本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路中溫度控制模塊電路圖。
具體實(shí)施方式
一種量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路(如圖1所示)，用于向量子級(jí)聯(lián)激光器(QCL)提供精確可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)電壓并精確控制量子級(jí)聯(lián)激光器的工作環(huán)境溫度，包括一個(gè)單片機(jī)、一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓源、一個(gè)溫度控制模塊、一個(gè)PWM控制模塊和一個(gè)負(fù)載保護(hù)模塊。所述單片機(jī)用于設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器的工作環(huán)境溫度，設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器工作頻率，設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器工作脈沖寬度，調(diào)整可調(diào)穩(wěn)壓源輸出電壓值，同時(shí)監(jiān)視激光器的工作狀態(tài)，在工作電流過大時(shí)及時(shí)關(guān)斷主電路；所述可調(diào)穩(wěn)壓源用于產(chǎn)生量子級(jí)聯(lián)激光器所需工作電壓；所述PWM控制模塊用于精確控制量子級(jí)聯(lián)激光器導(dǎo)通時(shí)間以改變流過激光器負(fù)載的平均電流；所述溫度控制模塊包括溫度探測、加熱和降溫部分，用于保證激光器在恒定的溫度下工作；所述負(fù)載保護(hù)模塊用于保證量子級(jí)聯(lián)激光器的正常工作。圖3所示為現(xiàn)有的一種可調(diào)升壓穩(wěn)壓輸出電路模塊，其輸出電壓表達(dá)式為Vcc=L 23(1+R4R3)，R3的阻值一般取IOK以上，為某個(gè)固定值，通過調(diào)整R4的阻值獲得想要的輸出電壓。此類開關(guān)型升壓穩(wěn)壓電路具有較低的工作電壓，輸入電壓范圍較大，電源輸出節(jié)點(diǎn)由于有較大電容濾波，輸出電壓較穩(wěn)定，且有非常高的轉(zhuǎn)換效率。但由于其采用的可調(diào)電阻R4為普通的電位器，其輸出精度有限，不能獲得精確的輸出電壓Vcc。圖4所示為本實(shí)用新型提供的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路中可調(diào)穩(wěn)壓源的具體電路結(jié)構(gòu)。該可調(diào)穩(wěn)壓源包括升壓型開關(guān)電源芯片U1、數(shù)控電位器U2、偏置電阻R4、分壓電阻R3以及相關(guān)的儲(chǔ)能電感L1、二極管D1、穩(wěn)壓管D2、濾波電容Cl、C2、C3、限流電阻R1、R2。輸入電壓信號(hào)Vin —方面通過儲(chǔ)能電感LI接開關(guān)電源芯片Ul的LX端，另一方面通過第一限流電阻Rl接開關(guān)電源芯片Ul的Ncc端；第二限流電阻R2與第二濾波電容C2串聯(lián)后與第一濾波電容Cl并聯(lián)，再連接到開關(guān)電源芯片Ul的Vcc端和GND端之間；穩(wěn)壓管D2的正極接開關(guān)電源芯片Ul的GND端，其負(fù)極接開關(guān)電源芯片Ul的Vcc端；第二限流電阻R2與第二濾波電容C2的連接點(diǎn)接開關(guān)電源芯片Ul的CE端；開關(guān)電源芯片Ul的LX端通過整流二極管Dl連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)Vcc ;儲(chǔ)能電容C3正極連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)Vcc,負(fù)極連接到GND端；開關(guān)電源芯片Ul的FB端通過第一分壓電阻R3連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)Vcc，同時(shí)通過第二分壓電阻R4連接到數(shù)控電位器U2的RH (電阻高電勢)端；數(shù)控電位器U2的RW (滑動(dòng)輸出)端與RL (電阻低電勢)端相連后再連接到GND端；數(shù)控電位器U2的U/P (向上/向下計(jì)數(shù)使能)端，INC (計(jì)數(shù)脈沖輸入)端分別與單片機(jī)I/O端口相連。