一种基于TEC和加热元件的激光器无磁温控系统及温控方法与流程

本发明属于激光器温控，特别涉及一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控系统及温控方法。

背景技术：

1、激光器作为原子磁力仪、原子陀螺等量子仪表的核心器件之一，它的出光频率与激光器管芯的温度直接相关。目前激光器温度稳定方式主要有两种，第一种是使用tec进行温度闭环，该方法进行温控灵敏度较高且既可制冷又可加热，但该方法会产生较大的tec电流，较大的电流会产生磁场进而造成磁干扰，影响仪表的测量精度。第二，使用高频加热丝加热激光器管壳，通过改变高频加热信号幅度来改变加热功率，此方法使用的高频加热信号和对称结构能够有效将加热磁场降低到0.1nt以下，但这种方法不能制冷，并且加热丝进行温控的响应速度较慢，激光器管芯温控精度较差。因此，目前迫切需要一种无磁干扰的激光器管芯温控系统及温控方法，且温控精度高，响应速度快。

技术实现思路

1、为了克服现有技术中的不足，本发明人进行了锐意研究，提供了一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控系统及温控方法，克服至少一个以下技术问题：

2、(i)克服现有使用tec进行激光器温控的系统加热电流大，产生较大的剩磁干扰的问题；

3、(ii)克服使用高频加热丝加热激光器管壳不能制冷，并且加热丝进行温控的响应速度较慢、激光器管芯温控精度较差的问题。

4、本发明提供的技术方案如下：

5、第一方面，一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控系统，所述激光器的封装外壳内封装有激光器管芯和半导体制冷片，半导体制冷片对激光器管芯加热或制冷以调控激光器管芯温度；无磁加热元件置于激光器电路板上对激光器管芯加热；

6、所述温控系统包括：

7、tec温度控制模块，通过调节半导体制冷片的驱动电压对激光器管芯加热或制冷，将激光器管芯当前温度对应的电压与目标温度对应的电压的差值控制至零，使激光器管芯的温度稳定在目标值；

8、加热元件温度控制模块，用于调节无磁加热元件对激光器管芯的加热功率以将半导体制冷片的驱动电压降低到零，使得半导体制冷片的驱动电流降低到零。

9、在一种优选的实施方式中，所述tec温度控制模块包括温度采集电路，用于检测激光器内置温度检测电阻的电压，低通滤波后转换为数字信号，获得激光器管芯当前温度对应的电压。

10、在一种优选的实施方式中，所述tec温度控制模块包括减法器，用于对激光器管芯当前温度对应的电压与目标温度对应的电压作差，获得当前温度对应的电压与目标温度对应的电压的差值。

11、在一种优选的实施方式中，所述tec温度控制模块包括tec控制电路pid1，用于以激光器管芯当前温度对应电压与目标温度对应电压的差值作为误差输入，通过控制输出值将输入误差调整至零。

12、在一种优选的实施方式中，所述tec温度控制模块包括第一d/a转换电路和h桥电路，所述第一d/a转换电路将修正后的tec控制电路pid1的输出值转换为模拟电压信号，以模拟电压信号作为半导体制冷片的控制电压输入h桥电路；其中，修正后的tec控制电路pid1的输出值＝tec控制电路pid1的输出值+电压值n，电压值n为h桥电路的控制电压，在h桥电路的控制电压为n时半导体制冷片处于既不加热也不制冷状态；

13、所述h桥电路根据输入的控制电压大小改变其输出端电压方向和大小，控制半导体制冷片加热/制冷状态转换和功率调整。

14、在一种优选的实施方式中，所述加热元件温度控制模块包括加热元件控制电路pid2，其以tec控制电路的输出作为误差输入，通过调节输出将误差输入调至零，使半导体制冷片稳定在既不加热也不制冷状态下。

