一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统的制作方法

本实用新型涉及温度控制技术领域，具体涉及一种无低频噪声的半导体激光器数字温控系统。

背景技术：

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。

技术实现要素：

本实用新型的目的在于针对现有技术中存在的上述问题，提供一种无低频噪声的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。

本实用新型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，正弦信号源电路通过热敏电桥电路与差分放大器连接，差分放大器和正弦信号源电路均与混频器连接，混频器依次通过有源低通滤波电路、A/D转换器与中央处理器连接，中央处理器通过增益开关与差分放大器连接，中央处理器还依次通过D/A转换器与TEC驱动电路模块连接。

如上所述的中央处理器还与串口通信电路连接。

本实用新型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控制。

附图说明

图1为本实用新型结构框图。

图2为增益开关与差分放大器的实施电路原理图。

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实用新型的技术方案，但附图中的实施例不构成对本实用新型的任何限制。

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。

正弦信号源电路通过热敏电桥电路与差分放大器连接，差分放大器和正弦信号源电路均与混频器连接，混频器依次通过有源低通滤波电路、A/D转换器与中央处理器连接，中央处理器通过增益开关与差分放大器连接，中央处理器还依次通过D/A转换器与TEC驱动电路模块连接。中央处理器还与串口通信电路连接。

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，热敏电桥电路可以由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的可变电阻构成，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

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，有源低通滤波电路可以包括二阶滤波电路，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。经过有源低通滤波电路后输出的滤波信号可以表示为：

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。中央处理器可以输出增益倍数信号到增益开关，增益开关根据增益倍数信号调节与差分放大器的增益控制端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。

通过连接电脑的串口电路可以观察误差信号的变化以及数字信号对应的激光器相对温度的波动。当数字信号对应的激光器相对温度的波动基本不变时，这说明激光器的温度已经稳定了下来，能够满足实验的要求。

中央处理器将数字信号转换为温度数字调制信号并输出到D/A转换器，D/A传感器将温度数字调制信号转换为温度模拟调制信号输出到TEC驱动电路模块，进而对TEC进行控制。

优选的，热敏电阻放置在激光器铜板的内部，靠近激光头的位置，TEC用来控制激光器铜板的温度，保证热敏电阻与TEC的温度基本一致。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对本实用新型保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本实用新型作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的实质和范围。