一种泵浦激光器的控制系统及面阵列单光子相机的制作方法

1.本实用新型适用于量子探测和量子通信领域，尤其涉及一种应用于面阵列单光子相机的泵浦激光器控制系统，以及面阵列单光子相机。


背景技术：

2.现有技术中，近红外波段量子成像是近年来科学及应用研究的重要方向，属于量子精密测量的重要分支，有着广泛的应用前景。在量子成像领域中，通常采用单光子阵列探测器作为探测单元。应用频率上转换波导制作的面阵列单光子相机，需要将信号光转换成apd探测最优波长的光，在此转化过程中需要用到泵浦激光器对信号光进行放大。
3.通常，泵浦激光器是一种理想的电光转换器件，具有很高的量子效率和泵浦效率。并且，泵浦激光器是一种典型的电流驱动型器件，泵浦激光器是否具有良好的输出取决于其输入电流和工作温度。例如，对于半导体泵浦激光器而言，一方面，其电流的改变会引起半导体材料有效折射率的改变，从而影响半导体激光器的输出功率；另一方面，温度的变化会使得谐振腔热胀冷缩产生长度变化，从而影响了半导体激光器输出激光的中心波长，通常波长随温度的变化为0.02~0.2nm/℃。因此，实现对半导体激光器输入电流和工作温度的精密控制是十分重要的。
4.目前，泵浦激光器的温度控制一般采用外置的温度控制模块，需要单独的外置电源供电，温度的设定需要手工调节，不够智能，不便于系统性应用，对设备的高度集成化、产业化造成严重阻碍，而且温控模块成本较高。
5.并且，泵浦激光器所需的恒流源控制一般采用专用的专用集成电路（asic）芯片实现，这种芯片集成度高，但是受限于芯片本身，使用不够灵活，应用范围受限。比如，在一些泵浦激光器级联的情况下，需要较高的电压等级，而此类芯片则不能够满足要求；在一些电流精度要求较高的场合，此类芯片的控制精度也往往达不到要求；另外，此类芯片价格较贵，增大了泵浦激光器的控制系统的成本。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本实用新型实施例提供了一种泵浦激光器的控制系统及面阵列单光子相机，以解决现有泵浦激光器控制系统的成本较高的问题。
7.第一方面，提供一种泵浦激光器的控制系统的技术方案，包括：
8.内置的温度控制模块，电流控制模块，以及处理器；
9.其中，所述温度控制模块的输入端连接所述处理器，所述温度控制模块的正极供电端连接热电制冷器的电源正极端，所述温度控制模块的负极供电端连接热电制冷器的电源负极端；所述处理器的输入端连接有热敏电阻温度传感器，用以测量所述泵浦激光器的温度；所述处理器的控制端连接所述温度控制模块的输入端，用以根据所述泵浦激光器的温度，控制所述温度控制模块的正极供电端、负极供电端之间的电压；所述电流控制模块的输入端连接所述处理器，所述电流控制模块的输出端连接所述泵浦激光器，用以控制泵浦
激光器的电流恒定。
10.可选的，所述温度控制模块包括：
11.具有灌电流功能的第一dcdc芯片和第二dcdc芯片，所述第一dcdc芯片的反馈端通过数模转换器连接所述处理器，所述第二dcdc芯片的反馈端通过所述数模转换器连接所述处理器；所述第一dcdc芯片的输出端作为所述温度控制模块的正极供电端，所述第二dcdc芯片的输出端作为所述温度控制模块的负极供电端。
12.可选的，所述温度控制模块还包括：
13.第一电阻、第二电阻和第三电阻，所述第一电阻、第二电阻和第三电阻的一端分别连接所述第一dcdc芯片的反馈端，所述第一电阻的另一端连接外部热电制冷器的电源正极端，所述第二电阻的另一端接地，所述第三电阻的另一端连接所述数模转换器的第一输出端。
14.可选的，所述温度控制模块还包括：
15.第四电阻、第五电阻和第六电阻，所述第四电阻、第五电阻和第六电阻的一端分别连接所述第二dcdc芯片的反馈端，所述第四电阻的另一端连接外部热电制冷器的电源负极端，所述第五电阻的另一端接地，所述第六电阻的另一端连接所述数模转换器的第二输出端。
16.可选的，所述电流控制模块包括：
17.adc芯片、运算放大器、具有缓冲电容的输出减振电路，以及mos开关管；其中，所述adc芯片的输入端连接泵浦激光器，所述adc芯片的输出端连接所述运算放大器的第一输入端，所述运算放大器的第二输入端连接所述数模转换器的输出端，所述运算放大器的输出端连接所述输出减振电路的输入端，所述输出减振电路的第一输出端连接所述mos开关管的栅极，所述输出减振电路的第二输出端连接所述mos开关管的源极，所述mos开关管的漏极连接泵浦激光器。
