专利名称：一种小型数控多波长集成激光器的制作方法
技术领域：
本发明涉及激光应用领域，尤其涉及一种小型数控多波长集成激光器。
技术背景光纤激光器作为第三代激光技术的代表，随着性能的不断提高，各种类型 的光纤激光器已经开始抢占一些从前被传统激光器牢固占领的市场。光纤激光 器具有易于使用、精度高、稳定性高和使用灵活等一些深受终端用户青睐的优 点，因此光纤激光器的应用市场快速增长。在光纤激光器中，半导体激光器由 于其体积小、成本低、在已有产品中占有相当份额。目前，其相关技术水平、 生产工艺己经十分成熟，能够产生的激光波长从紫光到红外均有分布。但由于 材料特性等本质问题，在紫外波段，半导体激光器还未见成熟产品，即使在可 见红外波段，也只有在特定波长点上，可有半导体直接发出激光。传统的固体 激光器在短波长处技术比较成熟。两者结合，可互相补充，使得波长覆盖更加 全面。在医疗、分析、测量等很多实际应用中，人们需要一种可以方便切换激光 波长和功率的激光器。目前，市场上的产品主要是采用大功率、大体积的固体、 气体激光器配合光学参量振荡器实现来满足这一需求。但类似的方案存在成本 高、体积大、几乎没有移动性等明显缺点。市场上还没有出现既能满足波长功 率方便切换又具有良好的便携性的产品。本发明在上述技术基础上，将小尺寸固体激光器、半导体激光器集成在一 起，实现了不同波长数控切换，同一波长可功率数控切换。采用光纤输出，特 别优化了电源控制系统，体积小、功耗低、成本低，在需求功率不是很大的情 况下，可很好的满足上述市场需求。 发明内容本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种小型数控多波长集成激光器°小型数控多波长集成激光器包括集成激光器和数控系统，集成激光器包括k个固体激光器、k个激光-光纤耦合器、光纤束、SMA905母口、 m个具有热电 制冷的半导体激光器、n个半导体激光器、RS232接口、激光器电源接口、功率 检测接口、热点制冷电源接口、温度检测接口； k个固体激光器分别与k个激光 -光纤耦合器对应相连接；m个具有热电制冷的半导体激光器的输出光纤、n个半导体激光器的输出光纤和k个激光-光纤耦合器输出光纤捆扎在一起与SMA905母口连接；RS232接口分别与k个固体激光器连接；激光器电源接口分 别与m个具有热电制冷的半导体激光器、n个半导体激光器和k个固体激光器 连接；功率检测接口分别与m个具有热电制冷的半导体激光器、n个半导体激 光器连接；热电制冷电源接口分别与m个具有热电制冷功能的半导体激光器连 接；温度检测接口分别与m个具有热电制冷功能的半导体激光器连接。所述的激光-光纤耦合器包括镀膜透镜和光纤接头，镀膜凸透镜直径为2 5mm，光线接头的直径为100 125pm，光纤接头放在镀膜透镜的1倍焦距处。所述的光纤束由多根芯径为100 125pm的光纤捆扎在一起组成，总的芯径 为400 460nm，装在同一个保护套管内。所述的数控系统内部模块连接关系为单片机分别与复位按键、蜂鸣器、 晶振、VGA接口、程序下载口、 RS232接口、热点制冷驱动器、固体激光器驱 动模块、恒流源芯片、电压转换芯片相连接；热点制冷驱动器与多路开关连接； 恒流源芯片分别与电压转换芯片、单片机、多路开关、固体激光器驱动模块连 接；+5￥输入接口与电压转换芯片连接；+12￥输入接口与固体激光器驱动模块 连接；固体激光器驱动模块与负载接口连接；多路开关与急停开光和负载接口 连接。所述的热点制冷驱动器电路为热点制冷器)的热敏电阻一端接地，另一端 接运放的3脚并通过第一电阻接参考电压Vref;运放的2脚和6脚连接后与AD 转换器的IN+引脚连接；AD转换器的IN-和Vss—起接地，AD转换器的Vdd 引脚接电源Vcc并通过第一电容接地，AD转换器的Vref引脚接参考电压Vref， AD转换器的CLK引脚、Dout引脚，CS引脚接单片机；数模转化器的CS引脚、 SCK引脚、SDI引脚分别接单片机，数模转化器的Vss引脚接地，Vref引脚接 参考电压，Vdd引脚接电源Vcc并通过第二电容接地;热点制冷驱动芯片的VDD 引脚、FREQ引脚、PVDD1引脚、PVDD2引脚分别与电源Vcc连接，VDD引 脚通过第十电容接地，PVDD1引脚通过第九电容接地，PVDD2引脚通过第八 电容接地，PGND1引脚、PGND2引脚接地，REF引脚和MAXIP引脚一起接参 