半导体激光器光源体最佳温度检测装置的制作方法

本发明属于半导体激光器生产领域，具体涉及一种半导体激光器光源体最佳温度检测装置。

背景技术：

自1962年第一台半导体激光器诞生以来，经过几十年的研究，半导体激光器的研究取得了长足的发展，波长从红外、红光到蓝绿光，覆盖范围逐渐扩大，各项性能参数也有了很大的提高。和其它类型的激光器相比，半导体激光器由于波长范围宽，制作简单、成本低、易于大量生产，并且具有体积小、重量轻、寿命长等特点，在光通讯、光谱分析、光信息处理等产业和技术，医疗和生命科学研究以及军事等基础和应用研究方面有着广泛的应用。

半导体激光器虽然有许多优势，但在实际应用中，它们又具有比较明显的缺点：输出频率容易受到环境温度和注入电流的影响，输出线宽通常在100MHz左右，可调性也比较差。为了克服上述缺点，人们采用延伸腔的办法：利用衍射光栅和激光二极管的后端面组成一个延伸腔，构成了Littrow结构的激光器。衍射光栅产生的1级光反馈回激光二极管实现光反馈。由于输出激光的线宽和腔长成反比，因而利用延伸腔和光反馈可以大大压窄激光的线宽，通常可以到5MHz以下。而衍射光栅和入射光的夹角又直接决定了激光的输出频率值，因此衍射光栅又起到了选模的作用。通过调节衍射光栅的角度可以实现激光器在不跳模情况下频率的大范围(通常可以达GHz)扫描，若注入电流配合光栅的角度一起变化，则不跳模的可调范围可以增加到5GHz左右。然而，随着激光的输出频率的变化，激光的输出方向也会发生变化。因此，在许多应用场合，特别是有光纤耦合以及光路较长的情况下这是一个较大的问题。为了克服光路改变的问题，人们采用了两种解决方案：一是发明了Littman结构的半导体激光器。在Littman结构中，光栅衍射的1级光被反射到一面全反镜上，从全反镜反射回来的光经过光栅再次衍射后的0级光作为激光的输出。由于激光频率的调节是通过改变反射镜的角度而不改变光栅的角度实现，因此激光频率调节时输出方向不变；二是在Littrow结构中，在激光二极管和光栅之间加了一个分束片，从分束片反射的光作为激光的输出光，由于分束片的角度不改变，因此激光输出的方向不改变。在以上两种方法中，都是以损失激光输出功率为代价。例如在Littman结构中，通常输出效率只有Littrow结构的一半，这在很多对功率有要求的场合是很不利的。因此，一种比较理想的方案是在Littrow结构的基础上，在激光输出光路上加一个反射镜，反射镜和光栅的角度一起变化，从而实现激光输出方向不变的目的。同时，由于商用的半导体激光器采用的设计中，激光二极管和光栅的安装是分离的，由于机械不稳定性会不可避免地引起半导体激光器的输出频率不稳定性。此外，目前市售的半导体激光器均采用单层恒温系统。由于只有单层温控，所以容易受环境温度变化的影响，从而也会影响半导体激光器输出的频率稳定度，同时，在一般的温控电路中温度探测均采用单个热敏电阻实现，若是该电阻出现故障，将无法给出实际的温度，从而造成温度控制的失败。现有技术中，光源体的温度调节由于无法确定最佳温度，往往很难发挥光源体的最佳状态。

技术实现要素：

本发明的目的就是针对现有技术的缺陷，提供一种半导体激光器光源体最佳温度检测装置及其方法，有效实现对光源体的多层温控，同时保证控温温度选择达到最佳效果。

本发明提供了一种半导体激光器光源体最佳温度检测装置，其特征在于：它包括

光源体，内含有现有激光器中的发光体，放置于安装盒内；

主控制模块，包括设置于安装盒内部的功率晶体管和用于检测光源体温度的温度传感器，通过温度传感器的输出电压与主控制模块内部设定电压值的比较结果，控制功率晶体管的开关状态实现对发光体的主导温控作用；

辅助控制模块，包括设置于安装盒底部的黄铜底座，黄铜底座上设置有用于检测光源体温度的热敏电阻，通过热敏电阻阻值与控辅助控制模块设定电阻阻值的比较结果，控制黄铜底座半导体制冷片通电状态实现对光源体的辅助温控作用；

