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毕业设计说明书用于光纤传感的激光器波长控制器的设计与开发清华大学2012届毕业设计说明书用于光纤传感的激光器波长控制器的设计与开发摘要随着光纤传感系统智能化的发展，对光纤传感系统中的激光器工作性能的要求越来越高，需要对激光器的工作状态进行实时监测和控制，特别是建立基于计算机的数字化控制方式的激光器波长控制器实现对激光器的波长控制，对光纤传感系统的实现具有重要意义。将虚拟仪器技术运用于光纤传感系统当中正符合光纤传感技术智能化的发展方向，同时利用计算机强大的软件功能提高光纤传感系统开发效率和降低开发成本。因此，本文采用虚拟仪器软件开发平台对激光器波长控制器进行设计与开发。首先，本文首先对光纤传感技术的国内外发展概况作了简要介绍，从光纤传感的原理出发论述了光纤传感系统的基本组成。在此基础上，着重介绍了光纤传感系统中常用光源分布反馈式激光器，详细阐述了分布反馈式激光器的结构特点、工作原理以及波长调谐特性，并对激光控制器作了介绍。其次，根据itc4001激光控制器的功能特性，结合虚拟仪器技术，建立了一套基于labview虚拟仪器技术的激光器波长控制器软件系统。该软件系统可分为三大部分，第一部分用于建立激光控制器与pc机之间的通信；第二部分用于读取和控制激光器各参数；第三部分是系统最重要的组成部分，用于实现激光器波长的读取和反馈控制。最终根据以上三部分各功能模块，设计了相应的虚拟仪器软件界面。最后，通过搭建的光纤传感系统实验测试平台，验证了基于虚拟仪器技术的激光器波长控制软件系统的可行性。关键词：光纤传感，激光器波长控制，虚拟仪器，labviewdesign and development of laser wavelength controller for fiber optical sensorabstractwith the development of intelligent fiber-optic sensor system, the laser with higher performance is required, and the operation condition of the laser is demanded to be real-time monitored and controlled. to that end, it is of special importance to develop a laser wavelength controller based on digitized control mode of computers. the application of virtual instrument technology in fiber-optic sensor system meets the trend of development of fiber optical sensing technique toward intelligence. moreover, computers powerful software function helps to improve the efficiency and decrease the cost of development. therefore, the laser wavelength controller based on virtual instrument is designed and developed in this paper.first of all, the development of fiber optical sensing technique at home and abroad is introduced. then the basic components and the theoretical principle of a fiber-optic sensor system is described. on these base, the distributed feedback (dfb) laser, the commonly used light source in a fiber-optic sensor system, is emphatically introduced with a detailed description of its structure, working principle, and wavelength tuning property. also the controller of the dfb laser is introduced.next, according to the functions of the itc4001 laser diode/tec controller and the virtual instrument technology, a software system for the wavelength controller of the dfb laser based on labview virtual instrument technology is