輸出電壓節(jié)點(diǎn)電壓值Vcc=L 23 (I+R3 (R4+R_))。電路中的數(shù)控電位器U2與主控制器單片機(jī)共用同一供電電路，在初始化時(shí)U2數(shù)控電位器的電阻值為50ΚΩ，則總的偏置電阻阻值為(50ΚΩ+&)，為取到合適的電壓Vcc，這里R4的電阻值取30KQ，R3電阻值取480ΚΩ。由于數(shù)控電位器U2的供電電路并不與升壓電路的輸入端相同，當(dāng)U2沒有供電或者剛初始化完成時(shí)，其阻值為最大值50ΚΩ，這時(shí)輸出電壓值Vcc僅為8.6IV。這個(gè)電壓值沒有達(dá)到QCL的閾值電壓，加在QCL上電流極小，并不能使得負(fù)載工作，這對(duì)激光器負(fù)載起到了很好的保護(hù)作用。當(dāng)通過單片機(jī)調(diào)整U2電位器阻值為其最小值4ΚΩ的時(shí)候，Vcc的電壓值達(dá)到最大為18.59V。如此考慮是為了適應(yīng)不同型號(hào)的QCL激光器，其匹配的激光器最佳工作電壓在12V — 17V間。為得到較精確的電壓，兩個(gè)電阻(R3和R4)都是精度為0.5%的溫度系數(shù)和電壓系數(shù)都比較低的碳膜電阻。本電路的穩(wěn)壓二極管D2的作用是擴(kuò)展輸入電壓Vin的值，當(dāng)輸入端Vin值波動(dòng)較大時(shí)升壓芯片Ul供電電壓VCC被鉗位在5V，保證芯片能正常工作。本實(shí)用新型中只需要通過單片機(jī)的外接按鍵設(shè)置所需的電壓使得激光器工作于恒壓模式或者通過設(shè)置電流然后根據(jù)附圖4中的電流采樣來自動(dòng)調(diào)整輸出電壓Vcc的值。圖5所示為包括PWM控制模塊、負(fù)載QCL和負(fù)載保護(hù)模塊的具體驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)示意圖，包括QCL負(fù)載、帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul、快速開關(guān)NMOS管Q1、NPN型三極管Q2、電阻Rl、R2和電容Cl以及肖特基二極管D1。圖4中所述可調(diào)穩(wěn)壓源的輸出電壓Vcc為QCL負(fù)載提供工作電壓，電容Cl和肖特基二極管Dl并聯(lián)于QCL負(fù)載兩端；快速開關(guān)NMOS管Ql的漏極接QCL負(fù)載的負(fù)極，其源極通過電阻R2與電容C2的并聯(lián)電路接地，其柵極與帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul的輸出端口相連；快速開關(guān)NMOS管Ql的漏極與電阻R2與電容C2的并聯(lián)電路的連接點(diǎn)接單片機(jī)中具有ADC功能的I/O端口 ；NPN型三極管Q2的集電極接帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul的使能端的同時(shí)通過電阻Rl接可調(diào)穩(wěn)壓源的輸出電壓Vcc，其發(fā)射極接地，其基極(EN)接單片機(jī)的常規(guī)I/O端口 ；帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul的輸入端口(IN)接單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)，其電源端接可調(diào)穩(wěn)壓源的輸出電壓Vcc，其接地端接地。當(dāng)連接到EN的單片機(jī)端口輸出高電平的時(shí)候，帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul使能端為低電平，Ul停止工作，Ql的柵極為低電平，Ql管截止，此時(shí)流過負(fù)載QCL的電流為零。當(dāng)EN為低電平時(shí)，Ul使能端為高電平，此時(shí)Ul接收PWM的電平信號(hào)并在輸出端口輸出，給Ql充電或放電。由于Ul有很強(qiáng)的驅(qū)動(dòng)能力，使得快速開關(guān)NMOS管Ql的開啟與關(guān)斷時(shí)間在IOns左右，故單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)能夠較好的在QCL出重現(xiàn)，只需要設(shè)置單片機(jī)的PWM信號(hào)，就能比較精確地控制加載在負(fù)載QCL上的脈沖寬度，本實(shí)用新型的脈沖寬度最小調(diào)整在20ns左右。