考电压Vref并通过第七电容接地，参考电压Vref经第五电阻和第四电阻分压， 第五电阻和第四电阻中间点接MAXIN引脚，Vref经第六电阻和第三电阻分压， 第六电阻和第三电阻中间点接MAXV引脚，CTLI引脚接DA转换器的Vout引 脚，GND引脚接地，COMP引脚通过第四电容接地，LX2引脚与第一电感连接， 0S1引脚和0S2引脚分别与热点制冷器的TVdd引脚和TVss引脚连接并且OS2引脚与第一电感另一端连接并通过第三电容接地，CS引脚通过第五电容与OS2 引脚连接并通过第二电阻与OS1引脚连接，LX1引脚通过第二电感与CS引脚 连接，第二电感另一端通过第六电容接地。本发明采用数控系统统一供电、控制、管理，能够方便的实现不同波长的 激光器数控切换，并且能够实现同一波长的不同功率切换，十分适合需要多波 长激光场合，将固体激光器和半导体激光器集成在一起，丰富了波长点。TEC 制冷的使用极大的稳定了激光器的功率，保证了出光质量。对于发热不大的半 导体激光器模块没有采用制冷措施，激光器体积小、重量轻、功耗低，可用于 需要移动的便携式仪器。此款激光器已经应用在便携式水质分析仪上，作为其 光源使用。
图1是本发明的集成激光器结构框图； 图2是本发明的激光-光纤耦合器结构示意图； 图3是本发明的光纤束结构示意图； 图4是本发明的数控系统框图； 图5是本发明的热点制冷驱动器电路图； 图6是数控系统的工作流程图。
具体实施方式
如图1所示，小型数控多波长集成激光器包括集成激光器和数控系统，集 成激光器包括k个固体激光器、k个激光-光纤耦合器、光纤束、SMA905母口、 m个具有热电制冷的半导体激光器、n个半导体激光器、RS232接口、激光器电 源接口、功率检测接口、热点制冷电源接口、温度检测接口； k个固体激光器分 别与k个激光-光纤耦合器对应相连接；m个具有热电制冷的半导体激光器的输 出光纤、n个半导体激光器的输出光纤和k个激光-光纤耦合器输出光纤捆扎在 一起与SMA905母口连接；RS232接口分别与k个固体激光器连接；激光器电 源接口分别与m个具有热电制冷的半导体激光器、n个半导体激光器和k个固 体激光器连接；功率检测接口分别与m个具有热电制冷的半导体激光器、n个 半导体激光器连接；热电制冷电源接口分别与m个具有热电制冷功能的半导体 激光器连接；温度检测接口分别与m个具有热电制冷功能的半导体激光器连接。固体激光器和半导体激光器的波长离散分布在400nm至900nm之间。用户 可以根据需要和市场上已有激光器管芯，自行选择400nm至900nm的半导体激 光器或是小体积固体激光器集成到一起，并根据管芯的发热情况决定是否采用热电制冷封装形式。如图2所示，激光-光纤耦合器包括镀膜透镜和光纤接头，镀膜凸透镜直径 为2 5mm，光线接头的直径为100 125pm，光纤接头放在镀膜透镜的1倍焦 距处。镀膜凸透镜将固体激光器发出的直径为2 5mm激光束精准聚焦到125pm 的芯径上。由于输出光纤芯径很细，对透镜的聚焦精度和耦合器的的安装工艺 要求都很高。所述的光纤束由9根芯径为100 125pm的光纤捆扎在一起，总的 芯径为400 460Mm，装在同一个保护套管内。光纤束最后与集成激光器外壳上 的SMA905母口连接，外面与SMA905母口对接的输出光纤芯径要求大于 460nm，最好采用600pm芯径的光纤，才能保证接口耦合效率。如图3所示，光纤束由多根芯径为100 125pm的光纤捆扎在一起组成，总 的芯径为400 460|im，装在同一个保护套管内。如图4所示，数控系统内部模块连接关系为单片机分别与复位按键、蜂 鸣器、晶振、VGA接口、程序下载口、 RS232接口、热点制冷驱动器、固体激 光器驱动模块、恒流源芯片、电压转换芯片相连接；热点制冷驱动器与多路开 关连接；恒流源芯片分别与电压转换芯片、单片机、多路开关、固体激光器驱 动模块连接；+5￥输入接口与电压转换芯片连接；+12￥输入接口与固体激光器 驱动模块连接；固体激光器驱动模块与负载接口连接；多路开关与急停开光和 负载接口连接。数控系统单片机内置程序，控制整个集成激光器的工作，并且通过程序检 测激光器模块温度，如果超过预设的报警值，将启动急停开关，并通过蜂鸣器 报警。由于固体激光器是已有产品，故控制系统通过串口与其驱动器通讯，实 现对固体将其的控制。