built. the software system consists of three parts. the first part is to build communication between pc and laser controller. the second part is for reading and controlling parameters of the laser. the third part, the most important part of the system, is for laser wavelength reading and feedback control. virtual instrument software interfaces are designed based on the functional modules of the three parts respectively.finally, the experimental setup for fiber-optic sensor system is built, and the feasibility of virtual-instrument-technology-based laser wavelength control software system is experimentally demonstrated.key words: fiber-optic sensor，laser wavelength control，virtual instrument，labview清华大学2012届毕业设计说明书目 录1 引言31.1 本课题提出的背景及意义31.2 国内外发展概况31.2.1 光纤传感技术国内外发展概况31.2.2 智能化光纤传感国内外发展概况31.2.3 虚拟仪器技术31.3 本课题主要研究内容32 激光器波长控制的原理和方法32.1 光纤传感系统32.1.1 光纤传感系统概述32.1.2 光纤传感光源32.2 dfb激光器32.2.1 dfb激光器简介32.2.2 波长调谐32.3 激光控制器32.3.1 激光控制器简介32.3.2 itc4001激光控制器33 激光器波长控制器的软件设计33.1 软件系统设计原理33.1.1 软件系统设计思路33.1.2 基于虚拟仪器软件系统的仪器控制理论33.2 基于labview的激光器波长控制器软件系统33.2.1 建立连接模块设计33.2.2 开关控制模块设计33.2.3 工作模式设定模块设计33.2.4 光功率、激光电流、温度读取与设置模块设计33.2.5 激光二极管调制设置模块设计33.2.6 波长扫描模块设计33.2.7 pid控制模块设计33.3 虚拟仪器界面设计34 实验测试系统34.1 实验测试系统的组成34.2 实验测试34.2.1 波长扫描模块实验测试34.2.2 pid控制模块实验测试35 全文总结3参考文献3致谢3第 ii 页 共 ii 页1 引言1.1 本课题提出的背景及意义20世纪70年代，伴随着光导纤维及光纤通信技术的发展而发展起来一种以光为载体、光纤为媒介，感知和传输外界（被测量）信号的新型传感技术光纤传感技术1,2。光纤传感技术一问世就受到极大重视，特别是在光纤通信的蓬勃带动下，随着半导体光电技术以及计算机技术等相关技术的进步，光纤传感技术迅速发展3。作为现代传感领域的重要分支，光纤传感展现出许多优异的性能，如径细、质轻、柔顺、抗拉；耐水、耐腐蚀、耐高温、耐辐射、耐电磁干扰、对被测量场无干扰；传送频带宽、信息容量大、传输损耗低，适合遥测遥控；对外界环境变化敏感，对多种物理量具有优良的传感性能；可通过阵列式或分布式结构实现大规模、长距离传感等等，具有传统的电传感器无法比拟的优越性4,5,6,7,8,9,10。因此，光纤传感技术的发展空间相当广阔，其应用范围已经渗透至国防军事、航天航空、土木工程、电力、能源、环保、医学等各个领域，在温度、压力、振动、电流、电压、磁场等众多物理量的测量方面都有广泛的实验研究6,7,8,9,10。光纤传感技术已成为传感技术的先导，推动着传感技术蓬勃发展。随着现代传感技术的发展，传感系统化、智能化的要求赋予了光纤传感技术新的内容。对于智能化的光纤传感系统，需要增加信号处理模块，将光纤传感器获取信息的功能与专用处理器的信息分析、处理、报警等功能相结合11,12,13，针对特定的应用目的，实现目标信号的进一步提取，从而推动了光纤传感与计算机技术、信号处理、模式识别等领域的融合14。目前在智能化的光纤传感系统中，通常使用单片机、dsp芯片以及虚拟仪器等方式，实现数据处理、控制与信号处理；通过多层次的计算功能，实现各种智能化功能。使传感由传统的仅仅进行信号形式转换的单个或多个敏感元件扩展为集信号获取、存储、传输、处理于一体的多功能系统3。作为光纤传感系统中关键的光学元件之一的光源，与光纤传感技术的发展是并肩前进的。目前越来越多体积小、重量轻、功耗小、容易与光纤耦合的光源被广泛地应用于光纤传感系统，在实际中主要应用的光源有表面光发射二极管（led）、激光二极管（ld）、超辐射二极管（sld）、超荧光光源（sfs）和分布反馈式激光器(dfb）15。光源的稳定度直接影响着光纤传感器的准确度，尤其是在采用激光器作为光源的光纤传感系统中，激光器的强度和波长稳定性对激光器的工作温度是非常敏感的。