（光学工程专业论文）气体检测系统中稳定ld工作的关键技术研究.pdf

， c l a s s i f i e di n d e x ： u d c ： ad i s s e r t a t i o nf o r t h ed e g r e eo f m e n g r e s e a r c ho f k e yt e c h n o l o g i e so fs t a b l i z i n g l di ng a sd e t e c t i o n s y s t e m c a n d i d a t e ：h ej u nb o s u p e r v i s o r ：r e s e a r c hp r o f c a oj i an i a n a c a d e m i cd e g r e e a p p l i e df o r ：m a s t e ro f e n g i n e e r i n g s p e c i a l i t y ：o p t i c a le n g i n e e r i n g d a t eo f s u b m i s s i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 d a t eo f o r a le x a m i n a t i o n ：m a r c h ，2 0 1 0 u n i v e r s i t y ：h a r b i ne n g i n e e r i n gu n i v e r s i t y - i 哈尔滨工程大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：本论文的所有工作，是在导师的指导下，由 作者本人独立完成的。有关观点、方法、数据和文献的引用已在 文中指出，并与参考文献相对应。除文中已注明引用的内容外， 本论文不包含任何其他个人或集体已经公开发表的作品成果。对 本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 作者( 签字) ：筒f 营1 嗡 日期： 勘f d 年专月盯日 哈尔滨工程大学 学位论文授权使用声明 本人完全了解学校保护知识产权的有关规定，即研究生在校 攻读学位期间论文工作的知识产权属于哈尔滨工程大学。哈尔滨 工程大学有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件。 本人允许哈尔滨工程大学将论文的部分或全部内容编入有关数据 库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本 学位论文，可以公布论文的全部内容。同时本人保证毕业后结合 学位论文研究课题再撰写的论文一律注明作者第一署名单位为哈 尔滨工程大学。涉密学位论文待解密后适用本声明。 本论文( 回在授予学位后即可口在授予学位1 2 个月后口 解密后) 由哈尔滨工程大学送交有关部门进行保存、汇编等。 作者( 签字) ：贫侄鸺、 日期：山fo 年弓月l ，日 导师( 签字) 莒哿 2 0 f o 年弓月l ，日 哈尔滨工程大学硕士学位论文 摘要 基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术( t d l a s ) 的气体浓度检测系统 中，半导体激光器( l d ) 做为系统的核心器件，其工作状态直接影响到检测 系统的精度与可靠性，因此检测系统中稳定l d 的工作状态十分重要。影响 l d 工作状态的主要因素在于注入电流与温度，所以气体检测系统中稳定l d 工作状态的关键是对注入电流与温度的稳定控制。 研究中首先分析了l d 工作原理，着重介绍了实验中所选用的垂直腔面 发射激光器( v c s e l ) 的基本结构与特性。同时以甲烷气体为研究对象，介 绍了气体光谱吸收的基本原理，分析了基于波长调制的甲烷气体浓度谐波检 测方案，进一步明确了实现方案对l d 工作状态的要求，尤其是对输出波长 稳定性的要求。其次，根据检测方案对l d 输出波长的要求，设计了通过注 入电流的变化实现光源输出波长调制的方案，分析了l d 驱动电路中关键元 件的选取依据，制作完成了l d 驱动电路，保证了影响激光器工作状态的注 入电流的稳定性。但是，要实现只由注入电流对光源输出波长进行调制的前 提是要稳定影响l d 输出波长的另一关键因素温度。为了保证l d 工作温 度满足检测方案的要求，研究中结合典型的温度控制理论，分析了l d 组件 热传导结构及影响l d 温度的因素，结合温度传导的特点，设计了以外层机箱 温度控制与内层热电制冷器( t e c ) 温度控制相结合的温度控制方案，制作 完成了l d 温度控制电路，达到了满意的效果。 最后通过气体检测系统的整体测试表明，l d 工作状态稳定，所制作完 成的驱动电路及温度控制电路满足气体检测系统的要求。同时针对检测方案 中波长调制结合谐波检测技术的特点提出了一种基于谐波信号幅度时域波形 图来评价l d 工作状态的方法，该方法十分简便，对于气体检测系统中l d 工作状态的设定与调试提供有效的手段。 