一种在TDLAS应用中半导体激光器的波长控制方法及系统与流程

一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法及系统
技术领域
1.本发明涉及半导体激光器技术领域，尤其是指一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法、装置及系统。


背景技术：

2.可调谐半导体激光吸收光谱（tdlas，tunable diode laser absorption spectroscopy）技术被广泛应用于环境监测、燃烧诊断、天然气泄漏检测、痕量气体成分分析等诸多领域。然而在实际应用中，半导体激光器的输出频率受外界环境变化（温度、湿度、震动等）的影响会造成频率的漂移，特别是外界环境温度的变化对激光器输出频率的影响尤为严重。
3.目前比较实用的半导体激光器稳频技术主要有光反馈稳频技术、直接电控稳频技术，以及分束器结合参考池的方法等。其中，光反馈稳频是利用相干或者非相干光反馈进行稳频，容易受震动、温度、气压等因素影响，稳频精度低；分束器结合参考池的方法，利用一次谐波信号或三次谐波信号作为反馈控制信号将激光器的输出频率稳定在特定的吸收峰上，但是这种方法要求检测系统多出一个分束器、参考吸收池、探测器以及锁相放大器，不仅增加了系统的成本，而且使得系统的结构复杂。
4.专利cn104466673b公开了一种补偿超辐射发光二极管光源波长温度漂移的装置和方法，超辐射发光二极管的光源尾纤与半导体光放大器输入端相连，温度传感器探测超辐射发光二极管管芯的温度信号并将其输入到信号处理模块，信号处理模块产生调整信号并将其输入到半导体光放大器的工作参数控制端，从而对半导体光放大器的驱动电流进行控制，对超辐射发光二极管平均波长的温度漂移进行补偿，改善其波长稳定性。在管芯温度发生变化时通过调整驱动电流以使二极管的平均波长稳定在λm，然而这种方式只能通过调整驱动电流来改变半导体激光器的平均波长，而当驱动电流发生大幅度变化时，发光二极管的管芯温度也会随之变化，所以这种方式下发光二极管的工作温度的稳定性较差，导致发光二极管的波长稳定性较差。
5.因此，如何提高半导体激光器输出波长的稳定性，是目前待解决的问题。


技术实现要素：

6.为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中半导体激光器输出波长的稳定性差的问题。
7.为解决上述技术问题，本发明提供了一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法，包括：步骤s1：获取满足半导体激光器输出目标波长的一系列工作温度和工作电流的组合，将其视为二维坐标中的多个第一数据点；步骤s2：在半导体激光器当前的工作温度下，根据当前扫频前半周期的电流变化范围和扫频步长计算得到扫频过程中的一系列电流变化值，将其视为二维坐标中的多个第
二数据点；步骤s3：在同一二维坐标下，对比所述多个第一数据点和所述多个第二数据点，以温度变化为优先因素，利用逼近算法选取最优第一数据点和最优第二数据点；步骤s4：调整半导体激光器的工作温度为所述最优第一数据点对应的工作温度，并修改扫频步长，返回执行步骤s2-s3，直至最优第一数据点和最优第二数据点之间的距离小于预设距离阈值；步骤s5：检测当前tdlas系统中通过标准气体吸收池的半导体激光信号，获取工作曲线，根据工作曲线与标定曲线之间的误差计算误差率，所述标定曲线为半导体激光器输出目标波长时的工作曲线；步骤s6：判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在tdlas系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长。
8.优选地，所述在同一二维坐标下，对比所述多个第一数据点和所述多个第二数据点，以温度变化为优先因素，利用逼近算法选取最优第一数据点和最优第二数据点包括：根据距离公式计算任意第一数据点和任意第二数据点之间的距离，并选取前三近距离，分别为：最近距离、次近距离和第三近距离；分别计算所述前三近距离所对应的第一数据点和第二数据点之间的温度差值和电流差值；以温度差值最小为优先因素，电流差值最小为次要因素，筛选出最优第一数据点和最优第二数据点。
9.优选地，所述检测当前tdlas系统中通过标准气体吸收池的半导体激光信号，获取工作曲线，根据工作曲线与标定曲线之间的误差计算误差率，所述标定曲线为半导体激光器输出目标波长时的工作曲线包括：在tdlas技术中扫频周期内实现目标波长输出的情况下，获取此时经过一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的标定曲线作为参考信号；在实现动态调整中，获取一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的工作曲线作为实际信号；计算所述参考信号与实际信号之间在峰峰值之间的差异，得到所述误差，计算误差率。