信號(hào)輸出端口 VF作為負(fù)載電路的反饋，是為了對(duì)電路電流監(jiān)控和設(shè)置工作脈沖電流而設(shè)；當(dāng)負(fù)載短路，或者設(shè)置電壓過高導(dǎo)致電流過大時(shí)，電阻R2兩端的壓降VF超過單片機(jī)設(shè)置的閾值，單片機(jī)給EN端口輸出一個(gè)高電平，關(guān)斷器件Ul的使能從而關(guān)斷負(fù)載電路，當(dāng)激光器負(fù)載QCL短路時(shí)輸出電路產(chǎn)生較大的電流，這時(shí)VF電位過高亦能使單片機(jī)及時(shí)反應(yīng)失能芯片U1，達(dá)到保護(hù)電路的目的。電阻R2的取值由單片機(jī)I/O承受電壓能力及NMOS管Ql的導(dǎo)通電阻決定，采用精度較高，功率較大的電阻，其取值在ΙΟΟπιΩ左右。電容C2的選取要求是使用高頻特性較好的高頻瓷介電容。肖特基二級(jí)管Dl采用正向壓降較小的二極管，如MBRS340TR的正向壓降只有0.43V，對(duì)負(fù)載QCL的反向電壓有較好的鉗位作用，防止因電壓振蕩損壞負(fù)載激光器，同時(shí)肖特基二極管Dl反向擊穿電壓要在負(fù)載最大電壓大于20%的裕度，正向飽和電流也是一個(gè)要考慮的因素。同樣地，電容Cl選取要求和電容C2 —樣。圖6所示為溫度控制模塊，包括一片具有雙向輸出電流的TEC驅(qū)動(dòng)模塊及半導(dǎo)體制冷片TEC，TEC驅(qū)動(dòng)模塊的參考電壓端口 Ref通過分壓電阻R和熱敏電阻Rt接地，TEC驅(qū)動(dòng)模塊的電流控制端口 CTr與單片機(jī)具有DAC功能的I/O端口連接，TEC驅(qū)動(dòng)模塊的SHD端口連接到單片機(jī)的常規(guī)I/O端口，當(dāng)SHD為高電平時(shí)TEC驅(qū)動(dòng)模塊工作，半導(dǎo)體制冷片TEC給緊貼在其上面的QCL制冷或加熱，SHD為低電平時(shí)TEC驅(qū)動(dòng)模塊不工作。TEC驅(qū)動(dòng)模塊正常工作時(shí)，在Ref端口提供一個(gè)1.5V的參考電壓。TEC驅(qū)動(dòng)模塊輸出電流計(jì)算公式為I= (Vcir-Vsef) *8。當(dāng)電流控制端口 Veft電壓大于1.5V時(shí)制冷片給緊貼在QCL負(fù)載表面為QCL負(fù)載制冷；反之，當(dāng)Veft電壓小于1.5V時(shí)給QCL負(fù)載加熱。Veft電壓值由單片機(jī)的DAC端口提供。端口 SHD連接到單片機(jī)的普通I/O端口，當(dāng)SHD為高電平時(shí)TEC驅(qū)動(dòng)模塊工作，半導(dǎo)體制冷片TEC給緊貼在其上面的QCL制冷或加熱，SHD為低電平時(shí)TEC驅(qū)動(dòng)模塊不工作。直接連接在Ref上的是一個(gè)分壓電阻R (阻值5ΚΩ)，分壓電阻R通過熱敏電阻Rt連接到地端。熱敏電阻選擇為NTC型，在25°C時(shí)電阻為10ΚΩ，此時(shí)Vref的電壓為V,ef=VKef* (R/ (R+Rt)) =0.5V。當(dāng)溫度0.5°C波動(dòng)時(shí)，其阻值變化最小220歐姆，即最小變化電壓為7.29mV。通過端口 Vref接到單片機(jī)的ADC輸入端口。由于單片機(jī)的ADC精度為12位，其分辨率為0.6mV，那么單片機(jī)最高的分辨率為0.05°C。由于TEC在加熱或者制冷的時(shí)候有一個(gè)時(shí)間延遲量，本實(shí)用新型在溫度控制模塊上，在10°C到40°C間，做到±0.10C的精度，這個(gè)精度對(duì)負(fù)載QCL來說已經(jīng)完全滿足其恒溫工作的要求。[0025]在本實(shí)施方式中，當(dāng)外部設(shè)備(變壓器等)提供電源時(shí)，出于電路的穩(wěn)定性考慮有三個(gè)輸入電壓，分別給升壓電路模塊、單片機(jī)數(shù)控電位器、溫度控制模塊供電，它們是共地的。升壓電路模塊供電電壓在5V左右，單片機(jī)數(shù)控電位器供電電壓為3.3V，溫度控制模塊供電電壓為5V且能提供大于5A的電流以使能獲得較好的制冷效果。接通電源時(shí)，由于數(shù)控電位器的阻值為最大值，圖4的輸出電壓Vcc為8.61V,加載在激光器負(fù)載上的電壓由于低于激光器正常工作電壓，且由于單片機(jī)初始化時(shí)Ql處于關(guān)斷狀態(tài)，流過激光器的電流為零。從單片機(jī)設(shè)定好激光器的工作電壓(或工作電流)，設(shè)定激光器的工作頻率以及脈沖寬度，待可調(diào)穩(wěn)壓模塊輸出電壓穩(wěn)定之后，給連接在圖5中EN端口的單片機(jī)I/O 口輸出一個(gè)低電平使能控制芯片U1，負(fù)載電路開始工作。