一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统技术方案

本发明专利技术公开了一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统，包括正弦信号源电路、热敏电桥电路、差分放大电路、混频器、有源低通滤波电路、A/D转换器、中央处理器、增益开关，还包括D/A转换器和TEC驱动电路模块，中央处理器与串口通信电路连接。本发明专利技术采用交流信号作为参考源，能够大大降低直流信号中低频噪声的干扰，能够更为有效地控制激光器的温度，降低激光器温度的长期漂移；采用热敏电桥电路输入，产生稳定的参考信号，能够更为有效的获得误差信号；通过中央处理器对增益开关的控制，实现了误差信号的增益系数精确自动控制，从而在实现温度精确控制的同时，有效的保护了差分放大器，延长了其使用寿命。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及温度控制
，具体涉及一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统。
技术介绍
半导体激光器作为一种新型的激光光源，因其体积小、重量轻、效率高、低功率驱动等优点，而应用于各个领域。在量子信息领域，对于离子阱系统的量子操作，需要用到窄线宽、频率稳定的激光器对离子进行冷却，但是半导体激光器受温度影响较大，表现在输出波长、阈值电流、输出功率、使用寿命等，进一步对半导体激光器的温度控制的改进显得尤为重要。半导体激光器一般由激光二极管、光电二极管、热敏电阻、热电制冷器(TEC)等构成。热敏电阻一般是一种负温度系数的电阻，是温控系统的温度探测元件，并通过外部电路实时监测激光二极管的管芯温度。TEC是一种能同进行制冷和加热的半导体器件，根据帕耳贴效应，当给TEC提供驱动电流时，TEC一面发热，另一面同时制冷，而当驱动电流反向时，冷热面互换。TEC的发热或制冷量与驱动电流密切相关，可以通过改变驱动电流大小来使TEC温度恒定。
技术实现思路
本专利技术的目的在于避免现有技术中的不足之处而提供半导体激光器数字温控系统，能够更加稳定的控制温度，降低半导体激光器输出频率的漂移及有效控制阈值电流，提高使用寿命，为囚禁离子和量子操作提供更加稳定的实验环境。本专利技术目的通过下述技术方案来实现：一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统，包括正弦信号源电路，用于产生正弦交流信号作为初始信号输入到热敏电桥电路以及混频器，还包括：热敏电桥电路，用于测量TEC温度信息并转换为差分信号输入到差分放大电路；差分放大电路，用于根据增益开关选定的增益系数对差分信号进行放大得到误差信号，并将误差信号发到混频器；混频器，用于将误差信号以及初始信号进行混频的到混频信号，并将混频信号输出到有源低通滤波电路；有源低通滤波电路，用于对混频信号进行滤波后输出滤波信号到A/D转换器；A/D转换器，用于将滤波信号转换成数字信号输入到中央处理器；中央处理器，用于根据数字信号获得差分参考信号值，将差分参考信号值与各个增益系数相乘得到各个误差参考信号，找出小于等于差分放大器的最大输出电压的误差参考信号作为备选误差参考信号，最大的备选误差参考信号对应的增益系数即为优选增益系数，将优选增益系数转换为增益倍数信号发送到增益开关；增益开关，用于根据增益倍数信号对差分放大器的增益系数进行选定。一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统，还包括D/A转换器和TEC驱动电路模块，所述的中央处理器还用于将A/D转换器输出的数字信号进行PID运算后得到温度控制信号并输出到D/A转换器，D/A转换器，用于将温度控制信号转换为温度控制模拟信号输出到TEC驱动电路模块；TEC驱动电路模块，用于根据温度控制模拟信号对TEC温度进行控制；如上所述的中央处理器与串口通信电路连接。本专利技术相对于现有技术具有以下优点：(1)采用交流信号作为参考源，能够大大降低直流信号中低频噪声的干扰，能够更为有效地控制激光器的温度，降低激光器温度的长期漂移。(2)采用热敏电桥电路输入，产生稳定的参考信号，能够更为有效的获得误差信号。(3)通过中央处理器对增益开关的控制，实现了误差信号的增益系数精确自动控制，从而在实现温度精确控制的同时，有效的保护了差分放大器，延长了其使用寿命。(4)温控电路与激光器采用分离式导线连接，可拆卸，使用更加方便，并可应用于不同频率的半导体激光器。附图说明图1为本专利技术结构框图；图2为混频器及有源低通滤波电路的实施例电路原理图；图3为增益开关与差分放大器的实施电路原理图；图4为TEC驱动电路模块的实施电路原理图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本专利技术的技术方案，但附图中的实施例不构成对本专利技术的任何限制。