一种适用于百瓦级半导体激光二极管的控温与散热装置

1.本发明属于激光器温控与控制领域技术领域，具体涉及一种适用于百瓦级半导体激光二极管的控温与散热装置。


背景技术：

2.近年来，以大功率激光二极管泵浦的全固态激光器由于其出光功率范围广的优势，在工业制造、科学研究等方面被广泛的应用。
3.由于大功率激光二极管是全固态激光器中的核心部件，且其尺寸很小，工作时的其表面的热流密度很高，如果不能将其周边的热能有效的散发到外界，其核心温度就会上升，导致大功率激光二极管的运行速度降低，严重时会造成大功率激光二极管损坏，造成全固态激光器的使用成本大幅增加。
4.另外，当全固态激光器在温度容易发生改变的环境下使用时，最为核心部件的大功率激光二极管由于温度的波动会影响激光输出的质量，造成全固态激光器运行稳定性降低，需要更加严格的控温设备和方案。
5.除此之外，由于大功率激光二级管的尺寸有限，为了保证散热效果、精确的控温需求以及电流与电压的限制，既需要与之相适应的铜板散热结构，并且热电制冷器的型号与大小也需要严格选择。
6.故需要一种控温与散热装置来解决上述问题。


技术实现要素：

7.为解决现有技术的缺点和不足，提供一种适用于百瓦级半导体激光二极管的控温与散热装置，从而可解决大功率激光二极管工作过程中由于温度急剧升高，造成激光输出质量低，运行不稳定，设备易损坏等问题。
8.为实现本发明目的而提供的一种适用于百瓦级半导体激光二极管的控温与散热装置，包括有半导体激光二极管、微控制单元、温度采集模块、数字pid控温模块、恒流源散热模块、铜基板及铜底座，所述半导体激光二极管固定于铜基板的上表面，以便将半导体激光二极管的热量传导至铜基板，所述铜基板与铜底座通过螺栓固定连接，所述铜基板与铜底座之间固定有第一热电制冷器及第二热电制冷器，以利用第一热电制冷器及第二热电制冷器对铜基板进行降温，所述温度采集模块与微控制单元连通，以实现将实时传输采集到的半导体激光二极管的温度信息，所述微控制单元用于判定温度信息与设定值之间的一致性，所述微控制单元与数字pid控温模块连通，以实现将判定后的信号传输给数字pid控温模块，所述数字pid控温模块与第一热电制冷器连接，以实现对第一热电制冷器温度的精确控制，所述微控制单元与恒流源散热模块连通，以控制恒流源散热模块的启停。
9.作为上述方案的进一步改进，所述温度采集模块包括有运算放大器u1-u2、热敏电阻ntc、电阻r1-r2、稳压管d1、电容c1-c3、c6及低噪声模数转换器adc，所述运算放大器u1的反向输出端与电阻r1的一端、稳压管d1的阳极及电容c6的一端连接，同相输入端与电阻r2
的一端、电容c3的一端、热敏电阻ntc的一端及运算放大器u2的同相输入端连接，输出端与电阻r2的另一端、稳压管d1的阴极及电容c6的另一端连接，所述热敏电阻ntc及电容c3的另一端均接地，所述运算放大器u2的反向输出端及输出端均与低噪声模数转换器adc连接，所述运算放大器u1-u2的正电源端均与+12v电源、电容c1的一端连接，所述运算放大器u1-u2的负电源端均与-12v、电容c2的一端电源连接，所述电容c1-c2的另一端接地。
10.作为上述方案的进一步改进，所述数字pid控温模块包括有双路全桥脉宽调制驱动器，所述微控制单元通过计算采集温度与设定温度的误差值，计算得出高分辨率脉宽调制信号，所述高分辨率脉宽调制信号传输至双路全桥脉宽调制驱动器，得到驱动电流，所述驱动电流驱动第一热电制冷器实现精确控温。
11.作为上述方案的进一步改进，所述恒流源散热模块包括有可调电位器p1、运算放大器u3、电阻r3-r5及功率放大器t1，所述可调电位器p1的固定端p1-1接地，固定端p1-3与半导体激光二极管的电流控制端连接，活动端p1-2与电阻r3的一端连接，所述运算放大器u3的同相输入端与电阻r3的另一端连接，反向输出端与电阻r5的一端及功率放大器t1的发射极e连接，输出端与电阻r4的一端连接，所述功率放大器t1的基极b与电阻r4的另一端连接，集电极c与第二热电制冷器的负极连接，所述电阻r5的另一端接地，所述第二热电制冷器的正极与+12v电源连接。