激光器工作的時(shí)候，根據(jù)設(shè)定的激光器負(fù)載工作溫度與環(huán)境溫度的比較，由程序決定是否開啟溫度控制模塊，實(shí)際使用中在很短的時(shí)間內(nèi)就能使得激光器在穩(wěn)定的溫度下工作。同時(shí)單片機(jī)的ADC端口監(jiān)視著負(fù)載電路中的電流，在設(shè)定工作電流大小時(shí)自動(dòng)調(diào)節(jié)流過激光器的電流，并能在必要的時(shí)候迅速關(guān)斷負(fù)載電路，保護(hù)激光器負(fù)載不被損壞。如圖5所示，激光器負(fù)載正常工作的高電平電壓是Vzl=Vcc-Vsat-VF。電阻 R2 的阻值在 0.1 Ω 左右，Vsat 約為 0.1V。由上所述，本實(shí)用新型驅(qū)動(dòng)電路的優(yōu)勢在于，能夠隨實(shí)時(shí)監(jiān)控負(fù)載QCL的工作狀態(tài)，能夠設(shè)定QCL工作在電壓PWM模式還是電流PWM模式，并能實(shí)時(shí)反饋加載在激光器負(fù)載上的電壓與電流，能夠使得負(fù)載在恒溫的狀態(tài)下工作，能夠在負(fù)載短路的情況下及時(shí)關(guān)斷電流保護(hù)電路板，具有較窄的脈沖寬度且可精確設(shè)定，IOOKHz以下的工作頻率隨意設(shè)定與脈沖高度在12V-17V隨意調(diào)節(jié)。由于采用多重防護(hù)，避免電壓過沖與反向電壓對(duì)激光器負(fù)載造成傷害，避免開機(jī)時(shí)產(chǎn)生的浪涌電壓造成QCL負(fù)載的擊穿等。
權(quán)利要求1.一種量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，用于向量子級(jí)聯(lián)激光器提供精確可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)電壓并精確控制量子級(jí)聯(lián)激光器的工作環(huán)境溫度，其特征在于，包括一個(gè)單片機(jī)、一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓源、一個(gè)溫度控制模塊、一個(gè)PWM控制模塊和一個(gè)負(fù)載保護(hù)模塊； 所述單片機(jī)用于設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器的工作環(huán)境溫度，設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器工作頻率，設(shè)定量子級(jí)聯(lián)激光器工作脈沖寬度，調(diào)整可調(diào)穩(wěn)壓源輸出電壓值，同時(shí)監(jiān)視激光器的工作狀態(tài)，在工作電流過大時(shí)及時(shí)關(guān)斷主電路；所述可調(diào)穩(wěn)壓源用于產(chǎn)生量子級(jí)聯(lián)激光器所需工作電壓；所述PWM控制模塊用于精確控制量子級(jí)聯(lián)激光器導(dǎo)通時(shí)間以改變流過激光器負(fù)載的平均電流；所述溫度控制模塊包括溫度探測、加熱和降溫部分，用于保證激光器在恒定的溫度下工作；所述負(fù)載保護(hù)模塊用于保證量子級(jí)聯(lián)激光器的正常工作。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，其特征在于，所述可調(diào)穩(wěn)壓源包括升壓型開關(guān)電源芯片U1、數(shù)控電位器U2、偏置電阻R4、分壓電阻R3以及相關(guān)的儲(chǔ)能電感L1、二極管Dl、穩(wěn)壓管D2、濾波電容Cl、C2、C3、限流電阻Rl、R2 ;輸入電壓信號(hào)Vin 一方面通過儲(chǔ)能電感LI接開關(guān)電源芯片Ul的LX端，另一方面通過第一限流電阻Rl接開關(guān)電源芯片Ul的Vcc端；第二限流電阻R2與第二濾波電容C2串聯(lián)后與第一濾波電容Cl并聯(lián)，再連接到開關(guān)電源芯片Ul的Vcc端和GND端之間；穩(wěn)壓管D2的正極接開關(guān)電源芯片Ul的GND端，其負(fù)極接開關(guān)電源芯片Ul的Vcc端；第二限流電阻R2與第二濾波電容C2的連接點(diǎn)接開關(guān)電源芯片Ul的CE端；開關(guān)電源芯片Ul的LX端通過整流二極管Dl連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)Vcc ;儲(chǔ)能電容C3正極連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)Vcc，負(fù)極連接到GND端；開關(guān)電源芯片Ul的FB端通過第一分壓電阻R3連接到輸出電壓節(jié)點(diǎn)Vcc，同時(shí)通過第二分壓電阻R4連接到數(shù)控電位器U2的RH端；數(shù)控電位器U2的RW端與RL端相連后再連接到GND端；數(shù)控電位器U2的U/P端，INC端分別與單片機(jī)I/O端口相連。