18.可选的，所述输出减振电路包括：
19.第一阻容支路，其上串设有并联的缓冲电阻r4、缓冲电容c10；所述第一阻容支路的一端连接所述运算放大器的输出端，所述第一阻容支路的另一端连接所述mos开关管的栅极；第二阻容支路，其上串设有缓冲电容c13、缓冲电阻r16、缓冲电阻r6，以及与所述缓冲电容c13、缓冲电阻r16的串联端并联的缓冲电容c12；所述第二阻容支路的一端连接所述mos开关管的源极，所述第二阻容支路的另一端接地；第三阻容支路，其上串设有缓冲电容c11、缓冲电阻r15；所述第三阻容支路的一端连接所述第一阻容支路，所述第二阻容电路的另一端分别连接所述缓冲电容c12、缓冲电阻r16和缓冲电阻r6。
20.可选的，所述处理器为fpga。
21.可选的，所述控制系统还包括：上位机，所述上位机的通信端与所述pfga的通信端连接，用于进行人机交互。
22.可选的，所述热敏电阻温度传感器和所述泵浦激光器相邻布置在热电制冷器的散热铜板上。
23.第二方面，提供一种面阵列单光子相机，包括光纤阵列、泵浦光源、波分复用模块、多通道波导模块和探测器模块，所述泵浦光源包括泵浦激光器，以及第一方面所述的控制系统。
24.本实用新型与现有技术相比存在的有益效果是：
25.（1）本实用新型的控制系统为模块化设计，设置了内置的温度控制模块和电流控制模块，同时具有温度控制和电流控制功能；相比于外置温度控制模块的控制系统，本实用新型的控制系统的成本低很多，且应用于系统中可通过上位机方便的进行参数调节，智能化程度更高，体积更小。
26.（2）采用两个具有灌电流功能的dcdc芯片构成了温度控制模块，用于给热电制冷器进行供电，以控制热电制冷器进行制冷或制热，实现双向温控，达到维持温度稳定的目的，且温控成本较低。
27.（3）通过电流控制模块中的运算放大器和mos开关管实现了泵浦激光器中的电流控制，由于在运算放大器和mos开关管之间增设了输出减振电路，以保证恒流源电路的稳定而不产生电流振荡现象。
28.（4）能够满足泵浦激光器的控制系统的高电压等级需求，控制系统的构成为模块化集成设计，使得产品在制造、维护及运行可靠性等方面得到极大改善，有利于阵列相机的小型化以及产品的市场化。
附图说明
29.为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
30.图1是本实用新型一实施例提供的泵浦激光器的控制系统示意图；
31.图2是本实用新型一实施例提供的泵浦激光器的控制系统示意图；
32.图3-1是本实用新型一实施例提供的温度控制模块中第一dcdc芯片的连接结构示意图；
33.图3-2是本实用新型一实施例提供的温度控制模块中第二dcdc芯片的连接结构示意图；
34.图4是本实用新型一实施例提供的泵浦激光器的控制系统示意图；
35.图5是本实用新型一实施例提供的面阵列单光子相机示意图；
36.符号说明：
37.1、温度控制模块；2、电流控制模块；3、处理器；4、热电制冷器；5、散热铜板；6、热敏电阻温度传感器；7、泵浦激光器；201、运算放大器；202、输出减振电路；203、mos开关管；51、光纤阵列；52、泵浦光源；53、波分复用模块；54、波导模块；55、滤波模块；56、探测器模块；57、时分复用模块。
具体实施方式
38.以下描述中，为了说明而不是为了限定，提出了诸如特定系统结构、技术之类的具体细节，以便透彻理解本实用新型实施例。然而，本领域的技术人员应当清楚，在没有这些具体细节的其它实施例中也可以实现本实用新型。在其它情况中，省略对众所周知的系统、装置、电路以及方法的详细说明，以免不必要的细节妨碍本实用新型的描述。
39.应当理解，当在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。
40.还应当理解，在本实用新型说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。