10.优选地，所述判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在tdlas系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长包括：当第一误差阈值≤误差率《第二误差阈值时，保持工作温度不变，改变扫频步长直至所述误差率小于所述第一误差阈值，步长调整公式为：，其中，为调整后的步长，为初始步长，的初始值为1，每调整一次，将其加一，为电流比例系数，为系统调整电流的最小分辨率；
若在扫频周期内，无法调整扫频步长将所述误差率降至小于所述第一误差阈值，则调整电流比例系数，重复以上步骤，电流比例系数调整公式为：，其中，为比例系数，表示调整扫频步长后误差的变化。
11.优选地，所述判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在tdlas系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长包括：当误差率≥第二误差阈值时，保持扫频步长不变，调整工作温度直至所述误差率小于所述第二误差阈值，温度调整公式为：，并且，；其中，为调整后的工作温度，为初始工作温度，n的初始值为1，每调整一次，将其加一，为温度变化比例系数，为系统调整温度的最小分辨率，为环境温度，为预设阈值，为半导体激光器最高工作温度。
12.优选地，所述若在满足的条件下，所述误差率仍没有降至小于所述第二误差阈值，则进行反向搜索调整工作温度和扫频步长，调整公式为：，；其中，反向搜索的范围为[tr1，2tr-tr1]，为反向调整后的工作温度，为反向调整后的扫频步长，的初始值为1，每调整一次，将其加一。
[0013]
优选地，所述判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后还包括：对所述误差率小于所述第一误差阈值后得到的多组工作电流和工作温度进行筛选，得到工作温度与预设温度值差值最小且输出波长的工作曲线与标定曲线中心位置相差最小的一组最优的工作电流和工作温度。
[0014]
优选地，所述在所述最优的工作电流和工作温度下，再次验证误差率，若所述误差率小于所述第一误差阈值，则在tdlas系统中，半导体激光器在扫频周期内输出了目标波长。
[0015]
本发明还提供了一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制装置，用于实现上述的在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法
本发明还提供了一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制系统，包括：标准气室，用于半导体激光器输出波长的波长判断的标准器件；光电探测器，用于探测半导体激光器输出波长的激光信号；如上述的在tdlas应用中半导体激光器的波长控制装置，用于采集、解调和处理所述光电探测器输出的激光信号，输出动态实时调整参数；tdlas系统，其中：半导体激光器，作为系统光源；温度控制器，用于根据所述波长控制装置输出的动态实时调整参数调整所述半导体激光器的工作温度；电流控制器，用于根据所述波长控制装置输出的动态实时调整参数调整所述半导体激光器的工作电流。
[0016]
本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：本发明所述的在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法，首先根据满足目标波长下的一系列工作电流和工作温度，利用逼近算法对半导体激光器初始的工作温度和工作电流进行粗略调整，然后对比半导体激光器输出波长的工作曲线和预先存储的标定曲线，计算误差，进而得到误差率，以将误差率降至不高于预设数值为目标，再次对工作电流和工作温度进行精细校准，从而使得半导体激光器输出稳定的目标波长，本发明考虑全面，在误差较大时，利用逼近算法调整工作温度和工作电流来快速逼近目标波长，之后根据误差率调整工作电流或工作温度来进行精校，提升了输出波长的稳定性。
附图说明
[0017]
为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中：图1是本发明在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法的实现流程图；图2是本发明一种实施例的多个第一数据点和多个第二数据点在同一二维坐标下的示意图；图3是是本发明在tdlas应用中半导体激光器的波长控制系统的结构示意图。
具体实施方式
[0018]
本发明的核心是提供一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法、装置及系统，提升了输出波长的稳定性。
[0019]
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0020]