关键词：l d ；t d l a s ；温度控制；电流控制 一 a b s t r a c t i nd e s i g no ft u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ( t d l a s ) b a s e d g a s c o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o ns y s t e m ，l a s e rd i o d e s ( l d ) a r ec o n s i d e r e da st h e c o r e c o m p o n e n t so ft h es y s t e m t h ep e r f o r m a n c eo fl dm a k e sad i r e c ti m p a c to nt h e a c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yo ft h es y s t e m t h e r e f o r e ，i ti si m p o r t a n tt ok e e pt h e w o r k i n gc o n d i t i o no fl ds t a b l e t h em a i nf a c t o r sa f f e c t i n gt h ew o r k i n gc o n d i t i o n o fl da r et h ei n j e c t i o nc u r r e n ta n dt e m p e r a t u r e ，s oi ng a sd e t e c t i o ns y s t e mt h e k e yt ok e e pt h ew o r k i n gc o n d i t i o no fl ds t a b l ei st h es t a b l ec o n t r o lo fi n j e c t i o n c u r r e n ta n dt e m p e r a t u r e t h ew o r k i n gp r i n c i p l e so fl df a s ta l ea n a l y z e da n db a s i cs t r u c t u r ea n d c h a r a c t e r i s t i c so f v e r t i c a l c a v i t ys u r f a c e - e m i t t i n gl a s e r ( v c s e l ) ，w h i c hi s s e l e c t e da st h el a s e ri ne x p e r i m e n t s ，a r ed e s c r i b e di nd e t a i l m e t h a n ei ss e l e c t e da s t h et a r g e tg a so ft h es y s t e m ，a n dt h eb a s i cp r i n c i p l e so fg a ss p e c t r a l a b s o r p t i o n c h a r a c t e r i s t i c si si n t r o d u c e d t h e w a v e l e n g t hm o d u l a t i o nb a s e dh a n ：n o l l i c d e t e c t i o ns c h e m eo fm e t h a n eg a sc o n c e n t r a t i o nd e t e c t i o ns y s t e mi s a n a l y z e di n d e t a i l ，t h er e q u i r e m e n t so fl d w o r k i n gc o n d i t i o ni nt h ed e t e c t i o ns y s t e ma n dt h e o u t p u tw a v e l e n g t ha l em a d ec l e a r s e c o n d l y , a c c o r d i n gt ot h er e q u i r e m e n t so fl d o u t p u tw a v e l e n g t hi nt h ed e t e c t i o ns c h e m e ，t h eo u t p u tw a v e l e n g t hm o d u l a t i o n s c h e m eb yt h ev a r i a t i o no fi n j e c t i o nc u r r e n ti sd e s i g n e dt oe n s u r et h es t a b i l i t yo f i n j e c t i o nc u r r e n t ，w h i c hh a ss i g n i f i c a n ti m p a c to nt h ew o r k i n gc o n d i t i o n so fl d t h r o u g ht h ea n a l y s i so fs e l e c