一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构及实现方法与流程

本发明涉及半导体激光器温度控制，具体的说，是涉及一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构及实现方法。

背景技术：

1、半导体激光器是最实用最重要的一类激光器，其优势在于体积小、寿命长、发射波长可调谐，在气体传感、拉曼光谱学、激光通信、光存储、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用，因而激光器驱动控制电路的设计显得十分重要。由于绝大部分应用场景都对激光器的输出波长稳定性有很高的要求，因此如何能够稳定控制激光器的输出激光波长是激光器驱动电路设计与结构设计的重点。

2、对于半导体激光器来说，激光器温度和驱动电流都可以调制和改变半导体激光器的输出波长。一般来讲，温度对激光波长的调谐范围大，响应时间长；电流对激光波长的调谐范围小，响应时间短：温度变化1度，激光波长变化0.1nm；电流变化1ma，激光波长改变0.01nm。在上述应用中，有些应用需要控制半导体激光器激光波长保持恒定，有些应用需要控制半导体激光器出射激光波长在一定范围内往返扫描（通过电流调制半导体激光器出射激光波长）。无论是哪一种应用，都需要精确控制半导体激光器的温度，从而精确控制激光器的输出激光波长。

3、目前的半导体激光器温度控制方法是，在激光器内部集成热敏电阻（ntc）和半导体制冷器（tec）用以实现激光器内部温度的调整，其通过硬件比例积分微分算法（pid）或软件pid实现激光器温度控制。

4、目前采用的这种控温方法主要有以下缺陷：由于半导体制冷器（tec）是集成到半导体激光器内部，半导体制冷器（tec）体积小，制冷和加热能力有限，无法在大范围温度条件下都能控制激光器温度稳定，无法保证激光器输出激光波长的稳定性；并且当外界环境温度和设定的激光器目标温度相差较大时，控温精度难以保证。

5、上述缺陷，值得解决。

技术实现思路

1、为了克服现有的技术的不足，本发明提供一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构及实现方法，其使得半导体激光器可以适应大范围的温度环境变化，且能保证在大范围温度环境条件下半导体激光器温度稳定和输出波长稳定，保证控制精度。

2、本发明技术方案如下所述：

3、一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构，包括电路板及设于所述电路板上的一个或多个半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包覆于封装结构内；

4、位于所述封装结构内部的所述电路板上设有第一热敏电阻，所述第一热敏电阻用于检测所述半导体激光器所处的内部环境温度；

5、所述封装结构内还设有二级半导体制冷器，所述二级半导体制冷器用于对所述半导体激光器所处的内部环境进行制冷或制热；

6、所述电路板上还设有mcu，所述mcu根据所述第一热敏电阻的检测结果控制所述二级半导体制冷器制冷或制热。

7、根据上述方案的本发明，其特征在于，所述半导体激光器包括用于发射激光的半导体激光二极管、用于对所述半导体激光二极管进行制冷或制热的内部半导体制冷器、用于检测半导体激光二极管温度的内部热敏电阻，所述半导体激光二极管、所述内部半导体制冷器、所述内部热敏电阻均与mcu连接，所述mcu用于接收所述内部热敏电阻检测信息并控制所述内部半导体制冷器制冷或制热。

8、根据上述方案的本发明，其特征在于，位于所述封装结构外部的所述电路板上设有第二热敏电阻，所述第二热敏电阻用于检测所述封装结构所处的外部环境温度，使得所述mcu根据所述第二热敏电阻的检测结果反馈是否超温的报警信号。

9、根据上述方案的本发明，其特征在于，所述封装结构包括保温结构，所述半导体激光器、所述第一热敏电阻均置于所述保温结构的内部空间内。

10、进一步的，所述封装结构包括用于容纳所述半导体激光器的第一保温容纳槽、用于容纳所述第一热敏电阻的第二保温容纳槽，所述第一保温容纳槽与所述第二保温容纳槽连通。

11、进一步的，所述封装结构还包括散热结构，所述散热结构位于所述保温结构的旁侧，且所述二级半导体制冷器位于所述保温结构与所述散热结构之间。

12、根据上述方案的本发明，其特征在于，所述封装结构外围设有一层或多层外围封装结构，每一层所述外围封装结构的内部空间内设有用于检测该内部空间温度的检测热敏电阻、对该内部空间进行制冷或制热的外围半导体制冷器。

13、另一方面，一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构的实现方法，其特征在于，将半导体激光器包覆于封装结构内，控制所述封装结构内的温度，以使得半导体激光器处于小范围恒温区间。

14、具体包括以下步骤：

15、s1、确定半导体激光器所处的封装结构的封装内部恒温区间mt1-mt2；

16、s2、通过第一热敏电阻检测半导体激光器所处的内部环境温度t1；

17、s3、确定内部环境温度t1与封装内部恒温区间mt1-mt2的关系：

18、若内部环境温度t1大于封装内部恒温区间的高值mt2，则进入步骤s4；若内部环境温度t1小于封装内部恒温区间的低值mt1则进入步骤s5；若内部环境温度t1位于封装内部恒温区间mt1-mt2内，则进入步骤s6；