请参考图 1，图1为本发明所提供的在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法的实现流程图；具体操作步骤如下：在tdlas系统运行情况下：s101：获取满足半导体激光器输出目标波长的一系列工作温度和工作电流的组
合，将其视为二维坐标中的多个第一数据点；半导体激光器的中心波长是在一定温度下测得的光谱半高全宽中心位置所对应的波长，半高全宽是指光谱峰值两侧 强度下降到峰值一半时所对应的波长差；本技术对预设波长λm不作限定，预设数值λm例如可以是808nm、1313nm或者1653nm；利用光谱仪对所述半导体激光器进行测试，由此，可以根据半导体激光器的工作温度与电流范围，在一定的中心电流值处，采用现有光谱器件，如光谱仪，测量一系列等间隔的温度下对应的半导体激光器的中心波长，得到半导体激光器的工作温度与中心波长的第一对应关系；同样地，在一定的工作温度时，用光谱仪测量一系列等间隔的电流下对应的半导体激光器的输出波长，得到半导体激光器的工作电流与输出波长的第二对应关系；半导体激光器的波长受到工作温度与电流的影响，因此在半导体激光器的中心波长达到预设波长时，存在一系列满足预设波长输出的温度与电流的组合，我们将其视为二维坐标中的多个第一数据点。
[0021]
s102：在半导体激光器当前的工作温度下，根据当前扫频前半周期的电流变化范围和扫频步长计算得到扫频过程中的一系列电流变化值，将其视为二维坐标中的多个第二数据点；首先利用硬件获取此时tdlas系统运行时的半导体激光工作温度tr，扫频周期内前半周期的电流变化范围 如：20ma-120ma，根据当前扫频前半周期的电流变化范围和扫频步长计算得到扫频过程中的一系列电流变化值，为半周期的扫频步数。
[0022]
s103：在同一二维坐标下，对比所述多个第一数据点和所述多个第二数据点，以温度变化为优先因素，利用逼近算法选取最优第一数据点和最优第二数据点；如图2所示，以下结合实施例对所述逼近算法进行具体说明：根据距离公式计算任意第一数据点和任意第二数据点之间的距离，并选取前三近距离，（距离近的第一数据点和第二数据点在图2所示的圆形区域内，a1，a2，a3属于第一数据点，b1，b2属于第二数据点），分别为：最近距离a2b2、次近距离a1b1和第三近距离a2b1；分别计算所述前三近距离所对应的第一数据点和第二数据点之间的温度差值和电流差值；以温度差值最小为优先因素，电流差值最小为次要因素，即温度变化越小越好，温度变化为第一优先控制变量，选择出最优调整距离，a2b2，a2b1的温度变化一样且在三段距离中最小，在此基础上，a2b2的电流变化最小，因此，筛选出最优第一数据点a2和最优第二数据点b2。
[0023]
s104：调整半导体激光器的工作温度为所述最优第一数据点对应的工作温度，并修改扫频步长，返回执行步骤s102-s103，直至最优第一数据点和最优第二数据点之间的距离小于预设距离阈值；调整工作温度tr至a2处的温度数值，修改扫频控制中的扫频步长为，使得b2与a2趋近重合。
[0024]
s105：检测当前tdlas系统中通过标准气体吸收池的半导体激光信号，获取工作曲线，根据工作曲线与标定曲线之间的误差计算误差率，所述标定曲线为半导体激光器输出目标波长时的工作曲线；s106：判断所述误差率是否小于第一误差阈值，若不小于，则利用搜索算法继续调整工作温度或工作电流，直至所述误差率小于所述第一误差阈值后，在tdlas系统中半导体激光器在扫频周期内输出目标波长。
[0025]
本发明所述的在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法，首先根据满足目标波长下的一系列工作电流和工作温度，利用逼近算法对半导体激光器初始的工作温度和工作电流进行粗略调整，然后对比半导体激光器输出波长的工作曲线和预先存储的标定曲线，计算误差，进而得到误差率，以将误差率降至不高于预设数值为目标，再次对工作电流和工作温度进行精细校准，从而使得半导体激光器输出稳定的目标波长，本发明考虑全面，在误差较大时，利用逼近算法调整工作温度和工作电流来快速逼近目标波长，之后根据误差率调整工作电流或工作温度来进行精校，提升了输出波长的稳定性。
[0026]
基于以上实施例，本实施例对步骤s105进行进一步详细说明：在tdlas技术中扫频周期内实现目标波长输出的情况下（即在tdlas系统中扫频半周期内出现标准气体池（稳定压强与温度）中气体吸收峰波长状况下），获取此时经过一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的标定曲线作为参考信号；在实现动态调整中，获取一次谐波信号幅值归一化的二次谐波信号的工作曲线作为实际信号；计算所述参考信号与实际信号之间在峰峰值之间的差异，得到所述误差，计算误差率：将所述工作曲线与所述标定曲线进行对比，将标定曲线的上升沿与下降沿吸收峰的间距作为设定值，将工作曲线的上升沿与下降沿吸收峰的间距作为变量值，计算设定值与变量值的差值，该差值与设定值的比值即为工作曲线与标定曲线的误差。