41.另外，在本实用新型说明书和所附权利要求书的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
42.在本实用新型说明书中描述的参考“一个实施例”或“一些实施例”等意味着在本实用新型的一个或多个实施例中包括结合该实施例描述的特定特征、结构或特点。由此，在本说明书中的不同之处出现的语句“在一个实施例中”、“在一些实施例中”、“在其他一些实施例中”、“在另外一些实施例中”等不是必然都参考相同的实施例，而是意味着“一个或多个但不是所有的实施例”，除非是以其他方式另外特别强调。术语“包括”、“包含”、“具有”及它们的变形都意味着“包括但不限于”，除非是以其他方式另外特别强调。
43.为了说明本实用新型的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。
44.参见图1，是本实用新型一实施例提供的泵浦激光器的控制系统，该供电系统包括：内置的温度控制模块1，电流控制模块2，以及处理器3。其中，温度控制模块1的输入端连接处理器3，温度控制模块1的正极供电端连接热电制冷器4的电源正极端tec+，温度控制模块1的负极供电端连接热电制冷器4的电源负极端tec-。
45.图1中，处理器3的输入端连接有热敏电阻温度传感器ntc（6），该热敏电阻温度传感器紧邻泵浦激光器7布置，布置在散热铜板5上，用以测量泵浦激光器7的温度；处理器3的控制端连接温度控制模块1的输入端，用以根据泵浦激光器7的温度，控制温度控制模块1的正极供电端、负极供电端之间的电压，实现对泵浦激光器7的温度控制。
46.图1中，电流控制模块2的输入端连接处理器3，电流控制模块2的输出端连接泵浦激光器7，用以控制泵浦激光器7的电流恒定。
47.本实施例中，泵浦激光器的控制系统的工作原理如下：
48.（1）温度控制过程：
49.热敏电阻温度传感器ntc（6）实时采集泵浦激光器7的温度，将泵浦激光器7的温度发送给处理器3，处理器3根据接收的泵浦激光器7的温度，向温度控制模块1输出控制信号；温度控制模块1再根据该控制信号，确定温度控制模块1的正极供电端、负极供电端的输出电压，从而控制热电制冷器4的电源正极端tec+、电源负极端tec-之间的电压，实现热电制冷器4的制冷或制热功能，达到温控的目的。
50.（2）电流控制过程：
51.电流控制模块2从处理器3处获取泵浦激光器7的电流控制信号，根据该电流控制信号驱动电流控制模块2工作，实现泵浦激光器7的恒流工作。
52.本实施例中，用于控制温度控制模块1和电流控制模块2的处理器3，优选采用fpga，用以实现算法控制以及参数配置、读取等功能，便于阵列相机多通道集成以及小型化应用。作为其他实施方式，也可以采用其他类型的处理器，如cpu等。
53.本实施例的控制系统设置了温度控制模块和电流控制模块，同时具有温度控制和电流控制功能，且温度控制模块内置于控制系统，相比于外置温度控制模块的控制系统的
成本低很多，且应用于系统中可通过上位机方便的进行参数调节，智能化程度更高，体积更小。
54.参见图2，是本实用新型一实施例提供的泵浦激光器的控制系统，在图1的控制系统的基础上，温度控制模块1包括：
55.具有灌电流（即从输出端口被动的流入电流）功能的第一dcdc芯片和第二dcdc芯片，其中，第一dcdc芯片的反馈端fb通过数模转换器dac连接处理器3，第二dcdc芯片的反馈端fb通过数模转换器dac连接处理器3；第一dcdc芯片的输出端作为温度控制模块的正极供电端，用以连接热电制冷器4的电源正极端tec+；第二dcdc芯片的输出端作为温度控制模块的负极供电端，用以热电制冷器4的电源负极端tec-。
56.在一示例中，第一dcdc芯片是通过三个电阻与外部模块（如数模转换器dac等）进行连接的，如图3-1所示，温度控制模块还包括第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3，第一电阻r1、第二电阻r2和第三电阻r3的一端分别连接第一dcdc芯片的反馈端fb，第一电阻r1的另一端vout+连接外部热电制冷器4的电源正极端tec+，第二电阻r2的另一端接地，第三电阻r3的另一端连接数模转换器dac的第一输出端。