为了保证激光器波长的稳定性，通常采用激光控制器对激光器的工作温度进行反馈控制。另外，在光纤传感中，需要对激光器的工作电流进行控制，保证激光器输出功率的稳定性。目前，已经有一些商业化的激光控制器被应用到光纤传感中。随着虚拟仪器技术的发展，光纤传感和虚拟仪器的联系越来越紧密。在对激光器稳定性要求较高的场合，采用模拟控制方式的纯硬件电路难以满足要求，建立基于微型计算机的数字化控制方式应运而生，该方式能够更有效地解决激光器工作的准确、稳定和可靠性问题16。在光纤传感系统中，可以借助于计算机读取和控制激光器的波长，同时通过利用计算机强大的软件功能实现信号数据的运算、分析、处理以及显示等。因此，建立基于虚拟仪器技术的激光控制器在实际应用中是非常有意义的。1.2 国内外发展概况1.2.1 光纤传感技术国内外发展概况20世纪60年代，激光的出现使基于光属性的检测技术获得了飞速发展17。20世纪80年代，光纤的出现使得光纤传感器显示出了广阔的应用前景18。20世纪90年代后期，在光通信技术的带动下光纤传感器呈产业化发展并形成了五大应用领域19。随着光纤技术的日趋成熟，对光纤传感系统实用化的开发成为整个领域发展的热点和关键20。当前，世界上光纤传感领域的发展可分为两大方向：光纤传感技术的研究及其在各个领域的应用开发研究。光纤传感具有抗电磁干扰、灵敏度高、安全可靠、耐腐蚀、可进行分布式测量、便于组网等诸多优点，成为近年来国际上发展最快的高科技应用技术。光纤传感技术的应用已经逐步从军事领域发展到了电力、石油、石化、交通和建筑等各个工业领域，在公共安全、国防、工农业安全生产、环保等重大安全监测领域有着重要应用。由于光纤传感系统应用的广泛性及其广阔的市场，其研究和开发在世界范围内引起了高度的重视，各国家竞相研究开发并引起激烈的竞争。目前，光纤传感器已占据传感技术领域30以上的产业份额，并将继续扩大。许多发达国家如美国、德国、日本等均把光纤传感技术列为国家关键技术之一加以重点支持，西方国家还利用“巴统”来限制我国在该技术领域的发展。由于受到国内整体水平和投资力度的限制，我国光纤传感的整体发展水平比国际先进水平相对落后21。我国虽然早己于20世纪70年代末期开始了光纤传感技术的研究工作，但是由于受到制造工艺、器件和配套电子技术的制约，尚未进入大规模工程应用阶段。直到最近十年，随着光纤技术的发展，生产工艺逐渐走向成熟，相关器件和配套技术也在渐渐地不断完善，同时国内巨大市场对光纤传感器的需求日益增长，推动着我国光纤传感技术也将开始逐步进入实际工程应用阶段19。为此光纤传感技术取得了长足进步。在地质土木22、石化工业23、电力工业24、气液检测25、医药及食品安全26,27、识别防伪28以及测试测量29等众多领域都有着广泛应用。近期的光纤传感技术研究和产业化特点是以成熟的光纤通信技术向光纤传感技术转化为重点30。目前，国内外的光纤传感领域存在“三多一少”，即：实验报告多、论文多、研究成果多，但工业化，经市场考验不被淘汰的光纤传感项目少。虽然光纤传感器能满足工业现场对传感器高精度、安全、高可靠的要求，但因制作十分精密，在恶劣场合下长期使用有一定的技术难度。至今国内外尚未发现大批量生产的工程化的光纤传感产品20。1.2.2 智能化光纤传感国内外发展概况智能化是现代传感技术的一个重要特征。所谓智能，是指将先验知识(调试或应用之前已知)与自适应学习(在调试或应用过程中获得)组合起来的能力。智能化使得传感由传统的仅仅进行信号形式转换的单个或多个敏感元件扩展为集信号获取、存储、传输、处理于一体的多功能系统31。目前光纤传感的智能化主要体现在光纤传感与通信技术及计算机技术的融合。智能化光纤传感系统在许多崭新领域受到广泛关注，如智能材料32、环境感知33、声发射检测34、石油测井35等。光纤智能结构的研究最初受美国国家航空航天局(nasa)支持，主要应用于飞机结构的动态监测、通信及控制。之后，美国其他各军事部门以及加拿大、英国、法国、德国、意大利、日本等国都对光纤智能结构倾注了极大热情。基于光纤传感的智能材料可以实现对周围环境变化的自判断性、自适应性、自诊断性、自修复性等诸多性能，广泛应用于航空航天、汽车工业、安防、体育、医疗及土木工程等众多方面32。智能光纤传感系统在石油测井方面也有广泛的研究应用，通过井下多参量传感和地面信号集中处理，可以实现流量、温度、压力、密度、自然伽马、井下地震等多种参量的监控，并通过光纤井下视像检测技术重现井筒真实状况，对于安全、高效的油井作业有重大意义23。清华大学在华北油田采用基于光纤michelson干涉结构的3维vsp光纤检波器，通过dsp芯片实现预滤波及pgc算法，结合arm控制器、fpga、cpld及总线技术的综合应用，保证了系统采集、处理、传输等实时性的要求4。在智能化周界监控方面，以色列magal安全系统有限公司开发的基于michelson干涉型分布式光纤传感系统的intelli-fiber振动传感光缆探测系统，通过智能化处理后，可区分是有人剪断围栏还是攀爬围栏或抬起围栏，通过其独特的自适应信号处理及识别程序，可减弱环境影响，降低误报35。从硬件的角度，目前的智能化光纤传感系统多采用单片机、dsp芯片以及虚拟仪器等方式实现4,36,37。单片机集数据处理与控制于一体，综合性能较强，但是整个系统的实现需要复杂的硬件电路设计。