如图5所示，热点制冷驱动器电路为热点制冷器Ul的热敏电阻Rt —端 接地，另一端接运放U2的3脚并通过第一电阻Rl接参考电压Vref;运放U2 的2脚和6脚连接后与AD转换器U3的IN+引脚连接；AD转换器U3的IN-和Vss —起接地，AD转换器U3的Vdd引脚接电源Vcc并通过第一电容Cl接 地，AD转换器U3的Vref引脚接参考电压Vref， AD转换器U3的CLK引脚、 Dout引脚，CS引脚接单片机；数模转化器U4的CS引脚、SCK引脚、SDI引 脚分别接单片机，数模转化器U4的Vss引脚接地，Vref引脚接参考电压，Vdd 引脚接电源Vcc并通过第二电容C2接地；热点制冷驱动芯片U5的VDD引脚、 FREQ引脚、PVDD1引脚、PVDD2引脚分别与电源Vcc连接，VDD引脚通过 第十电容C10接地，PVDD1引脚通过第九电容C9接地，PVDD2引脚通过第八电容C8接地，PGND1弓I脚、PGND2引脚接地，REF引脚和MAXIP引脚一 起接参考电压Vref并通过第七电容C7接地，参考电压Vref经第五电阻R5和 第四电阻R4分压，第五电阻R5和第四电阻R4中间点接MAXIN引脚，Vref 经第六电阻R6和第三电阻R3分压，第六电阻R6和第三电阻R3中间点接MAXV 引脚，CTLI引脚接DA转换器U4的Vout引脚，GND引脚接地，COMP引脚 通过第四电容C4接地，LX2引脚与第一电感L1连接，OS1弓l脚和OS2引脚分 别与热点制冷器U1的TVdd引脚和TVss引脚连接并且OS2引脚与第一电感Ll 另一端连接并通过第三电容C3接地，CS引脚通过第五电容C5与OS2引脚连 接并通过第二电阻R2与OS1引脚连接，LX1引脚通过第二电感L2与CS引脚 连接，第二电感L2另一端通过第六电容C6接地。热点制冷驱动器工作过程说明如下。开光驱动器是采用的MAXIM公司的 MAX1968。热敏电阻Rt上的电压信号代表温度的变化，该信号经过运放U2隔 离后送至U3进行AD转换，AD转换器采用MICROCHIP公司生产的单通道12 位AD转换芯片MCP3201，接口方式为SPI串行协议。MCP3201将转换后的数 字信号送数控系统单片机。单片机先将采集到的温度信号进行数字滤波，再与 设定的温度值比较并进行数字PID处理。之后单片机输出控制信号至DA转换 器U4， DA转换器根据单片机送来的控制信号输出一个模拟控制电压至 MAX1968的CTLI引脚上，从而精确地设置连接在MAX1968 OS1与OS2引脚 之间的TEC U4上所通过的电流方向与大小。DA转换器选用MICROCHIP公司 生产的单通道12位引脚DA芯片MCP4921。接口方式为SPI串行协议。MAXIP 和MAXIN引脚分别用来设置允许通过热点制冷器的加热和制冷电流的最大值， 而MAXV引脚用来设置允许加在TEC两端的最大电压。ITEC引脚的输出电流 与TEC中通过的电流具有线性关系，可以利用它实时监测TEC中通过的电流大 小。如图6所示，是数控系统的工作流程图。开机后，集成激光器首先进行初 始化，读取ROM中的各种设定参数，之后检测串口是否有命令字，如果有，判 断命令字要求点亮的激光器通道号和要求的激光功率，之后根据命令字接通激 光器对应通道的电源，并控制电流至要求值。如接下来检测TEC模块中热敏二 极管的信号，根据温度设定值给出TEC驱动器合适的电流，最后再次检测串口 是否有新的命令字发来。如果串口没有收到命令字，则保持当前工作状态，并 不停循环检测串口。
权利要求
1.一种小型数控多波长集成激光器，其特征在于包括集成激光器和数控系统，集成激光器包括k个固体激光器、k个激光-光纤耦合器、光纤束、SMA905母口、m个具有热电制冷的半导体激光器、n个半导体激光器、RS232接口、激光器电源接口、功率检测接口、热点制冷电源接口、温度检测接口；k个固体激光器分别与k个激光-光纤耦合器对应相连接；m个具有热电制冷的半导体激光器的输出光纤、n个半导体激光器的输出光纤和k个激光-光纤耦合器输出光纤捆扎在一起与SMA905母口连接；RS232接口分别与k个固体激光器连接；激光器电源接口分别与m个具有热电制冷的半导体激光器、n个半导体激光器和k个固体激光器连接；功率检测接口分别与m个具有热电制冷的半导体激光器、n个半导体激光器连接；热电制冷电源接口分别与m个具有热电制冷功能的半导体激光器连接；温度检测接口分别与m个具有热电制冷功能的半导体激光器连接。