光检测模块，用于对激光器输出的主光进行强度检测，获得光强信号；

激光器模块，接收来自中央处理器的命令根据其控制激光器输出主光；

稳频模块，接收来自光检测模块的光强信号处理后反馈至激光器模块，实现对激光器输出主光的稳频；

中央处理器，发送纠偏电压信号至激光器模块，接收来自光检测模块的光强信号和来自温度传感器及热敏电阻的温度信号，通过分析处理纠偏电压信号、光强信号和温度信号确定光源体的控温温度，并根据控温温度调整主控制模块的内部设定电压值和辅助控制模块的设定电阻电值；

所述主控制模块包括温度传感器、第一稳压器、第一比较器、同相跟随器和功率晶体管；第一稳压管的输入端连接第一电源，第一稳压管的输出端连接至第一比较器的正极输入端；第一稳压管的输出至第一比较器的电压值为内部设定电压值；温度传感器检测光源体温度并输出电压至第一比较器的负极输入端；第一比较器的输出端经同相跟随器连接至功率晶体管的基极；功率晶体管的收集极连接至电源，功率晶体管的发射极接地。

所述功率晶体管和电源之间串联有多个辅助晶体管。所述功率晶体管和多个辅助晶体管分别均匀设置于安装盒内的四角。

所述第一稳压管的输出端经第三定值电阻和第一可调电阻接地，第一可调电阻的调整端头连接至第一比较器的正极输入端。

所述辅助控制模块包括第二稳压器、仪表放大器、运算放大器、第一三极管、第二三极管、第三三极管、第四三极管和半导体制冷片；第二稳压器的输入端连接第二电源，第二稳压器的第一输出端经第一定值电阻和用于反映黄铜底座温度的数字电位器接地；第二稳压器的第二输出端经第二定值电阻和第二可调电阻接地；第二可调电阻为设定电阻；仪表放大器的同相端连接于第一定值电阻和数字电位器之间；仪表放大器的反向端连接于可调电阻的接头上；第二三极管的集电极连接第三电源，第二三极管的发射极连接第四三极管的集电极，第四三极管的发射极接地；第一三极管的集电极连接第二三极管的基极，第一三极管的发射极连接第三三极管的集电极，第三三极管的发射极连接第四三极管的基极，第一三极管的基极和第三三极管的基极连接；仪表放大器的输出端经运算放大器连接于第一三极管的基极和第三三极管的基极之间；半导体制冷片一端分别连接于第二三极管的发射极与第四三极管的集电极之间及第一三极管的发射极与第三三极管的集电极之间；半导体制冷片另一端接地。

所述仪表放大器通过第三可调电阻实现放大倍数的可调。

所述热敏电阻包括多个且均匀布置于黄铜底座上，中央处理器接收来自多个热敏电阻的电阻值信息并对其进行比较，并发送控制命令至数字电位器，使数字电位器的阻值为数值相近的两个热敏电阻电阻值的平均值。

本发明提供了一种半导体激光器光源体最佳温度检测方法，其特征在于包括以下步骤：

中央控制器检测不同温度下光源体的光强信号，获得光源体温度与光强的对应曲线；在光源体温度与光强的对应曲线的拐点处温度值为中间值取多个指定温度；中央控制器控制光源体达到某一个指定温度时发送纠偏电压，由此获得每一个指定温度对应有各自的纠偏电压和光检电压的对应曲线；计算每个纠偏电压和光检电压的对应曲线中光检电压为最大值和最小值的两点之间的斜率；选取最大斜率对应的指定温度最为光源体的控温温度。

上述技术方案包括以下步骤：

第一步，中央控制器仅通过主控制模块输出不同的温度给光源体，同时通过光检测模块进行光强采样，获得光源体温度与光强的对应曲线；

第二步，分析光源体温度与光强的对应关系，获得光源体温度和光强关系的拐点数据，中央处理器控制主控制模块稳定输出拐点数据的温度值于光源体温度；

第三步，以拐点数据的温度值为中间值确定光源体温度的调整范围，在调整范围内均匀选取多个指定温度，中央处理器启动辅助控制模块控制光源体温度达到指定温度；

第四步，当光源体温度达到某一个指定温度时，中央处理器给激光器模块发送连续递增的纠偏电压信号，经光检测模块获得对应的光强信号后反馈至稳频模块中，经稳频模块处理再反馈给激光器模块，中央处理器访问激光器模块获得对应的反映光强的光检电压信号，从而获得纠偏电压和光检电压的对应曲线；每一个指定温度对应有各自的纠偏电压和光检电压的对应曲线；

第五步，求取每一个纠偏电压和光检电压的对应曲线中光检电压为最大值和最小值的两点之间的斜率；

第六步，比较多个斜率，获得其中的最大值，并选取最大斜率对应的指定温度最为光源体的控温温度。

上述技术方案的第五步中包括判断选择纠偏电压和光检电压的对应曲线上光检电压最接近于0的点，同时记录该点对应纠偏电压的值，将此点位置定为原点；于纠偏电压所在轴上分别在原点两边各取相同数量的点，对这上述点数据进行曲线拟合，得出相应的斜率值。