dsp芯片作为专用信号处理器，可以快速实现多种数字信号处理算法，具有较强的数字处理功能，但是需要再结合控制器(arm等)构成系统，并进行复杂的接口设计。虚拟仪器可方便的在通用微机、工控机、pxi机箱等实现，处理速度上相对略弱，但硬件成本大大降低，开发周期短，使用灵活。从软件的角度，多层次的计算功能被引入光纤传感系统，如现代谱分析、时频分析、神经网络、遗传算法、模糊控制等38,39,40，可以实现逻辑判断、数据分类、模式识别、自动报警等各种智能化功能33,41,42。所以虚拟仪器技术的引入推动了光纤传感系统智能化的发展。1.2.3 虚拟仪器技术从20世纪80年代末美国成功研制了虚拟仪器以来，它以传统仪器无法比拟的速度飞速发展43。虚拟仪器技术的优势在于用户可自己定义仪器的功能和结构，构建容易，转换灵活，如今已广泛应用于教学科研、军事、航天、电子工程和生物医学等许多领域。虚拟仪器的出现和兴起，改变了传统仪器的概念、模式和结构，是21世纪测控仪器的重要发展方向44。目前，国内外许多科研机构和公司都在积极开展这方面的研究和应用工作45。在国外，虚拟仪器技术的研究己经相当普遍，1982年，美国西北仪器系统公司推出了第一台个人仪器，以美国hp、ni为首的各大仪器厂商和科研机构纷纷致力于仪器的标准化、开放性和软件平台模块化的开发，相继推出了基于gpib总线、pc-daq和vxi/pxi总线等多种虚拟仪器46。如美国的geomatics和goldsmith等公司利用虚拟仪器开发工具，研制开发了农业自动化灌溉系统和秧苗分析系统，作为仪器领域中最新兴的技术；在国内，虚拟仪器的研究与开发已经经历了起步阶段，90年代中期以来，重庆大学、西安交大、哈工大、中科泛华等很多高等院校与高科技公司，在研究以及开发仪器产品、虚拟仪器设计平台以及引进和吸收ni公司、hp公司产品等几方面都贡献了相当大的力量，如清华大学运用虚拟仪器技术，构建的汽车发动机检测虚拟仪器系统，其性能优于汽车发动机出厂前的自动检测47,48,49。在给定计算机和必需的仪器硬件下，构造和使用虚拟仪器的关键就是应用软件。虚拟仪器的应用软件主要包括集成的开发环境、与仪器硬件的高级接口及虚拟仪器的用户界面。虚拟仪器的应用软件由用户编制，可以采用各种编程软件，如c、basic等。近年来，随着基于pc机和工作站基础上的图形接口标准及计算机运算能力的快速大幅提高，图形开发软件包和图形开发环境得以迅速普及。在虚拟仪器图形软件开发平台方面，国际上许多公司都做了大量的工作，其中最有代表性的是ni公司的labview虚拟仪器软件开发平台。labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是一个业界领先的工业标准软件工具，用于开发测试、测量和控制系统。labview是一种基于图形开发、调试和运行程序的集成化环境，是第一个借助于虚拟面板用户界面和方框图建立虚拟仪器的图形程序设计系统，也是目前国际上唯一的编译型图形化编程语言。labview中编写的源程序很接近于程序流程图，利用labview画出方框图后即可自动生成测试软件。使用集成化的labview环境与现实世界的信号相连，进行数据分析以获取实用信息，极大的提高了数据采集与控制系统的效率50。在当前计算机软硬件技术飞速发展下，虚拟仪器技术也被广泛地应用到各种通信系统中，其如何将硬件软件化、软件通用化的设计思想符合了光纤传感技术智能化的发展方向，虚拟仪器技术下的labview软件也为光纤传感系统提供了软件开发平台。1.3 本课题主要研究内容本课题的研究内容主要包括：（1）建立itc4001激光控制器与pc机之间的通信。itc4001激光控制器是具有usb接口的仪器设备，通过labview编程控制激光控制器的usb接口，实现激光器与pc机的通讯；（2）在labview编程环境下开发对激光器进行控制的虚拟仪器，读取激光器参数并进行控制。采用模块化的设计思想，编写相应的软件程序，主要功能模块包括：开光控制模块，激光二极管工作模式设置模块，光功率、激光电流、温度读取和控制模块和激光二极管调制设置模块；（3）利用可调谐激光器的温度调谐机理，在labview开发平台上实现调谐波段内的波长扫描，并对波长扫描曲线进行实时显示；（4）通过labview开发平台实现对激光器波长的读取和反馈控制。首先通过labview软件编程控制a/d采样，对温度变换所对应的电压信号进行采集，采集完毕后通过pid算法对温度进行重新设置，从而达到波长的反馈调节；（5）设计虚拟仪器界面；（6）通过测试实验平台，验证基于虚拟仪器的激光器波长控制器是否可行。将所编写的软件与硬件相结合，通过对itc4001激光控制器进行运行调试，分析实验结果，验证所编写的虚拟仪器平台是否可以实现激光器波长的自动读取和设置及其它功能模块的读取和控制。2 激光器波长控制的原理和方法光纤传感是20世纪70年代伴随着光纤通信迅速发展起来的一种崭新的传感技术。它以光波为载体，光纤为媒质，实现被测量信号的感知和传输36。从本质上讲，光纤传感就是利用外界信号对光纤中传播的光进行调制23。2.1 光纤传感系统2.1.1 光纤传感系统概述光纤传感是以光为载体、光纤为媒质，感知和传输外界信号的传感技术51。