2. 根据权利要求1所述的一种小型数控多波长集成激光器，其特征在于所 述的激光-光纤耦合器包括镀膜透镜和光纤接头，镀膜凸透镜直径为2 5mm， 光线接头的直径为100 125nm，光纤接头放在镀膜透镜的1倍焦距处。
3. 根据权利要求1所述的一种小型数控多波长集成激光器，其特征在于所 述的光纤束由多根芯径为100 125pm的光纤捆扎在一起组成，总的芯径为 400 460|am，装在同一个保护套管内。
4. 根据权利要求1所述的一种小型数控多波长集成激光器，其特征在于所 述的数控系统内部模块连接关系为单片机分别与复位按键、蜂鸣器、晶振、 VGA接口、程序下载口、 RS232接口、热点制冷驱动器、固体激光器驱动模块、 恒流源芯片、电压转换芯片相连接；热点制冷驱动器与多路开关连接；恒流源 芯片分别与电压转换芯片、单片机、多路开关、固体激光器驱动模块连接；+5V 输入接口与电压转换芯片连接；+12￥输入接口与固体激光器驱动模块连接；固 体激光器驱动模块与负载接口连接；多路开关与急停开光和负载接口连接。
5. 根据权利要求4所述的一种小型数控多波长集成激光器，其特征在于所 述的热点制冷驱动器电路为热点制冷器(Ul)的热敏电阻(Rt)—端接地，另一端 接运放(U2)的3脚并通过第一电阻(R1)接参考电压Vref;运放(U2)的2脚和6脚 连接后与AD转换器(U3)的IN+引脚连接；AD转换器(U3)的IN-和Vss —起接 地，AD转换器(U3)的Vdd引脚接电源Vcc并通过第一电容(Cl)接地，AD转换 器(U3)的Vref引脚接参考电压Vref， AD转换器(U3)的CLK引脚、Dout引脚，CS引脚接单片机；数模转化對U4)的CS引脚、SCK引脚、SDI引脚分别接单 片机，数模转化器(U4)的Vss引脚接地，Vref引脚接参考电压，Vdd引脚接电源 Vcc并通过第二电容(C2)接地；热点制冷驱动芯片(U5)的VDD引脚、FREQ引 脚、PVDD1弓I脚、PVDD2引脚分别与电源Vcc连接，VDD引脚通过第十电容 (C10)接地,PVDD1引脚通过第九电容(C9)接地，PVDD2引脚通过第八电容(C8) 接地，PGND1引脚、PGND2引脚接地，REF引脚和MAXIP引脚一起接参考电 压Vref并通过第七电容(C7)接地，参考电压Vref经第五电阻(R5)和第四电阻(R4) 分压，第五电阻(R5)和第四电阻(R4)中间点接MAXIN引脚，Vref经第六电阻(R6) 和第三电阻(R3)分压，第六电阻(R6)和第三电阻(R3)中间点接MAXV引脚，CTLI 引脚接DA转换器(U4)的Vout引脚，GND引脚接地，COMP引脚通过第四电容 (C4)接地，LX2弓l脚与第一电感(L1)连接，OS1引脚和OS2引脚分别与热点制 冷器(U1)的TVdd引脚和TVss引脚连接并且OS2引脚与第一电感(L1)另一端连 接并通过第三电容(C3)接地，CS引脚通过第五电容(C5)与OS2引脚连接并通过 第二电阻(R2)与OS1引脚连接，LX1引脚通过第二电感(L2)与CS引脚连接，第 二电感(L2)另 一端通过第六电容(C6)接地。
全文摘要
本发明公开了一种小型数控多波长集成激光器。它由集成激光器和数控系统两部分组成。集成激光器中集成了多个小体积固体激光器和半导体激光器，波长范围可在400nm至900nm之间按需要离散分布，各个波长的激光通过同一SMA905接口分时输出。数控系统通过串口和上位机通讯，用户可以通过数字指令切换激光器的波长，也可以通过数字指令控制同一波长激光的功率；数控系统自动检测各个激光模块的温度，并通过控制制冷模块电流稳定温度，保证输出功率稳定。系统还实现了超温、过流、过压报警保护。用户可以通过板上硬件开关或数字指令实现激光器的急停，使激光器处于待机状态，只是不输出激光。此数控多波长集成激光器体积小、重量轻、功耗低，适合于作为各种仪器的光源并且可以移动使用。
文档编号H01S5/00GK101272036SQ20081006068
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月28日 优先权日2008年4月28日
发明者于海生, 单战虎, 吴铁军, 李艳君, 武晓莉 申请人:浙江大学