上述技术方案的第五步中采集得到的纠纷电压输出值经中央处理器与PC通信存入单独的文件中，并对其进行处理，得出纠偏电压和光检电压对应曲线中光检电压最大值V_H及最小值V_L，并记录此时刻相应的纠偏电压H_f及L_f，即中央处理器D/A输出的电压值。

上述技术方案的纠纷电压和光检电压为一一对应的关系。

本发明通过在光源体的安装盒内部四角均匀设置有晶体管，当其导通时，会放出大量的热量，通过该热量，就可以对激光器的光源体进行加热。主控制模块通过温度传感器实现对光源体温度的实时检测。中央处理器通过对第一可调电阻的调节实现对第一稳压器输出至第一比较器的电压调整，即调整主控制模块的内部电压设定值，满足不同的使用需求。主控制器模块的第一比较器根据温度传感器输出电压和内部设定电压值的比较结构控制晶体管的开断，实现对加热状态的控制。安装盒的黄铜底座上均匀布置有热敏电阻，多个热敏电阻的阻值输入到中央处理器，中央处理器对多个阻值进行比较，然后将数值相近的两个电阻值的平均值输给数字电位器，一方面可以实现对多点的测量，提高温控的效率；另一方面，当其中一个热敏电阻出现故障的情况，任何一个热敏电阻损坏不会对数字电位器的阻值产生影响。辅助控制模块通过数字电位器阻值和第二可调电阻阻值的比较实现对光源体温度是否合适的判断，当黄铜底板的温度低于或高于设定温度，流经制冷片的电流会不同从而实现加热和制冷的不同目的，以减小黄铜温度和设定温度之间的温差，最终达到相同温度。本发明通过分析判断纠偏电压信号、光强信号和温度信号确定光源体的控温温度，保证光源体达到最佳效果。

本发明通过主控制模块实现光源体问题在大范围上的变化控制；通过辅助控制模块实现光源体问题在指定小范围的变化控制，有效保证温度测量的精准度。本发明通过分析判断纠偏电压信号、光强信号和温度信号确定光源体的控温温度，保证光源体达到最佳效果。

附图说明

图1是本发明局部电路示意图a；

图2是本发明局部电路示意图b；

图3是本发明结构示意图；

图4是本发明使用示意图a；

图5是本发明使用示意图b。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明，便于清楚地了解本发明，但它们不对本发明构成限定。

如图1所示本发明提供了一种半导体激光器光源体最佳温度检测装置，其特征在于：它包括

光源体，内含有现有激光器中的发光体，放置于安装盒内；

主控制模块，包括设置于安装盒内部的功率晶体管和用于检测光源体温度的温度传感器，通过温度传感器的输出电压与主控制模块内部设定电压值的比较结果，控制功率晶体管的开关状态实现对发光体的主导温控作用；

辅助控制模块，包括设置于安装盒底部的黄铜底座，黄铜底座上设置有用于检测光源体温度的热敏电阻，通过热敏电阻阻值与控辅助控制模块设定电阻阻值的比较结果，控制黄铜底座半导体制冷片通电状态实现对光源体的辅助温控作用；

光检测模块，用于对激光器输出的主光进行强度检测，获得光强信号；

激光器模块，接收来自中央处理器的命令根据其控制激光器输出主光；

稳频模块，接收来自光检测模块的光强信号处理后反馈至激光器模块，实现对激光器输出主光的稳频；

中央处理器，发送纠偏电压信号至激光器模块，接收来自光检测模块的光强信号和来自温度传感器及热敏电阻的温度信号，通过分析处理纠偏电压信号、光强信号和温度信号确定光源体的控温温度，并根据控温温度调整主控制模块的内部设定电压值和辅助控制模块的设定电阻电值；

所述主控制模块包括温度传感器T1、第一稳压器U3、第一比较器U5、同相跟随器U6和功率晶体管Q5；第一稳压管U3的输入端连接第一电源；所述第一稳压管U3的输出端经第三定值电阻R16和第一可调电阻R17接地，第一可调电阻R17的调整端头连接至第一比较器U5的正极输入端。第一稳压管U3的输出至第一比较器的电压值为内部设定电压值；温度传感器T1检测光源体温度并输出电压至第一比较器U5的负极输入端；第一比较器U5的输出端经同相跟随器U6连接至功率晶体管Q5的基极；功率晶体管的收集极连接至电源，功率晶体管的发射极接地。所述功率晶体管和电源之间串联有3个辅助晶体管Q6-Q8。所述功率晶体管和多个辅助晶体管分别均匀设置于安装盒内的四角。