光纤传感的基本原理是光纤中的光波参数如光强i、频率、波长、相位以及偏振态等随外界参数的变化而变化，通过检测光纤中光波参数的变化而达到检测外界被测物理量的目的52。光纤传感系统一般包括光源、光纤、传感头、光探测器和信号处理电路等。光源相当于一个信号源，负责信号的发射；光纤是传输媒质，负责信号的传输；传感头感知外界信息，相当于调制器；光探测器负责信号转换，将光纤送来的光信号转换成电信号；信号处理电路的功能是还原外界信息，相当于解调器、调制和解调是光纤传感技术研究的主要内容53。系统结构图如图2.1所示。可用信号被测量光纤电信号光纤光 源传感头光探测器信号处理图2.1 光纤传感系统结构框图光源发出的光耦合进光纤，经光纤进入调制区（测量区），在调制区内外界被测参数作用于进入调制区内的光信号，使其光学性质如光的强度、波长、频率、相位偏振态等发生变化成为被调制的信号光；再经过光纤送入光探测器，光探测器对进来的光信号进行光电转换，输出电信号；最后对电信号进行信号处理而得到可用信号，从而获得被测参数。光纤传感器可以测量的环境参量主要有应力、温度、振动、化学浓度及电磁场等等。光纤传感系统从原理上讲，就是：发出光信号调制传输接收光信号电信号，从而实现检测功能54。光纤传感系统突出的优点是光信号不仅能直接感知，而且还可以利用半导体二极管，进行光电转换，还具有灵敏度高、可靠性好、体积小、重量轻、原材料硅资源丰富、抗电磁干扰、抗腐蚀、耐高压、电绝缘性能好、可挠曲、防爆、频带宽、损耗低等特点。同时，它还便于与计算机相连，以实现智能化和远距离监控20。2.1.2 光纤传感光源在光纤传感系统中，所选光源的类型很大程度上决定了传感器的工作模式、信号处理方法、分辨率、灵敏度及解调精度，因而选择合适的光源对光纤传感系统的设计起着重要的作用55。光纤传感用光源必须满足如下原则56：（1）光源的激射波长必须在传输光纤的低损耗窗口波段：0.85um（通常称作短波长波段）、l.31um和1.55um波段（通常将1.31um和1.55um称为长波长波段）；（2）光源的发射功率要大；（3）调制特性和发光/消光（响应速度）特性要好；（4）可靠性要高，寿命要长；（5）光源必须轻巧，适应振动、温度、湿度等环境变化；（6）能批量生产，价格便宜。目前光纤传感系统中常用的光源主要有半导体激光器（laser diode，ld）、半导体发光二极管（light emitting diode，led）、放大自发辐射（amplified spontaneous emission，ase）光源和分布式反馈（distributed feed-back，dfb）激光器等57。其中半导体激光器ld（laser diode）和半导体发光二极管led是使用最多也是最重要的光源。其主要优点是体积小、重量轻、可靠性高、使用寿命长、供电电源简单、易于控制调节、发光亮度和发光效率高，并且抗冲击、耐振动、工作电压低、耗电小、单色性好、能在环境恶劣的条件下使用。它与光纤的特点相容，因此，在光纤传感器和光纤通信中得到广泛应用58,59。2.2 dfb激光器dfb激光器由于其输出激光的线宽窄、凋啾小、动态特性好、单纵模特性好、可输出特定波长、易规模生产等优点60,61，成为目前实用光纤传感系统中优选的理想光源62。2.2.1 dfb激光器简介分布反馈式（distributed feed-back，dfb）半导体激光器（dfb-ld）与普通半导体激光器的区别在于dfb激光器不是由激光器端面的集中反射提供，而是由内藏布拉格光栅来实现光的反馈。由于dfb激光器的光栅分布在整个谐振腔中，所以称之为分布反馈63。dfb激光器是在有源区或邻近波导层上刻蚀所需的周期波纹光栅而构成的，dfb激光器的激光振荡是由光栅形成的光耦合来提供，其基本原理是布拉格反射原理，当电流注入激光器后，有源区内电子-空穴复合，辐射出相应能量的光子，这些光子将受到有源层表面每一个光栅的反射64。有源区内周期性波纹的周期即布拉格光栅的栅距为，只要用泵浦（光泵浦或电泵浦）激发，形成足够的粒子数反转，则介质就具备了增益条件，如果波纹深度满足一定要求，两端就可以得到激光输出，所发射的激光波长满足： （式2.1）这种激光器的工作原理并不复杂，是熟知的布拉格散射原理。当一束入射角为的光波照射到一个周期变化的波纹结构上时，入射光波被周期性波纹结构所散射，这些散射波相互之间有一定相位关系，只有那些出射方向的角度满足下列关系时： （式2.2）各散射波才有叠加增强的作用，而在其他方向上的散射波互相抵消。所以，只有在一系列值上才有反射的光波，这就是所谓的“bragg反射”，此光波的波长称为布拉格波长，这就是波长的选择性。把介质内部由左向右和由右向左传播的光波看作是和都为90，这时（式2.2）变为（式2.1），只有波长满足（式2.1）的光波才被允许在介质中来回反射，这种反射不是由某个反射面提供，而是由周期性波纹结构提供反向行进的两列光波的相互耦合，耦合的程度由周期性调制的调制深度决定。分布反馈式结构中的激光振荡为两列反向行进的光波，一列向左传播，另一列朝右传播65。各光波在有源区周期性波纹结构的传播过程中接收来自反向传输光波的布拉格散射光，这样在波纹结构上产生了反馈机制，由于波纹结构具有增益，所以只要有足够的反馈，就能产生激光振荡，此激射光波的波长正好在布拉格波长处。由于布拉格效应能对波长进行选择，因此这种分布反馈式结构不但紧凑而且有高度的光谱选择性。