一种在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法及系统技术方案

本发明专利技术所述的在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法，首先根据满足目标波长下的一系列工作电流和工作温度，利用逼近算法对半导体激光器初始的工作温度和工作电流进行粗略调整，然后对比在TDLAS系统运行中半导体激光器激光经过标准气体吸收池的工作曲线和预先存储的标定曲线，计算误差，进而得到误差率，以将误差率降至不高于预设数值为目标，再次对工作电流和工作温度进行精细校准，从而使得半导体激光器输出稳定的目标波长，本发明专利技术考虑全面，在误差较大时，利用逼近算法调整工作温度和工作电流来快速逼近目标波长，之后根据误差率调整工作电流或工作温度来进行精校，提升了输出波长的稳定性。输出波长的稳定性。输出波长的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
一种在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法及系统


[0001]本专利技术涉及半导体激光器
，尤其是指一种在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法、装置及系统。

技术介绍

[0002]可调谐半导体激光吸收光谱（TDLAS，Tunable Diode Laser Absorption Spectroscopy）技术被广泛应用于环境监测、燃烧诊断、天然气泄漏检测、痕量气体成分分析等诸多领域。然而在实际应用中，半导体激光器的输出频率受外界环境变化（温度、湿度、震动等）的影响会造成频率的漂移，特别是外界环境温度的变化对激光器输出频率的影响尤为严重。
[0003]目前比较实用的半导体激光器稳频技术主要有光反馈稳频技术、直接电控稳频技术，以及分束器结合参考池的方法等。其中，光反馈稳频是利用相干或者非相干光反馈进行稳频，容易受震动、温度、气压等因素影响，稳频精度低；分束器结合参考池的方法，利用一次谐波信号或三次谐波信号作为反馈控制信号将激光器的输出频率稳定在特定的吸收峰上，但是这种方法要求检测系统多出一个分束器、参考吸收池、探测器以及锁相放大器，不仅增加了系统的成本，而且使得系统的结构复杂。
[0004]专利CN104466673B公开了一种补偿超辐射发光二极管光源波长温度漂移的装置和方法，超辐射发光二极管的光源尾纤与半导体光放大器输入端相连，温度传感器探测超辐射发光二极管管芯的温度信号并将其输入到信号处理模块，信号处理模块产生调整信号并将其输入到半导体光放大器的工作参数控制端，从而对半导体光放大器的驱动电流进行控制，对超辐射发光二极管平均波长的温度漂移进行补偿，改善其波长稳定性。在管芯温度发生变化时通过调整驱动电流以使二极管的平均波长稳定在λ
m
，然而这种方式只能通过调整驱动电流来改变半导体激光器的平均波长，而当驱动电流发生大幅度变化时，发光二极管的管芯温度也会随之变化，所以这种方式下发光二极管的工作温度的稳定性较差，导致发光二极管的波长稳定性较差。
[0005]因此，如何提高半导体激光器输出波长的稳定性，是目前待解决的问题。