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，其特征在于，包括PWM控制模塊、負(fù)載QCL和負(fù)載保護(hù)模塊的具體驅(qū)動(dòng)電路包括QCL負(fù)載、帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul、快速開關(guān)NMOS管Ql、NPN型三極管Q2、電阻Rl、R2和電容Cl以及肖特基二極管Dl ;可調(diào)穩(wěn)壓源的輸出電壓Vcc為QCL負(fù)載提供工作電壓，電容Cl和肖特基二極管Dl并聯(lián)于QCL負(fù)載兩端；快速開關(guān)NMOS管Ql的漏極接QCL負(fù)載的負(fù)極，其源極通過電阻R2與電容C2的并聯(lián)電路接地，其柵極與帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul的輸出端口相連；快速開關(guān)NMOS管Ql的漏極與電阻R2與電容C2的并聯(lián)電路的連接點(diǎn)接單片機(jī)中具有ADC功能的I/O端口 ；NPN型三極管Q2的集電極接帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul的使能端的同時(shí)通過電阻Rl接可調(diào)穩(wěn)壓源的輸出電壓Vcc，其發(fā)射極接地，其基極接單片機(jī)的常規(guī)I/O端口 ；帶有使能端的快速開關(guān)脈沖控制器件Ul的輸入端口接單片機(jī)輸出的PWM控制信號(hào)，其電源端接可調(diào)穩(wěn)壓源的輸出電壓Vcc，其接地端接地。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，其特征在于，溫度控制模塊包括一片具有雙向輸出電流的TEC驅(qū)動(dòng)模塊及半導(dǎo)體制冷片TEC，TEC驅(qū)動(dòng)模塊的參考電壓端口 Ref通過分壓電阻R和熱敏電阻Rt接地，TEC驅(qū)動(dòng)模塊的電流控制端口 CTr與單片機(jī)具有DAC功能的I/O端口連接，TEC驅(qū)動(dòng)模塊的SHD端口連接到單片機(jī)的常規(guī)I/O端口，當(dāng)SHD為高電平時(shí)TEC驅(qū)動(dòng)模塊工作，半導(dǎo)體制冷片TEC給緊貼在其上面的QCL制冷或加熱，SHD為低電平時(shí)TEC驅(qū)動(dòng)模塊不工作。
專利摘要一種量子級(jí)聯(lián)激光器驅(qū)動(dòng)及溫度控制電路，屬于電子技術(shù)領(lǐng)域。用于向量子級(jí)聯(lián)激光器提供精確可調(diào)的PWM驅(qū)動(dòng)電壓并精確控制量子級(jí)聯(lián)激光器的工作環(huán)境溫度，包括一個(gè)單片機(jī)、一個(gè)可調(diào)穩(wěn)壓源、一個(gè)溫度控制模塊、一個(gè)PWM控制模塊和一個(gè)負(fù)載保護(hù)模塊。本實(shí)用新型具有設(shè)計(jì)簡潔，運(yùn)用方便，能較全面的監(jiān)視激光器負(fù)載的工作狀態(tài)，具有過流保護(hù)，防高壓擊穿，脈沖寬度可調(diào)性好，脈沖最窄可達(dá)ns量級(jí)且具有可調(diào)的脈沖寬度、工作頻率，較穩(wěn)定的工作溫度，使得對(duì)環(huán)境溫度較敏感的量級(jí)級(jí)聯(lián)激光器產(chǎn)生的激光保持較恒定的光波長。
文檔編號(hào)G05D23/19GK203026790SQ20122060416
公開日2013年6月26日 申請(qǐng)日期2012年11月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月15日
發(fā)明者周偉, 李祥, 陽杰 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)