15、在一种优选的实施方式中，所述加热元件温度控制模块包括dds信号产生电路，用于输出10k～10mhz的数字高频正弦信号。

16、在一种优选的实施方式中，所述加热元件温度控制模块包括乘法器，用于将加热元件控制电路pid2输出的高频加热信号幅值与dds信号产生电路输出的数字高频正弦信号相乘，获得幅值不断变化的高频加热信号；其中，高频加热信号幅值的范围为0～10v；高频加热信号的频率范围为10khz～1mhz。

17、在一种优选的实施方式中，所述加热元件温度控制模块包括第二d/a转换电路和功率放大电路，所述第二d/a转换电路将乘法器输出的高频加热信号转换为模拟电流信号输入功率放大电路；

18、所述功率放大电路对输出的模拟电流信号进行功率放大。

19、第二方面，一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控方法，包括：

20、采用tec温度控制模块调节半导体制冷片的驱动电压对激光器管芯加热或制冷，将激光器管芯当前温度对应的电压与目标温度对应的电压差值控制至零，使激光器管芯的温度稳定在目标值；

21、利用加热元件温度控制模块调节无磁加热元件对激光器管芯的加热功率以将半导体制冷片的驱动电压降低到零，使得半导体制冷片的驱动电流降低到零，tec驱动电流产生的直流磁场降低到0.1nt以下。

22、在一种优选的实施方式中，采用tec温度控制模块实施温控的方式，具体包括如下步骤：

23、采用温度采集电路检测激光器内置温度检测电阻的电压，低通滤波后转换为数字信号，获得激光器管芯当前温度对应的电压；

24、以激光器管芯当前温度对应的电压与目标温度对应的电压的差值作为tec控制电路的误差输入，通过调节输出值使误差输入控制至零；

25、tec控制电路pid1的输出值加电压值n后，通过第一d/a转换电路转换为模拟电压量，作为tec的控制电压输入h桥电路，实施tec控制电流方向和大小调整，从而控制半导体制冷片实施不同功率的加热或制冷；其中电压值n为h桥电路的控制电压，在h桥电路的控制电压为n时半导体制冷片处于既不加热也不制冷状态。

26、在一种优选的实施方式中，采用加热元件温度控制模块实施温控的方式，具体包括如下步骤：

27、将tec控制电路pid1的输出值作为误差输入加热元件控制电路pid2，通过调节加热元件控制电路pid2的输出值使输入误差调至零，输出高频加热信号幅值；

28、通过dds信号产生电路输出10k～10mhz的数字高频正弦信号；

29、通过乘法器将加热元件控制电路pid2输出的高频加热信号幅值与dds信号产生电路输出的数字高频正弦信号相乘，获得幅值不断变化的高频加热信号；

30、通过第二d/a转换电路将高频加热信号转换成模拟电流信号输出，电流功率放大电路对输出的模拟电流信号进行功率放大，驱动无磁加热元件加热。

31、根据本发明提供的一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控系统及温控方法，具有以下有益效果：

32、(1)本发明提供的一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控系统及温控方法，在tec温控后端添加了加热元件控制，在稳定时将tec的功率控制在较小值，可实现无磁温控，较传统的tec温控方法减少了加热磁场，同时保证了温控鲁棒性和灵敏度且可实现制冷效果；

33、(2)本发明提供的一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控系统及温控方法，激光器外壳封装材料为无磁性的激光器管壳与封装玻璃片，采用无磁材料，减少结构剩磁干扰的影响；

34、(3)本发明提供的一种基于tec和加热元件的激光器无磁温控系统包括两个控制回路，第一个控制回路通过调节tec的驱动电压对激光器管芯加热/制冷，使得激光器管芯温度稳定在目标值，第二个控制回路通过调节无磁加热元件对激光器管芯的加热功率，将tec的驱动电压降低到0v，使得tec的驱动电流由约1a降低到0ma，此时tec驱动电流产生的直流磁场降低到0.1nt以下，激光器最终温度稳定性为0.002℃，由于无磁加热元件产生的高频加热磁场无法被原子磁力计感知，因此总的加热磁场降低为0.1nt以下。