t i o no fk e yc o m p o n e n t s ，t h el dd r i v ec i r c u i ti s r e a l i z e dt oe n s u r et h e s t a b i l i t yo fi n j e c t i o nc u r r e n t h o w e v e r , t h ep r e m i s et o r e a l i z et h eo u t p u tw a v e l e n g t hm o d u l a t i o nb yi n j e c t i o nc u r r e n ti st h es t a b i l i t yo f t e m p e r a t u r e ，w h i c hi sa n o t h e ri m p o r t a n tf a c t o ra f f e c t i n gt h eo u t p u tw a v e l e n g t ho f l d i no r d e rt oe n s u r et h et e m p e r a t u r eo fl dt om e e tt h er e q u i r e m e n t so f d e t e c t i o n s c h e m e ，i nc o m b i n a t i o nw i t h t y p i c a lt e m p e r a t u r ec o n t r o lt h e o r y , t h eh e a t 哈尔滨工程大学硕士学位论文 c o n d u c t i o n 灿c n l r eo fl da n df a c t o r sa f f e c t i n gt h et e m p e r a t u r eo fl da r eb o t h a n a l y z e d c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fh e a tc o n d u c t i o n , t h ec o n t r o ls c h e m e i n c l u d i n gt h eo u t e re n v i r o n m e n t a lt e m p e r a t u r ec o n t r o la n di n n e rt h e r m o e l e c t r i c r e f r i g e m t o r ( t e c ) t h et e m 肼翻t u r ec o n t r o lc i r c u i to fl di sc o m p l e t e di nt h i s p a p e r a tn l ee n do ft h ep a p e r , t h eo v e r a l lt e s t sa n de x p e r i m e n t ss h o wt h a t t h el d a c h i e v e ss t a b l e w o r k i n gc o n d i t i o n s ，a n dt h ed e s i g n e d d r i v i n g c i r c u i ta n d t e m p e r a t u r ec o n t r o lc i r c u i tc a l lf u l f i l l 也er e q u i r e m e n t so fd e t e c t i o ns y s t e m c o m b i n i n gt h ec h a r a c t e r i s t i c so fd e t e c t i o ns c h e m e s ，a l le v a l u a t i o nm e t h o do fl d w o r k i n gc o n d i t i o n sb a s e do nt h ea m p l i t u d eo fh a r m o n i cs i g n a li sp r o p o s e d 1 1 1 e p r o p o s e de v a l u a t i o nm e t h o di ss i m p l ea n dh e l p f u lt ot h es e t t i n ga n dd e b u g g i n go f l dw o r k i n gc o n d i t i o n s k e yw o r d s ：l a s e rd i o d e ；t u n a b l ed i o d el a s e ra b s o r p t i o ns p e c t r o s c o p y ；t e m p e r a t u r e c o n t r o l ；c u r r e n tc o n t r o l 哈尔滨工程大学硕士学位论文 目录 第1 章绪论。l 1 1 气体检测方法介绍1 1 2 注入电流与工作温度对l d 参数的影响3 1 2 1 注入电流对l d 参数的影响3 1 2 2 温度对l d 参数的影响4 1 3l d 的驱动和温度控制国内外研究现状6 1 3 1l d 驱动控制的国内外现状。