57.本实施例中，处理器（优选为pfga）通过数模转换器dac控制第一dcdc芯片的反馈端，调节第一dcdc芯片的输出，根据图3-1所示的电路连接关系，能够得到第一dcdc芯片的反馈端电压的计算公式：
58.vfb1/r2=( vout1-vfb1)/r1+(vdac-vfb1)/r3
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（1）
59.式中，vfb1为第一dcdc芯片的反馈端电压，r1、r2、r3为第一电阻、第二电阻、第三电阻的阻值，vout1为温度控制模块输出的正极供电端电压（即图3-1中的vout+端电压），vdac为数模转换器dac的输出电压。
60.类似的，第二dcdc芯片也是通过三个电阻与外部模块（如数模转换器dac等）进行连接的，如图3-2所示，温度控制模块还包括第四电阻r4、第五电阻r5和第六电阻r6，其中，第四电阻r4、第五电阻r5和第六电阻r6的一端分别连接第二dcdc芯片的反馈端fb，第四电阻的另一端vout-连接外部热电制冷器4的电源负极端tec-，第五电阻的另一端接地，第六电阻r6的另一端连接数模转换器dac的第二输出端。
61.同理，处理器通过数模转换器dac控制第二dcdc芯片的反馈端，调节第二dcdc芯片的输出，根据图3-2所示的电路连接关系，能够得到第二dcdc芯片的反馈端电压vfb2的计算公式：
62.vfb2/r5=( vout2-vfb2)/r4+(vdac-vfb2)/r6
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（2）
63.式中，vfb2为第一dcdc芯片的反馈端电压，r4、r5、r6为第四电阻、第五电阻、第六电阻的阻值，vout2为温度控制模块输出的负极供电端电压（即图3-2中的vout-端电压），vdac为数模转换器dac的输出电压。
64.通过前述公式（1）能够得到热电制冷器4两端的电压（比如tec+、端电压），通过公式（2）可得到另外一端的电压（比如tec-端电压），然后由处理器（如fpga）控制以上两个dcdc芯片的输出电压形成电压差，并施加到热电制冷器4的两端，由于两个dcdc芯片具有sink（即灌电流）能力，电流可通过电压较低的那个dcdc芯片流向地端gnd，从而可实现双向控温的目的。
65.本实施例的控制系统，采用两个具有灌电流功能的dcdc芯片构成了温度控制模
块，用于给热电制冷器进行供电，使处理器fpga通过温度传感器ntc获取泵浦激光器的温度，然后利用fpga内部的pid算法控制热电制冷器进行制冷或者制热，实现双向温控，达到维持温度稳定的目的，且温控成本较低。并且，本实施例的控制系统采用集成化设计，体积更小，便于后期阵列相机集成化、小型化应用。
66.参见图4，是本实用新型一实施例提供的泵浦激光器的控制系统，在图2的控制系统的基础上，电流控制模块包括：
67.adc芯片（图中未示出）、运算放大器201、具有缓冲电容的输出减振电路202，以及mos开关管203；其中，adc芯片的输入端连接泵浦激光器，adc芯片的输出端连接运算放大器201的第一输入端（用符号-表示），运算放大器201的第二输入端（用符号+表示）连接数模转换器的输出端（即图4中的端子dac），运算放大器201的输出端连接输出减振电路202的输入端，输出减振电路202的第一输出端连接mos开关管203的栅极g，输出减振电路202的第二输出端连接mos开关管203的源极s，mos开关管203的漏极d连接泵浦激光器的电流输入端4wld-。
68.其中，输出减振电路202包括以下三部分：
69.第一阻容支路，其上串设有并联的缓冲电阻r4、缓冲电容c10；第一阻容支路的一端连接运算放大器202的输出端，第一阻容支路的另一端连接mos开关管203的栅极g；
70.第二阻容支路，其上串设有缓冲电容c13、缓冲电阻r16、缓冲电阻r6，以及与缓冲电容c13、缓冲电阻r16的串联端并联的缓冲电容c12；第二阻容支路的一端连接mos开关管203的源极s，第二阻容支路的另一端接地gnd；
71.第三阻容支路，其上串设有缓冲电容c11、缓冲电阻r15；第三阻容支路的一端连接第一阻容支路，第二阻容电路的另一端分别连接缓冲电容c12、缓冲电阻r16和缓冲电阻r6。