19、s4、mcu控制二级半导体制冷器制冷，使得半导体激光器所处的内部环境温度降低；

20、s5、mcu控制二级半导体制冷器制热，使得半导体激光器所处的内部环境温度升高；

21、s6、mcu控制二级半导体制冷器静置。

22、根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤s4中，制冷一段时间后判断内部环境温度t1与封装内部恒温区间mt1-mt2的关系：

23、若内部环境温度t1仍旧大于封装内部恒温区间的高值mt2，则mcu控制二级半导体制冷器加大制冷能力并制冷一段时间；

24、若内部环境温度t1位于封装内部恒温区间mt1-mt2内，则mcu控制二级半导体制冷器静置。

25、根据上述方案的本发明，其特征在于，在步骤s5中，制热一段时间后判断内部环境温度t1与封装内部恒温区间mt1-mt2的关系：

26、若内部环境温度t1仍旧小于封装内部恒温区间的低值mt1，则mcu控制二级半导体制冷器加大制热能力并制热一段时间；

27、若内部环境温度t1位于封装内部恒温区间mt1-mt2内，则mcu控制二级半导体制冷器静置。

28、根据上述方案的本发明，其特征在于，还包括半导体激光器内部温度控制：采用pid方式控制半导体激光器的内部半导体制冷器对半导体激光器控温。

29、根据上述方案的本发明，其有益效果在于，本发明不仅能够保证半导体激光器在大范围温度环境下都能正常控温，而且能够保证在任意外界环境温度下工作的半导体激光器都能有一个很高的控温精度，其能够提高半导体激光器的应用场景，能够确保激光器在大范围温度环境下输出激光波长的稳定。

技术特征：

1.一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构，包括电路板及设于所述电路板上的一个或多个半导体激光器，其特征在于，所述半导体激光器包覆于封装结构内；

2.根据权利要求1所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构，其特征在于，所述半导体激光器包括用于发射激光的半导体激光二极管、用于对所述半导体激光二极管进行制冷或制热的内部半导体制冷器、用于检测半导体激光二极管温度的内部热敏电阻，所述半导体激光二极管、所述内部半导体制冷器、所述内部热敏电阻均与mcu连接，所述mcu用于接收所述内部热敏电阻检测信息并控制所述内部半导体制冷器制冷或制热。

3.根据权利要求1所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构，其特征在于，位于所述封装结构外部的所述电路板上设有第二热敏电阻，所述第二热敏电阻用于检测所述封装结构所处的外部环境温度，使得所述mcu根据所述第二热敏电阻的检测结果反馈是否超温的报警信号。

4.根据权利要求1所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构，其特征在于，所述封装结构包括保温结构，所述半导体激光器、所述第一热敏电阻均置于所述保温结构的内部空间内。

5.根据权利要求4所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构，其特征在于，所述封装结构还包括散热结构，所述散热结构位于所述保温结构的旁侧，且所述二级半导体制冷器位于所述保温结构与所述散热结构之间。

6.根据权利要求1所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构，其特征在于，所述封装结构外围设有一层或多层外围封装结构，每一层所述外围封装结构的内部空间内设有用于检测该内部空间温度的检测热敏电阻、对该内部空间进行制冷或制热的外围半导体制冷器。

7.一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构的实现方法，其特征在于，将半导体激光器包覆于封装结构内，控制所述封装结构内的温度，以使得半导体激光器处于小范围恒温区间。

8.根据权利要求7所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构的实现方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构的实现方法，其特征在于，在步骤s4中，制冷一段时间后判断内部环境温度t1与封装内部恒温区间mt1-mt2的关系：

10.根据权利要求8所述的大范围温度下激光器波长高精度控制结构的实现方法，其特征在于，在步骤s5中，制热一段时间后判断内部环境温度t1与封装内部恒温区间mt1-mt2的关系：

技术总结
本发明公开了一种大范围温度下激光器波长高精度控制结构及实现方法，该结构包括设于电路板上、且包覆于封装结构内的半导体激光器，封装结构内设有检测封装结构内部环境温度的第一热敏电阻、用于对封装结构内部环境进行制冷或制热的二级半导体制冷器，电路板上还设有根据第一热敏电阻的检测结果控制二级半导体制冷器制冷或制热的MCU；该方法包括确定封装内部恒温区间、检测内部环境温度、确定内部环境温度与封装内部恒温区间的关系、根据两者关系调整半导体激光器所处的内部环境温度等过程。本发明可以使得半导体激光器可以适应大范围的温度环境变化，且能保证在大范围温度环境条件下半导体激光器温度稳定和输出波长稳定，保证控制精度。

技术研发人员：卿笃安,周泽文,陈镇辉,尹金德
受保护的技术使用者：深圳市诺安智能股份有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/11