技术实现思路

[0006]为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中半导体激光器输出波长的稳定性差的问题。
[0007]为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法，包括：步骤S1：获取满足半导体激光器输出目标波长的一系列工作温度和工作电流的组合，将其视为二维坐标中的多个第一数据点；步骤S2：在半导体激光器当前的工作温度下，根据当前扫频前半周期的电流变化范围和扫频步长计算得到扫频过程中的一系列电流变化值，将其视为二维坐标中的多个第
二数据点；步骤S3：在同一二维坐标下，对比所述多个第一数据点和所述多个第二数据点，以温度变化为优先因素，利用逼近算法选取最优第一数据点和最优第二数据点；步骤S4：调整半导体激光器的工作温度为所述最优第一数据点对应的工作温度，并修改扫频步长，返回执行步骤S2
‑
S3，直至最优第一数据点和最优第二数据点之间的距离小于预设距离阈值；步骤S5：检测当前TDLAS系统中通过标准气体吸收池的半导体激光信号，获取工作曲线，根据工作曲线与标定曲线之间的误差计算误差率，所述标定曲线为半导体激光器输出目标波长时的工作曲线；步骤S6：判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在TDLAS系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长。
[0008]优选地，所述在同一二维坐标下，对比所述多个第一数据点和所述多个第二数据点，以温度变化为优先因素，利用逼近算法选取最优第一数据点和最优第二数据点包括：根据距离公式计算任意第一数据点和任意第二数据点之间的距离，并选取前三近距离，分别为：最近距离、次近距离和第三近距离；分别计算所述前三近距离所对应的第一数据点和第二数据点之间的温度差值和电流差值；以温度差值最小为优先因素，电流差值最小为次要因素，筛选出最优第一数据点和最优第二数据点。
[0009]优选地，所述检测当前TDLAS系统中通过标准气体吸收池的半导体激光信号，获取工作曲线，根据工作曲线与标定曲线之间的误差计算误差率，所述标定曲线为半导体激光器输出目标波长时的工作曲线包括：在TDLAS技术中扫频周期内实现目标波长输出的情况下，获取此时经过一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的标定曲线作为参考信号；在实现动态调整中，获取一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的工作曲线作为实际信号；计算所述参考信号与实际信号之间在峰峰值之间的差异，得到所述误差，计算误差率。
[0010]优选地，所述判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在TDLAS系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长包括：当第一误差阈值≤误差率<第二误差阈值时，保持工作温度不变，改变扫频步长直至所述误差率小于所述第一误差阈值，步长调整公式为：，其中，为调整后的步长，为初始步长，的初始值为1，每调整一次，将其加一，为电流比例系数，为系统调整电流的最小分辨率；
若在扫频周期内，无法调整扫频步长将所述误差率降至小于所述第一误差阈值，则调整电流比例系数，重复以上步骤，电流比例系数调整公式为：，其中，为比例系数，表示调整扫频步长后误差的变化。
[0011]优选地，所述判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在TDLAS系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长包括：当误差率≥第二误差阈值时，保持扫频步长不变，调整工作温度直至所述误差率小于所述第二误差阈值，温度调整公式为：，并且，；其中，为调整后的工作温度，为初始工作温度，N的初始值为1，每调整一次，将其加一，为温度变化比例系数，为系统调整温度的最小分辨率，为环境温度，为预设阈值，为半导体激光器最高工作温度。
[0012]优选地，所述若在满足的条件下，所述误差率仍没有降至小于所述第二误差阈值，则进行反向搜索调整工作温度和扫频步长，调整公式为：，；其中，反向搜索的范围为[TR1，2TR
‑
TR1]，为反向调整后的工作温度，为反向调整后的扫频步长，的初始值为1，每调整一次，将其加一。
[0013]优选地，所述判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后还包括：对所述误差率小于所述第一误差阈值后得到的多组工作电流和工作温度进行筛选，得到工作温度与预设温度值差值最小且输出波长的工作曲线与标定曲线中心位置相差最小的一组最优的工作电流和工作温度。
[0014]优选地，所述在所述最优的工作电流和工作温度下，再次验证误差率，若所述误差率小于所述第一误差阈值，则在TDLAS系统中，半导体激光器在扫频周期本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法，其特征在于，包括：步骤S1：获取满足半导体激光器输出目标波长的一系列工作温度和工作电流的组合，将其视为二维坐标中的多个第一数据点；步骤S2：在半导体激光器当前的工作温度下，根据当前扫频前半周期的电流变化范围和扫频步长计算得到扫频过程中的一系列电流变化值，将其视为二维坐标中的多个第二数据点；步骤S3：在同一二维坐标下，对比所述多个第一数据点和所述多个第二数据点，以温度变化为优先因素，利用逼近算法选取最优第一数据点和最优第二数据点；步骤S4：调整半导体激光器的工作温度为所述最优第一数据点对应的工作温度，并修改扫频步长，返回执行步骤S2
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S3，直至最优第一数据点和最优第二数据点之间的距离小于预设距离阈值；步骤S5：检测当前TDLAS系统中通过标准气体吸收池的半导体激光信号，获取工作曲线，根据工作曲线与标定曲线之间的误差计算误差率，所述标定曲线为半导体激光器输出目标波长时的工作曲线；步骤S6：判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在TDLAS系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长。2.根据权利要求1所述的在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法，其特征在于，所述在同一二维坐标下，对比所述多个第一数据点和所述多个第二数据点，以温度变化为优先因素，利用逼近算法选取最优第一数据点和最优第二数据点包括：根据距离公式计算任意第一数据点和任意第二数据点之间的距离，并选取前三近距离，分别为：最近距离、次近距离和第三近距离；分别计算所述前三近距离所对应的第一数据点和第二数据点之间的温度差值和电流差值；以温度差值最小为优先因素，电流差值最小为次要因素，筛选出最优第一数据点和最优第二数据点。3.根据权利要求1所述的在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法，其特征在于，所述检测当前TDLAS系统中通过标准气体吸收池的半导体激光信号，获取工作曲线，根据工作曲线与标定曲线之间的误差计算误差率，所述标定曲线为半导体激光器输出目标波长时的工作曲线包括：在TDLAS技术中扫频周期内实现目标波长输出的情况下，获取此时经过一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的标定曲线作为参考信号；在实现动态调整中，获取一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的工作曲线作为实际信号；计算所述参考信号与实际信号之间在峰峰值之间的差异，得到所述误差，计算误差率。4.根据权利要求1所述的在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法，其特征在于，所述判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在TDLAS系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长包括：
当第一误差阈值≤误差率<第二误差阈值时，保持工作温度不变，改变扫频步长直至所述误差率小于所述第一误差阈值，步长调整公式为：，其中，为调整后的步长，为初始步长，...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈更甫，陈杰甫，伏思越，
申请(专利权)人：南京旭奥科技有限公司，
类型：发明
国别省市：