dfb激光器的主要优点包括：由于只存在一个纵模（主模），其他边模都被抑制了，所以dfb激光器的线宽主要由主模的线宽决定，比多模激光器的线宽要窄的多，发光功率较高。这种线宽很窄的激光器尤其适用于高速率、高功率预算系统的应用。另外，由于光栅的稳定性好，dfb激光器输出功率的线性较好，这对于多路信号的传输效果较好，因为可以减少传输过程中的互调干扰。dfb激光器的性能稳定，很少受时间和外部环境的影响66。dfb-ld与普通半导体激光器一样，是靠电流泵浦的。改变光栅区的偏置电流值，可以改变折射率进而改变布拉格波长，最终改变激射波长。所以，dfb-ld 的波长是可变的67。2.2.2 波长调谐波长可调谐半导体激光器从20世纪80年代起开发就很活跃，按调谐机理划分，有电调谐、热调谐和机械调谐三大类68。半导体激光器的波长调谐基本原理是用各种方式引起禁带宽度发生变化，从而实现输出光波长的调谐69。半导体激光器与其它传统激光器相比，激光二极管的输出光功率和频率受温度和注入电流的影响显著。因此激光二极管的波长调谐可采用温度调谐和注入电流调谐70。波长可调谐激光器一般主要由三个基本部分组成：具有有源增益区和谐振腔的二极管激光器；改变和选择波长的可调装置；稳定输出波长的装置（波长锁定器或标准具）。波长可调谐半导体激光器是在dfb激光器基础上发展的。dfb激光器具有较好的稳定性、良好的光谱和噪声特性以及快速频响特性，并有较好的功率输出，成本低，技术成熟71。波长可调谐是指激光器波长在一定范围内连续可调。目前波长调谐主要基于布拉格反射光栅，通常通过改变温度、注入电流等方法，改变光栅的有效折射率，从而改变光栅的布拉格波长。电流调谐是通过改变不同位置的光纤光栅和相位控制部分的注入电流，使光纤光栅的相对折射率发生变化，产生不同的光谱，实现波长的调谐，调谐速度为ms级，调谐带宽较窄、但输出功率较小，主要有多电极dfb激光器，波长可调范围一般都可达到5-10nm72。电流调谐机理可以解释为：注入电流的变化引起载流子浓度改变，而载流子浓度的变化不但会引起材料折射率的改变，而且会改变增益系数；由于半导体激光器的发射波长既与增益系数有依赖关系，又受折射率变化的影响，从而实现了波长调谐。热调谐是通过调整dfb激光器腔内温度，改变有源区折射率来改变波长。一般采用热电冷却器（tec）来保证波长的精度，技术简单。一般来说，激光二极管的波长-温度曲线有很好的线性，能够通过温度的改变精确地控制波长，但是温度调制速度较慢73。在半导体中，温度和能隙之间存在着依赖关系，有以下经验公式74： (式2.3)式中，为绝对零度时的能隙，和为经验参量，能隙的变化又引起波长的变化，如式2.4所示： (式2.4)所以通过控制有源区的温度，可以改变半导体激光器有源区的能隙，从而使激光器的波长得到调谐。2.3 激光控制器随着技术的进步、工艺水平的提高和计算机技术在光纤传感系统中的应用，光纤传感系统的可靠性不断提高。在半导体激光器作为光源的系统中，对激光器工作的准确度、可靠性以及温度控制的精确度的要求也越来越高，人们采用大规模集成电路技术研制出了半导体激光器的专用驱动器和温度控制器75，并结合接口电路、保护电路以及显示控制对激光器的工作进行监控。继而形成了专用的激光控制器，用来测试和控制激光二极管，以保证激光器稳定工作。目前，已经有一些商业化的激光控制器被应用到光纤传感中。2.3.1 激光控制器简介半导体激光器对工作条件要求苛刻，瞬态电流或电压尖峰等许多因素都很容易损坏激光器，会造成性能的急剧恶化，电流、温度的起伏会引起光功率的变化，影响输出的准确、稳定。驱动电流的波动，不仅会引起激光器的激光强度噪声，还会造成输出波长光谱线宽的展宽。而温度的改变，不仅会造成半导体激光器二极管输出波长的不稳定，还会引起输出功率产生波动，同时会影响激光器的使用寿命。所以需要对激光器的工作进行监控。对激光器的保护措施要足够完备，因为在一些电学瞬变的过程，如电源的瞬间启动、电源的电涌、ac电路的辐射等，都会引起激光器的性能变差，甚至损坏器件，所以激光控制器通过外加元件构成了激光器的保护电路。它不仅能够为半导体激光器提供稳定的输出，而且还对半导体激光器提供更加可靠、有效的保护76。半导体激光器控制器通常包括两大部分：驱动部分和恒温控制部分。驱动部分又包括恒流驱动、恒功率驱动和调制驱动，以及保护电路。恒流驱动通过外围设置提供恒定的直流电流、恒功率驱动通过pd检测到驱动电流的变化来调节驱动电流，达到恒定光功率输出、调制驱动通过外接调制信号，使半导体激光器输出调制的光信号。恒温控制电路通过监测激光器表面的热敏电阻的阻值变化来获取温度的变化，然后通过半导体热电制冷器对半导体激光器进行制冷或加热，从而实现半导体激光器温度控制77,78,79。2.3.2 itc4001激光控制器itc4001激光控制器是美国thorlabs公司itc4000系列的激光二极管/温度控制器。itc4001激光控制器包括一个激光二极管电流控制器加上一个tec元件控制器。从本质上讲，这是ldc4000系列电流控制器和一个ted4015温度控制器的组合。它旨在为激光二极管提供一个精确稳定的电流，其注入电流为1安至20安，并具有24小时内0.002摄氏度的优异温度稳定性。它支持所有的激光二极管和监测二极管引脚配置，并且可使用大多数常用的温度传感器。