[0027]
通过一次谐波信号的幅值归一化二次谐波信号，可以消除激光强度波动、光电放大系数等因素的影响，直接反应标准气室的浓度数据，而标准气室的浓度是标准的，因此在对准特定条件下标准气室中气体的吸收峰时，归一化信号的峰峰最强。
[0028]
基于以上实施例，本实施例对步骤s106进行进一步详细说明：当误差率小于第一误差阈值3%时，即可认为在tdlas系统中扫频周期内半导体激光器输出目标波长；当第一误差阈值3%≤误差率《第二误差阈值5%时，保持工作温度不变，改变扫频步长直至所述误差率小于所述第一误差阈值，步长调整公式为：，其中，为调整后的步长，为初始步长，的初始值为1，每调整一次，将其加一，为电流比例系数，为系统调整电流的最小分辨率；若在扫频周期内，无法调整扫频步长将所述误差率降至小于所述第一误差阈值，
则调整电流比例系数，重复以上步骤，电流比例系数调整公式为：，其中，为比例系数，表示调整扫频步长后误差的变化。
[0029]
当误差率≥第二误差阈值5%时，保持扫频步长不变，调整工作温度直至所述误差率小于所述第二误差阈值，温度调整公式为： ，并且，；其中，为调整后的工作温度，为初始工作温度，的初始值为1，每调整一次，将其加一，为温度变化比例系数，为系统调整温度的最小分辨率，为环境温度，为预设阈值，为半导体激光器最高工作温度。
[0030]
若在满足的条件下，所述误差率仍没有降至小于所述第二误差阈值，则进行反向搜索调整工作温度和扫频步长直至所述误差率小于所述第二误差阈值，调整公式为：，；其中，反向搜索的范围为[tr1，2tr-tr1]，为反向调整后的工作温度，为反向调整后的扫频步长，的初始值为1，每调整一次，将其加一。
[0031]
对所述误差率小于所述第一误差阈值后得到的多组工作电流和工作温度进行筛选，得到工作温度与预设温度值差值最小且输出波长的工作曲线与标定曲线中心位置相差最小的一组最优的工作电流和工作温度；在所述最优的工作电流和工作温度下，再次验证误差率，若所述误差率小于所述第一误差阈值，则在tdlas系统中，半导体激光器在扫频周期内输出了目标波长，若述误差率不小于所述第一误差阈值，则继续执行步骤s106。
[0032]
本发明还提供了一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制装置，用于实现上述的在tdlas应用中半导体激光器的波长控制方法。
[0033]
请参考图3，图3为本发明提供的一种在tdlas应用中半导体激光器的波长控制系统，包括：标准气室2，用于tdalas系统半导体激光器输出波长的波长判断的标准器件；光电探测器3，用于探测半导体激光器输出波长的激光信号；如上述的在tdlas应用中半导体激光器的波长控制装置4，用于采集、解调和处理
所述光电探测器输出的激光信号，输出动态实时调整参数，实现动态反馈的闭关控制；首先温度与电流控制器按照初始的温度、电流扫频范围、电流步距控制半导体激光器，tdlas系统的，根据具体半导体激光特性而定，比如，调制深度，调制频率等待，其他设备不做限制；激光器运作之后，波长控制装置获取此时半导体激光器实际工作温度，电流步距等多个第二数据点与内存中的多个第一数据点对比，经过逼近算法输出调整策略；波长控制装置采集光电信号，解调输出工作曲线，并与标准曲线对比，获取误差，判断误差，如需调整，经过搜索算法输出控制信息，调整后在经过标准气室，再次进行误差获取对比判断，实现动态闭环控制。
[0034]
tdlas系统，其中：半导体激光器1，作为系统光源，所述半导体激光器可以为以下任意一种：分布式反馈激光器、分布布拉格反射激光器、垂直腔面发射激光器、外腔激光器；其中，分布式反馈激光器，即dfb(distributed feedback laser)，内置了布拉格光栅（bragg grating），属于侧面发射的半导体激光器；dfb激光器具有非常好的单色性（即光谱纯度），它的线宽普遍可以做到1mhz以内，以及具有非常高的边模抑制比（smsr），目前可高达40-50db以上；分布布拉格反射激光器，即dbr激光器，将分布布拉格反射器作为端反射镜的激光器；dbr激光器与dfb激光器不同，后者的整个活性介质都放置在一个分布反射结构中；垂直腔面发射激光器（vertical-cavity surface-emitting laser，简称vcsel）是一种半导体，其激光垂直于顶面射出，与一般用切开的独立芯片制程，激光由边缘射出的边射型激光有所不同；外腔激光器具有线宽窄、高输出功率、宽调谐范围的优点。外腔激光器的基本结构是反射镜与增益器件作为激光器的基本工作的谐振腔，中间插入滤波元件进行选模，实现单纵模激光输出。
[0035]
温度控制器5，用于根据所述数据处理模块输出的动态实时调整参数调整所述半导体激光器的工作温度；电流控制器6，用于根据所述数据处理模块输出的动态实时调整参数调整所述半导体激光器的工作电流。
[0036]
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。