12.作为上述方案的进一步改进，所述铜底座包括有冷却槽，所述冷却槽的上表面与第一热电制冷器、第二热电制冷器的下表面接触，所述冷却槽内置有微型水道，以通过外接冷却水循环机向微型水道中通入循环水来进一步加快第一热电制冷器、第二热电制冷器的散热效率。
13.作为上述方案的进一步改进，所述铜基板的上表面与第一热电制冷器、第二热电制冷器的下表面之间、铜基板的下表面与第一热电制冷器、第二热电制冷器的上表面之间铺设有导热硅脂，从而有效提升导热性。
14.作为上述方案的进一步改进，所述铜底座包括有固定槽，所述固定槽内固定有恒流源散热模块，有效提高装置集成度。
15.作为上述方案的进一步改进，所述铜基板开有多个通孔，进一步便于温度采集模块对温度信息的采集。
16.本发明的有益效果是：
17.与现有技术相比，本发明提供的一种适用于百瓦级半导体激光二极管的控温与散热装置，利用数字pid控温模块带动第一热电制冷器对半导体激光二极管进行温度控制；同时在电流源启动之后，半导体激光二极管将会产生大量的热量，利用恒流源散热模块带动第二热电制冷器工作，根据半导体激光二极管输出的光功率，第二热电制冷器匹配相应的制冷功率，对半导体激光二极管进行快速降温，从而为半导体激光二极管工作提供稳定的热量发散与温度控制过程，有效提升控温速度和精度，从而获得稳定的激光功率输出，保证激光器的正常工作。
附图说明
18.图1是本发明的总体示意图；
19.图2是本发明中各部件的爆炸图；
20.图3是本发明中温度采集模块的电路示意图；
21.图4是本发明中恒流源散热模块的电路示意图；
22.图5是本发明中铜底座的结构示意图；
23.图6是本发明中铜基板的结构示意图；
24.图7是本发明的整体构造示意图；
25.图8是本发明的运行过程示意图。
具体实施方式
26.以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
27.实施例一
28.本发明提供了一种适用于百瓦级半导体激光二极管的控温与散热装置，包括有半导体激光二极管3、微控制单元、温度采集模块、数字pid控温模块、恒流源散热模块、铜基板1及铜底座2，半导体激光二极管3固定于铜基板1的上表面，以便将半导体激光二极管3的热量传导至铜基板1，铜基板1与铜底座2通过螺栓固定连接，铜基板1与铜底座2之间固定有第一热电制冷器4及第二热电制冷器5，以利用第一热电制冷器4及第二热电制冷器5对铜基板1进行降温，温度采集模块与微控制单元连通，以实现将实时传输采集到的半导体激光二极管3的信息，微控制单元用于判定温度信息与设定值之间的一致性，微控制单元与数字pid控温模块连通，通过设定pid参数值，将判定后的信号传输给数字pid控温模块，数字pid控温模块与第一热电制冷器4连接，以实现对第一热电制冷器4温度的精确控制，微控制单元与恒流源散热模块连通，以控制恒流源散热模块的启停，恒流源散热模块与第二热电制冷器5连接。
29.其中：温度采集模块包括有运算放大器u1-u2、热敏电阻ntc、电阻r1-r2、稳压管d1、电容c1-c3、c6及低噪声模数转换器adc，运算放大器u1的反向输出端与电阻r1的一端、稳压管d1的阳极及电容c6的一端连接，同相输入端与电阻r2的一端、电容c3的一端、热敏电阻ntc的一端及运算放大器u2的同相输入端连接，输出端与电阻r2的另一端、稳压管d1的阴极及电容c6的另一端连接，热敏电阻ntc及电容c3的另一端均接地，运算放大器u2的反向输出端及输出端均与低噪声模数转换器adc连接，运算放大器u1-u2的正电源端均与+12v电源、电容c1的一端连接，运算放大器u1-u2的负电源端均与-12v、电容c2的一端电源连接，电容c1-c2的另一端接地；
30.本模块根据运算放大器“虚短虚断”原理，通过稳压管d1为热敏电阻ntc提供恒定的参考电流，利用电阻r2使得恒定电流大小为100μa，在通过测量热敏电阻ntc两端电压，就可得到当前热敏电阻ntc的电阻值，从而计算出当前温度值。