使用时，首先，通过温度传感器T1探测光源体的温度,温度传感器T1输出的电压和第一稳压器U3给出的参考电压通过第一放大器进行比较，若其3端的电压高于2端电压，则1输出为正电压；若3端电压等于或小于2端电压，则1端输出为0。第一放大器1端输出的电压经过同相跟随器之后输出给功率晶体管Q5。若功率晶体管Q5的基极与发射极之间的电压大于1.4V，则功率晶体管Q5导通，否则功率晶体管Q5不导通。辅助Q6、Q7和Q8的基极电压分别为22.5V、15V和7.5V。若功率晶体管Q5导通，则功率晶体管Q5的收集极电压约为1.4V，由于辅助晶体管Q8的发射极和功率晶体管Q5的收集极相连，因此辅助晶体管Q8的发射极电压为1.4V。由于辅助晶体管Q8的基极和发射极之间的电压为6.1V，大于1.4V，因此辅助晶体管Q8会导通。辅助晶体管Q8导通之后收集极的电压为7.5V，辅助晶体管Q7的发射极与辅助晶体管Q8的收集极相连，因此辅助晶体管Q7的发射极电压为7.5V。由于辅助晶体管Q7的基极和发射极之间的电压为7.5V，大于1.4V，因此辅助晶体管Q7会导通。辅助晶体管Q7导通之后收集极的电压为15V，由于辅助晶体管Q6的发射极和辅助晶体管Q7的收集极相连，因此辅助晶体管Q6的发射极电压为15V。由于辅助晶体管Q6的基极和发射极的电压为7.5V，因此辅助晶体管Q6会导通。辅助晶体管Q6、辅助晶体管Q7、辅助晶体管Q8和功率晶体管Q5的位置位于盒子的四个角。当辅助晶体管Q6、辅助晶体管Q7、辅助晶体管Q8和功率晶体管Q5导通时，会放出大量的热量，通过该热量，就可以对激光器的光源体进行加热。

所述辅助控制模块包括第二稳压器U1、仪表放大器U2、运算放大器U4、第一三极管Q1、第二三极管Q2、第三三极管Q3、第四三极管Q4和半导体制冷片R15；第二稳压器U1的输入端连接第二电源，第二稳压器的U1第一输出端经第一定值电阻R1和用于反映黄铜底座温度的数字电位器R3接地；第二稳压器的第二输出端经第二定值电阻R2和第二可调电阻R4接地；第二可调电阻R4为设定电阻；仪表放大器U2的同相端连接于第一定值电阻R1和数字电位器R3之间；仪表放大器U2的反向端连接于第二可调电阻的接头上；第二三极管Q2的集电极连接第三电源，第二三极管Q2的发射极连接第四三极管Q4的集电极，第四三极管Q4的发射极接地；第一三极管Q1的集电极连接第二三极管Q2的基极，第一三极管Q1的发射极连接第三三极管Q3的集电极，第三三极管Q3的发射极连接第四三极管Q4的基极，第一三极管Q1的基极和第三三极管Q3的基极连接；仪表放大器的输出端经运算放大器连接于第一三极管Q1的基极和第三三极管Q3的基极之间；半导体制冷片R15一端分别连接于第二三极管Q2的发射极与第四三极管Q4的集电极之间及第一三极管Q1的发射极与第三三极管Q3的集电极之间；半导体制冷片R15另一端接地。所述仪表放大器通过第三可调电阻R5实现放大倍数的可调。

所述热敏电阻包括多个且均匀布置于黄铜底座上，中央处理器接收来自多个热敏电阻的电阻值信息并对其进行比较，并发送控制命令至数字电位器，使数字电位器的阻值为数值相近的两个热敏电阻电阻值的平均值。为了消除黄铜底座各个部位的温度差，在黄铜底座的不同位置安置3个相同型号的热敏电阻，将3个热敏电阻的阻值输入到中央处理器，中央处理器对三个阻值进行比较，然后将数值相近的两个电阻值的平均值输给数字电位器R3。这种方案的优点在于：一方面可以实现对多点的测量，提高温控的效率，因为只要所取的两个电阻中的任何一个有变化都会带来平均值的变化，从而造成数字电位器R3的阻值的变化。另一方面，此方案还可应对其中一个热敏电阻出现故障的情况，任何一个热敏电阻损坏不会对数字电位器R3的阻值产生影响。