itc4001激光控制器的激光二极管可用两种模式驱动：恒电流（cc）模式，其激光电流可精确保持在用户调节的水平；或恒功率（cp）模式，此模式下光学功率传感器用于监测激光器的输出功率以进行主动功率控制。当需要最低噪声和最高响应速度时，应选择cc模式，但这种模式一般也要求温度稳定。在cp模式下，来自集成到大多数激光二极管封装的内部光电二极管，或外部光电二极管的反馈用于主动稳定激光器的输出功率。itc4001激光控制器具有增强的激光二极管保护功能。精密可调节的电流限制确保了最大激光器电流不会超出。thorlabs特意限制了对此功能的操作，以防止意外的调节。增加激光器驱动电流超过预设限制，将导致可见和短声音指示。即使使用外部调制功能，也不能超过电流限制设定值。itc4001激光控制器包含一个电流高达15安的高性能数字tec控制器。它提供24小时内0.002c的出色的温度稳定性。通过独立的可调节参数或自动pid函数，数字pid控制器可以适配不同的热负载。温度传感器输入的最大控制范围，对于热敏电阻为1001m，对温度传感集成电路或铂rtd传感器为-55150c。实际适用的温度范围受所连接的传感器和热装置的限制。为了提供最高的tec元件保护，itc提供的保护功能包括可调节的tec输出电流限制，和温度传感器故障报警。itc4001激光控制器通过前面板按键，以及大型易阅读的图形化液晶显示器上直观的操作菜单进行控制。此外itc4001激光控制器可通过scpi兼容的usb接口进行控制, 并提供了驱动软件包，用户可以通过驱动程序进行功能扩展以适应实际应用的具体要求。由于前面板分辨率受显示器分辨率的限制，通过远程控制运行可获得更高的设置和测量分辨率。不同的输出和数字输入/输出端口提供许多控制和连接选项。内置的函数发生器可以对激光器输出进行开箱即用的模拟调制。itc4001提供许多增强功能，如准连续波（qcw）操作模式、简易自动pid设置以及多种激光二极管和tec元件保护功能。这些功能加上新型设计提供了安静和高功效的运行，使itc4001激光控制器成为实验室和生产环境中，中等功率到高功率激光二极管和led的精密和安全操作的理想选择80。3 激光器波长控制器的软件设计3.1 软件系统设计原理3.1.1 软件系统设计思路本设计采用传统设备结合虚拟仪器的方法，建立了一套基于labview虚拟仪器技术的激光器波长控制器软件系统。借助itc4001激光控制器作为桥梁，实现pc机对激光器工作情况的读取、控制和显示。软件系统设计的原理框图如图3.1所示。dfb激光器激光控制器计算机接口虚拟仪器软件平台仪器驱动程序图3.1 软件系统设计原理框图计算机接口为硬件模块和计算机操作系统提供了软硬件接口，激光控制器通过usb数据线与计算机接口连接起来，实现pc机和激光控制器之间命令和数据的传输；仪器驱动程序模块是通过接口实现对硬件模块的控制，实现软件开发平台对硬件的调用，完成对硬件的管理；软件开发平台是用户为测试和实验而设计生成的系统软件平台，为用户提供一个编程环境，通过开发设计的系统界面，用户可以直接通过虚拟显示面板进行实验中的各种操作，可以进行发送操作指令、接收采集数据和后续的显示及分析数据等操作。软件面板的设计是整个系统的关键，决定了系统的易操作性、功能完善以及可扩展性等81。作为系统核心的控制程序是在labview环境下编写完成的，在配合相应的硬件便能实现仪器控制、数据采集、数据分析等特定的功能。通过labview编写控制程序时，通常采用模块化的编程方式。本设计中根据实际应用需要，对激光器波长控制软件系统设计了以下四个功能模块：（1）首先需建立itc4001激光控制器与pc机之间的通信功能，通过激光控制器将激光器的数据传输至监控计算机。由于itc4001激光控制器是带有usb接口的仪器设备，并且遵循usbtmc规范，所以通过向usb接口写入相应的命令程序，即可实现激光控制器与pc机之间的通信。（2）建立连接之后，即可通过计算机对激光控制器进行基本的控制操作和参数的读取和设置。在本软件系统中，根据本课题实际控制需求，只需对激光器的部分参数进行控制操作，主要包括：激光二极管和热电冷却器的开关控制功能、温度、光功率和激光电流的读取与设置功能，以及激光二极管的工作模式和调制模式的读取与设置功能。由于itc4001激光控制器提供了驱动软件包，所以在labview编程环境下通过调用库函数节点对驱动程序的相应函数进行调用，从而实现对激光器参数的读取和设置功能。（3）根据dfb激光器的热调谐机理，在labview编程环境下实现调谐波长波段内的自动扫描。通过计算机控制数据采集卡完成a/d转换，当激光器的温度达到设定温度后，对该温度下所对应的电压信号进行采集，并通过波形图表的形式对波长扫描曲线进行实时显示。（4）由于激光器的波长与温度呈线性关系，所以通过控制激光器的工作温度实现对激光器的输出波长的反馈控制。在软件系统中，通过labview编程控制数据采集卡完成a/d转换，对实际温度所对应的电压信号进行采集，并送回pc机，将实际电压值与设置电压值之差进行pid控制运算，根据pid调节的输出量重新设置温度，从而实现激光器波长的反馈控制。3.1.2 基于虚拟仪器软件系统的仪器控制理论虚拟仪器（virtual instrument）技术是基于计算机的仪器及测量技术。与传统仪器技术不同，虚拟仪器技术是指在包含数据采集设备的通用计算机平台上，根据需求可以高效率地构建起功能不同的测量系统。