72.上述电流控制模块的工作原理如下：
73.fpga通过数模转换器dac产生控制信号，经过运算放大器201进行处理，再经过输出减振电路202的信号缓冲作用后，将控制信号施加到mos开关管203和采样电阻r7上，形成一套恒流源控制回路。
74.本实施例中，mos开关管203选用大通流量低vgs的n-mos开关管，而采样电阻r7在大电流应用情况下的发热较严重，因此选用精密黄金铝壳大功率散热电阻，以保证电流随温度变化的稳定性。
75.本实施例中，由于运算放大器201的输出端和mos开关管的直接连接会引起电流振荡，一般体现为当电流增大时，电流呈现类似正弦波样式的振荡。因而增加输出减振电路，通过调节减振电路的阻容参数，以调整系统的增益，引入零点保证系统的稳定性。需要说明的是，上述输出减振电路202中的各个缓冲电阻、缓冲电容的值需要根据实际应用场合进行计算，其与运算放大器201的选型以及mos开关管203的结电容等主要参数相关。
76.本实施例中，fpga的主要作用是：
77.（1）温度控制，采用pid算法实现温度控制，fpga通过热敏电阻温度传感器ntc获取泵浦激光器所在散热铜板的温度，通过数模转换器dac控制热电制冷器tec两端的电压，控制热电制冷器tec制冷或者制热；当温度发生变化时，pid算法随之动作，控制热电制冷器tec的电压发生变化。
78.通过调试pid算法的参数值，可实现温度快速稳定的目的，其原因是：由于泵浦激
光器的发热量跟电流正相关，因此fpga通过adc芯片获取泵浦激光器电流值，来动态调整温度稳定算法的pid的参数，当泵浦激光器电流设定较高时，其比例项参数p设定随之升高，而当电流设定值减少时，比例项参数p要随之减少，否则容易造成过冲效应，从而达到快速维持激光器温度稳定的目的。
79.（2）参数设定，包括温度设定和电流设定。其中，温度设定的方法是，比如设定温度为25摄氏度，随着泵浦激光器的发热，散热铜板的温度会上升，则fpga的pid算法识别到上升后的温度与设定温度间的差值后，会控制热电制冷器tec进行制冷，直至散热铜板的温度下降至设定温度。电流设定的方法是，配置激光器的电流值，按照数模转换器dac提供的与位数相关的比例公式，可以换算出数模转换器dac的电压值和实际电流的关系，通过fpga配置数模转换器dac的输出电压，则可通过电流控制模块实现相应的恒流控制。
80.在一实施例中，fpga还可以与上位机连接，使fpga与上位机进行通信，实现人机交互功能，上位机提供人机交互界面，主要是实现系统的控制以及读取各部分的参数，例如温度参数的配置和读取，电流参数的配置和读取，pid算法的参数配置等功能。
81.在一示例中，上位机与fpga之间采用以太网通信，为后期多通道集成化阵列相机应用保证足够的通信带宽。
82.本实施例的控制系统，通过电流控制模块中的运算放大器和mos开关管实现了泵浦激光器中的电流控制，由于在运算放大器和mos开关管之间增设了输出减振电路，以保证恒流源电路的稳定而不产生电流振荡现象。并且，本实施例的控制系统，能够满足泵浦激光器的控制系统的高电压等级需求，由于控制系统为模块化集成设计，使得产品在制造、维护及运行可靠性等方面得到极大改善，有利于阵列相机的小型化以及产品的市场化。
83.如图5所示，是本实用新型一实施例提供的面阵列单光子相机，包括光纤阵列51、时分复用模块57、泵浦光源52、波分复用模块53、多通道波导模块54、滤波模块55和探测器模块56，其中，泵浦光源52包括泵浦激光器，以及前述各个实施例中泵浦激光器的控制系统。
84.前述各个实施例中泵浦激光器的控制系统可以应用于本实施例中的面阵列单光子相机，关于该面阵列单光子相机中其他各个模块的具体描述请参考公布号cn111044161a、名称为“一种基于频率上转换的面阵列单光子相机”专利文本中的相关记载，本实施例中不再详细描述。
85.本实施例的面阵列单光子相机采用模块化设计的泵浦激光器及控制系统，有利于阵列单光子相机的小型化以及产品的市场化，使得产品的制造、维护及运行可靠性得到极大改善。
86.以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的精神和范围，均应包含在本实用新型的保护范围之内。