如图1所示，一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统，包括正弦信号源电路(可选用XR2206芯片，10KHz)、热敏电桥电路、差分放大器(可选用AD620)、混频器(可选用AD633)、有源低通滤波电路、A/D转换电路(可选用AD7712)、D/A转换电路(可选用AD5722)、中央处理器(可选用AT89S52TQFP)、增益开关(可选用ADG1611)、TEC驱动电路模块和串口通信电路。其中，正弦信号源电路产生正弦交流信号作为初始信号，初始信号经过一个热敏电桥电路，热敏电桥电路包括一个放置在激光器内部的热敏电阻、三个10KΩ的固定电阻和一个最大阻值10KΩ的可变电阻，初始信号经过热敏电桥电路后输出差分信号到差分放大器。差分放大器对差分信号进行放大后输出误差信号到混频器，误差信号与正弦信号源电路产生的初始信号都接入混频器进行混频并输出混频信号到有源低通滤波电路，混频信号可视为误差信号和初始信号的乘积，混频信号可以表示为 1 2 kf 1 f 2 c o s 2 ω t - 1 2 kf 1 f 2 ]]>其中f1为初始信号幅值，f2为误差信号幅值，ω为初始信号的频率，k为增益系数。混频信号进入有源低通滤波电路中进行滤波输出滤波信号到A/D转换器，有源低通滤波电路如图2，有源低通滤波电路包括二阶滤波电路，以及两端分别连接在二阶滤波的输入端和输出端的负反馈电路，二阶滤波电路为二阶有源滤波电路，负反馈电路是由一个OP07芯片构成的反向放大电路，能够实现更为稳定的滤波效果。经过滤波器后输出的滤波信号可以表示为： - 1 2 kf 1 f 2 ]]>滤波信号经过A/D转换器转换为数字信号输入到中央处理器中。中央处理器根据数字信号选择增益倍数信号，并将增益倍数信号输出到增益开关，增益开关根据增益倍数信号控制与差分放大器连接的增益电阻的大小，进而对差分放大器的增益系数进行控制。其中，增益开关包括若干个通断开关和一个控制端，差分放大器的增益控制端并联有与通断开关数目一致的增益控制单元，每个增益控制单元包括串联的一个通断开关和一个增益电阻，通过增益开关的控制端接入的增益倍数信号控制各个通断开关的通断，进而控制差分放大器的增益控制端接入的等效电阻的大小，进而控制差分放大器的增益系数。如图3所示，作为一种具体的电路实施例，增益开关分别控制差分放大器的1、10、100、1000四种不同的增益系数，需要保证的是，误差信号小于等于差分放大器的最大输出电压。首先设置差分放大器的增益系数为1，不对误差信号进行放大处理，保证输出信号不失真。通过A/D转换器采集到的数字信号的值除以计算出差分参考信号值f2’，再将差分参考信号值f2’与各个增益系数相乘得到各个误差参考信号，找出小于等于差分放大器的最大输出电压的误差参考信号作为备选误差参考信号，最大的备选误差参考信号对应的增益系数即为优选增益系数，中央处理器通过增益开关控制差分放大器的增益系数为优选增益系数。通过连接电脑的串口电路可以观察误差信号的变化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统，包括正弦信号源电路，用于产生正弦交流信号作为初始信号输入到热敏电桥电路以及混频器，其特征在于，还包括：热敏电桥电路，用于测量TEC温度信息并转换为差分信号输入到差分放大电路；差分放大电路，用于根据增益开关选定的增益系数对差分信号进行放大得到误差信号，并将误差信号发到混频器；混频器，用于将误差信号以及初始信号进行混频的到混频信号，并将混频信号输出到有源低通滤波电路；有源低通滤波电路，用于对混频信号进行滤波后输出滤波信号到A/D转换器；A/D转换器，用于将滤波信号转换成数字信号输入到中央处理器；中央处理器，用于根据数字信号获得差分参考信号值，将差分参考信号值与各个增益系数相乘得到各个误差参考信号，找出小于等于差分放大器的最大输出电压的误差参考信号作为备选误差参考信号，最大的备选误差参考信号对应的增益系数即为优选增益系数，将优选增益系数转换为增益倍数信号发送到增益开关；增益开关，用于根据增益倍数信号对差分放大器的增益系数进行选定。

【技术特征摘要】
1.一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统，包括正弦信号源电路，用于产生正弦交流信号作为初始信号输入到热敏电桥电路以及混频器，其特征在于，还包括：热敏电桥电路，用于测量TEC温度信息并转换为差分信号输入到差分放大电路；差分放大电路，用于根据增益开关选定的增益系数对差分信号进行放大得到误差信号，并将误差信号发到混频器；混频器，用于将误差信号以及初始信号进行混频的到混频信号，并将混频信号输出到有源低通滤波电路；有源低通滤波电路，用于对混频信号进行滤波后输出滤波信号到A/D转换器；A/D转换器，用于将滤波信号转换成数字信号输入到中央处理器；中央处理器，用于根据数字信号获得差分参考信号值，将差分参考信号值与各个增益系数相乘得到各个误差参考信号，找出小于等于差分放大器的最大输出电压的...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘志超，陈亮，何九洲，李冀，陈义和，冯芒，
申请(专利权)人：中国科学院武汉物理与数学研究所，
类型：发明
国别省市：湖北;42