对大多数使用者来说，仪器的开发的主要工作变成了软件的设计。在众多开发软件中，labview是目前应用最广泛、发展最快、功能最强的图形化软件开发环境。labview是一种专门用于数据采集、分析与仪器控制的图形化软件，它所开发的虚拟仪器很好的结合了计算机强大的数据处理能力和仪器的硬件测试控制能力，并且具有精确、高效、功能强大、开发简易、实时性强、界面友好等优点，为用户提供了强大的功能支持和使用的灵活性82，因此labview开发平台是激光器波长控制器软件设计的最佳选择。在虚拟仪器的系统中，软硬件需要相互配合完成系统的整个功能，所以在软件系统中通常需要对外部的数据和程序进行调用，很多软件系统和硬件设备也都提供了能够共享的代码，通过代码的调用即可实现相应的功能，资源的共享可以省去众多烦琐的程序编写过程。动态链接库即是重要的代码共享技术之一83。所谓动态链接库（dynamic link library，dll），是由可执行程序模块组成的函数库，包含了应用程序或其他dll可能调用的函数代码和资源。由于这些代码库是采用动态链接方式链接到应用程序或其他dll中的，可以被多个应用程序或dll所共享，所以这种库称为动态链接库dll。dll文件也是一种可执行文件。但它不能独立运行，而是用来为其他的可执行文件如exe或dll提供共享函数。dll只有在其中的某个导出函数被调用时才被执行。labview开发平台具有强大的外部接口能力，可以实现labview与外部应用软件以及其它编程语言之间的通信，从而可以方便快捷的调用外部代码。labview实现外部数据接口的方式有四种：代码接口节点、动态链接库机制、共享库和activex，其中前两者功能较强、应用较广84。由于在本设计中仪器生产厂家提供了相应的dll文件，所以在labview开发平台下选择调用dll方式作为外部代码接口。在labview中动态链接库函数的调用是通过调用库函数节点（call library function node）实现的85。用clfn调用我们已有的动态链接库函数的步骤如下：（1）准备好需要调用的动态链接库文件；（2）在框图程序编写处点击鼠标右键，在弹出的函数功能模板中选择互联接口库与可执行程序调用库函数节点，在框图程序中将会出现调用库函数节点的图标；（3）双击调用库函数节点图标，将会弹出调用库函数对话框，选择函数选项，在函数选项中填写所调用函数所在动态链接库的库名/路径以及所调用的函数名，设置完成后可以通过参数选项查看该函数的所有参数，以及各个参数的名称、参数类型等详细信息；（4）调用库函数对话框填写完成关闭后，就完成了动态链接库中一个函数调用的全过程。3.2 基于labview的激光器波长控制器软件系统labview（laboratory virtual instrument engineering workbench）是ni公司创立的面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，主要用于仪器测控、数据采集、数据分析等领域。在labview环境中开发的程序称为虚拟仪器（virtual instrument，vi）,它配合相应硬件便能实现特定的功能，从而取代昂贵、复杂的实际仪器设备，达到降低成本、小型化系统的目的86。基于labview的激光器波长控制器软件系统主要完成如下工作：建立连接；开关控制；激光二极管工作模式设置；光功率、激光电流、温度读取与设置；激光二极管调制设置；波长扫描以及pid控制。下面将对上述七个功能模块的主要功能及软件实现方法进行介绍。3.2.1 建立连接模块设计本设计要想实现对激光控制器的控制首先需要对设备进行连接，只有在设备连接成功的状态下，后续的控制操作才能继续进行，所以激光器波长控制器软件系统设计的第一步是建立itc4001激光控制器与pc机之间通信的程序设计。建立连接模块即是用于实现激光控制器与计算机之间通信的功能模块。itc4001激光控制器具有usb接口功能，可由计算机编程控制。首先通过usb数据线实现计算机和激光控制器之间的硬件连接，再通过labview编程控制计算机与激光控制器之间的通信。激光控制器与计算机的连接方式如图3.2所示。接收命令发送命令usb数据线labview激光控制器图3.2 激光控制器与计算机连接方式itc4001激光控制器提供了一个usb2.0全速链接，遵循usb2.0规范、usbtmc规范和usbtmc usb488规范。它允许从主机发送命令到仪器。由于激光控制器遵循usbtmc规范（usb test & measurement class），而usbtmc是建立在usb之上的一种通讯协议，通过usbtmc可以像控制gpib接口仪器一样控制usb接口仪器。对于主机端，当将一个usbtmc兼容仪器插入pc机时，该设备就能被系统识别并且启动新硬件向导，接着在向导中可以选择ni-visa作为该设备的驱动。如果已经正确安装了ni-visa，那么该设备就会正确识别为usb test & measurement class设备。打开measurement & automation explorer（max），该设备会出现在max里面的device and interfacesusb devices目录下。这时，就可以控制其他gpib设备一样使用这个资源名来控制usbtmc设备。激光控制器附带