使用时，第二稳压器U1为10V电压基准，输出稳定的10V电压，该电压经过电桥电路之后输入到仪表放大器U2的同相端和反相端。其中反相端电压为参考电压，由第二定值电阻R2和第二可调电阻R4的阻值比决定。通过中央处理器调节第二可调电阻R4的电阻值，可以调节反相端的输入电压，从而设定所需要的温度。R3为数字电位器，利用中央处理器进行控制。采用热敏电阻探测黄铜底座的实际温度。仪表放大器U2的同相端的电压取决于第一定值电阻R1和数字电位器R3的电阻值之比。由于两个定值电阻的阻值均100k，因此，仪表放大器U2的同相端和反相端谁的电压高将由数字电位器R3和第二可调电阻R4的大小决定。若黄铜底板的温度低于设定的温度，由于探温用的热敏电阻为负温度系数，因此数字电位器R3的电阻大于第二可调电阻R4的电阻，从而仪表放大器U2的同相端电压将大于反相端电压，这时仪表放大器U2的6端输出为正电压。仪表放大器U2的放大倍数通过调节第三可调电阻R5的阻值实现。仪表放大器U2输出的电压经过运算放大器U3之后变为负电压，这样，第三三极管Q3和第四三极管Q4导通，电流由地通过半导体制冷片R15流向第三三极管Q3和第四三极管Q4。由于半导体制冷片R15通反向电流的时候将对黄铜底座进行加热，因此可以减小黄铜温度和设定温度之间的温差，最终达到相同温度。若黄铜底板的温度高于设定的温度，数字电位器R3的电压将小于第二可调电阻R4的电压，即仪表放大器U2的同相端电压小于反相端电压。这时候仪表放大器U2的6端输出为负电压。仪表放大器U2输出的电压经过运算放大器U3之后变为正电压，这样，第一三极管Q1和第二三极管Q2导通，电流由第三三极管Q3和第四三极管Q4通过半导体制冷片R15流向地。由于半导体制冷片R15通正向电流的时候对黄铜底座进行制冷，因此可以减小黄铜温度和设定温度之间的温差，最终达到相同温度。

本发明提供了一种半导体激光器光源体控制方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，中央控制器仅通过主控制模块输出不同的温度给光源体，同时通过光检测模块进行光强采样，并反馈给中央处理器，获得光源体温度与光强的对应曲线，如图4所示；

第二步，分析光源体温度与光强的对应关系，获得光源体温度和光强关系的拐点数据：124.5摄氏度；中央处理器控制主控制模块稳定输出拐点数据的温度值于光源体温度；

第三步，以拐点数据的温度值为中间值确定光源体温度的调整范围，在调整范围内均匀选取多个指定温度，中央处理器启动辅助控制模块控制光源体温度达到指定温度；选择拟控制的温度范围为124.0至125.0摄氏度，步进为0.01摄氏度，即取100个数据点；

第四步，当光源体温度达到某一个指定温度时，中央处理器给激光器模块发送纠偏电压信号，经光检测模块获得对应的光强信号后反馈至稳频模块中，经稳频模块处理再反馈给激光器模块，中央处理器访问激光器模块获得对应的反映光强的光检电压信号，从而获得纠偏电压和光检电压的对应曲线；每一个指定温度对应有各自的纠偏电压和光检电压的对应曲线，得到100组如图5所示的图形；

第五步，求取每一个纠偏电压和光检电压的对应曲线中光检电压为最大值和最小值的两点之间的斜率；图5中横轴代表纠偏电压(反映了频率)、纵轴代表光检电压(反映了光强)。峰峰值之间的频率间隔为f2-f1。采集得到的电压输出值经中央处理器与PC通信存入单独的文件中，并对其进行处理，得出曲线中Y轴坐标的最大值V_H及最小值V_L，并记录此时刻相应的X轴频率坐标H_f及L_f，即中央处理器D/A输出的电压值。需要着重说明的一点是，在数据采集的过程中，务必要保证每改变一个X轴的值，同时记录此时刻相对应的Y轴电压值，它们是一一对应的关系。通过上述的方案，在V_L-V_H范围内，通过软件的判断方法选择一个最接近于0的点，同时记录其X轴的值，将此点位置定为原点(0，0)，依此点分别向X轴左、右边各取相同的点(例如取20个点),对这41个点数据进行曲线拟合，得出相应的斜率值。

第六步，比较多个斜率，获得其中的最大值，并选取最大斜率对应的指定温度最为光源体的控温温度。即从100个斜率值中选出最大的一个对应的第三步中温度范围为124.0至125.0摄氏度的某一个具体的温度值。

本说明书未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。