31.数字pid控温模块包括有双路全桥脉宽调制驱动器，微控制单元通过计算采集温度与设定温度的误差值，计算得出高分辨率脉宽调制信号，高分辨率脉宽调制信号传输至双路全桥脉宽调制驱动器，得到驱动电流，驱动电流驱动第一热电制冷器4实现精确控温。
32.恒流源散热模块包括有可调电位器p1、运算放大器u3、电阻r3-r5及功率放大器t1，可调电位器p1的固定端p1-1接地，固定端p1-3与半导体激光二极管3的电流控制端连接，活动端p1-2与电阻r3的一端连接，运算放大器u3的同相输入端与电阻r3的另一端连接，反向输出端与电阻r5的一端及功率放大器t1的发射极e连接，输出端与电阻r4的一端连接，
功率放大器t1的基极b与电阻r4的另一端连接，集电极c与第二热电制冷器5的负极连接，电阻r5的另一端接地，第二热电制冷器5的正极与+12v电源连接；
33.接收到驱动电流源工作的指令并设定电流值后，微控制单元mcu通过数模转换器dac将转换成的模拟量i program+输入驱动源的输入信号端，第二热电制冷器5将会得到相应的驱动电流，同时，电流源将会输出相应的电流驱动半导体激光二极管，因此第二热电制冷器5将会根据半导体激光二极管的输出光功率来调节制冷功率，达到被控对象的精确散热要求，以实现对被控对象的快速降温。
34.铜底座2包括有冷却槽207，冷却槽207的上表面与第一热电制冷器4、第二热电制冷器5的下表面接触，冷却槽207内置有微型水道，以通过外接冷却水循环机向微型水道中通入循环水来进一步加快第一热电制冷器4、第二热电制冷器5的散热效率；铜底座2包括有固定槽208，固定槽208内固定有恒流源散热模块，有效提高装置集成度。
35.铜基板1的上表面与第一热电制冷器4、第二热电制冷器5的下表面之间、铜基板2的下表面与第一热电制冷器4、第二热电制冷器5的上表面之间铺设有导热硅脂，从而有效提升导热性；铜基板1开有多个通孔101，进一步便于温度采集模块对温度信息的采集。
36.本装置的功能操作流程为：
37.1、开机后输入设定值完成系统的初始化后，利用温度采集模块进行实时温度的采集并将温度信息传输至微控制单元mcu；
38.2、微控制单元mcu判断温度测量值与设定值是否一致，不一致时进行判断温度测量值是否高于设定值；
39.3、在开启ld电流源之后，当温度测量值高于设定值时，将会对半导体激光二极管3进行电流驱动，此时产生大量的热；同时驱动数模转换器dac产生一个模拟信号i program+，驱动恒流源散热模块控制第二热电制冷器5进行制冷，对半导体激光二极管3实现降温；
40.4、再利用温度采集模块进行温度检测，当实测温度不等于设定值时，通过微控制单元mcu计算适合的pid值，输出高分辨率脉宽调制信号，再传输至双路全桥脉宽调制驱动器得到驱动电流，驱动电流传输至第一热电制冷器4进行制冷或者制热，实现半导体激光二极管3处温度的精确控制。
41.另外数字pid控温模块也可作用于没有启动ld电流源时对于设备的基本温度控制。
42.上述实施例中，微控制单元的型号为tms320f28069，热敏电阻ntc的型号为tcs610 10kω@25℃温度传感器，运算放大器u1、u2采用双路超低噪声精密运算放大器opa27，运算放大器u3采用op27lm358，模数转换模块adc采用24位低噪声模数转换器ads1248，模数转换模块dac采用d/a转换器ad5541，双路全桥脉宽调制驱动器采用双路双桥pwm驱动器drv8432，功率放大管t1采用npn型bu941，冷却水循环机的型号为长流仪器lx-600；
43.半导体激光二极管的型号为m1f4s22-is30.3m6t3，在电流为57.2a，电压为3.43v，25℃的条件下，可以产生功率为115w，波长为810nm的激光输出；
44.第一热电制冷器采用tem系列，最大制冷功率为142w，最大电流与电压分别为15a和17.5v，转化效率为54％；
45.第二热电制冷器采用单级tem系列，最大冷却功率为47w，最大电流和电压为9a和9.8v，转换效率为53％。
46.以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。