6 1 - 3 2l d 温度控制国内外研究现状。6 1 4 课题研究的目的与意义7 1 5 课题主要研究内容8 第2 章l d 工作原理与气体光谱吸收理论1 0 2 1l d 工作原理及特性分析1 0 2 1 1 粒子数反转1 0 2 1 2 激光振荡的阈值与反馈1 1 2 1 3 垂直腔面发射激光器1 2 2 2 气体光谱吸收理论1 5 2 2 1 气体分子选择吸收1 5 2 2 2 朗伯一比尔定律1 6 2 2 3甲烷特征谱线分析1 7 2 3 气体浓度的谐波检测1 9 2 3 1 气体检测的调制技术1 9 2 3 2 波长调制及谐波检测2 0 2 4 本章小结2 3 第3 章检测系统方案及l d 驱动控制研究2 4 3 1 检测系统总体方案2 4 3 2l d 驱动控制方案2 5 3 3 驱动控制设计2 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 3 3 1 光源l d 的选择2 6 3 3 2 扫描范围的确定2 7 3 3 3 信号发生电路2 8 3 3 4 信号合成电路2 9 3 3 5l d 驱动设计3 0 3 4 本章小结 3 2 第4 章l d 的温度控制3 3 4 1 温度控制基本原理3 3 4 1 1p i d 调节理论3 3 4 1 2 半导体制冷器3 4 4 1 3 温度传感器的选择3 6 4 2l d 组件热传导分析3 8 4 2 1 外壳热传导分析3 8 4 2 2 壳内组件热传导分析4 0 4 3 温度控制方案及实现4 4 4 3 1 温度控制方案选择4 4 4 3 2 机箱温度控制单元4 4 4 3 2 内层温度控制单元4 7 4 4 本章小结51 第5 章实验结果分析5 2 5 1 引言5 2 5 2 注入电流的稳定性测试5 2 5 3 温度稳定性测试5 4 5 3 1 机箱温度稳定测试5 4 5 3 2内层温度稳定性测试5 5 5 4l d 工作稳定性评价5 5 5 4 1中心电流稳定时温度控制评价5 5 5 4 2 温度稳定时电流控制评价5 8 5 4 3l d 工作稳定性综合评价5 9 哈尔溟工程大学硕士学位论文 5 5 本章小结6 l 结论。6 2 参考文献6 3 攻读硕士学位期间所发表的论文和取得的科研成果6 8 蜀【谢。6 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 1 气体检测方法介绍 环境污染问题是近年来社会关注的焦点，而在各种环境污染中，大气污 染问题显得尤为突出。大气中的甲烷、一氧化碳、二氧化硫、氮氧化物等有 害气体日益增多，严重影响到人们的身心健康，如何对这些有害气体做出准 确的定性和定量分析、保护和改善大气环境已经n t n 不容缓的地步。 气体检测主要是利用待测气体的物理或者化学性质来实现测量的，按照 检测原理的不同，常用的检测方法主要有如下几种：气敏检测法、气相色谱 检测法、光干涉检测法及差分、可调谐二极管激光器光谱吸收检测法等【l 】。 l 、气敏检测法 气敏检测法是通过气体敏感元件与待测气体之间的物理或化学吸附来 实现气体测量的一种方法，该法一般是将检测到的含有气体信息的变量转换 为与其待测量成一定关系的电量输出【2 】，经过相关处理实现气体的测量。该 法的检测性能与敏感元件的材料、结构以及制作工艺等密切相关，而且在检 测过程中还须考虑现场温度、空气扰动等因素对检测结果的影响，为此应采 取补偿电路对结果进行补偿等措施。气敏检测法具有元件结构简单、成本较 低等优点，但由于存在检测响应速度较慢、元件容易中毒、使用寿命较短等 一些问题而导致了系统的稳定性与可靠性不足而限制了其运用，因此该法适 合对测量精度要求不高的场所。 2 、气相色谱法 气相色谱法是一种分离测定多组分混合物的气体检测方法，是将气体组 分按吸附能力的强弱层析在吸附剂( 色谱表) 上的过程【3 】。该法是基于不同 气体成分在相对运动的两相( 固定相与流动相) 中具有不同的分配系数，进 而使各组分得到很好分离，然后送入检测器测定，达到分析气体成分的目的。 该方法具有检测灵敏度高、可靠性等优点，但是在检测中必须合理地设置色 哈尔滨工程大学硕士学位论文 谱柱及气体流速等参数，还需经过多次重复实验才能达到较好的测量效果， 且其速度慢、设备体积较大、成本高，主要运用于工厂生产过程的检测等。 3 、光干涉检测法 光干涉检测法是利用待测气体的含量与光的折射率之间的关系来实现气 体精确测量的【4 】，即将同一光源分出的两束光分别经过未充待测气体的气室 与空气室，光路经过的光程相同，干涉条纹不产生移动；而改变待测气室中 气体的成分，其折射率将会发生变化，光程也随之改变，造成干涉条纹的移 动，且两气室在相同的检测环境下，其干涉条纹的移动量与气体的浓度成正 比，因此可通过干涉条纹移动量的测量来计算气体的浓度。采用干涉法对气 体进行测量时，应考虑周围测量环境( 温度、压力等) 对检测结果的影响。 4 、差分吸收光谱法 差分光学吸收光谱法( d o a s ) 是根据检测气体在紫外或红外波段的特 征吸收来反演其种类和浓度的【列，其检测方法为将光源发出的光束分成两路 信号，以其中一路未经过待测气体吸收作为参考信号，而另一路带有经过气 体吸收后的吸收信息，利用参考信号与吸收信息之间的比较来计算气体浓度。 该法可消除检测环境的各种干扰( 干扰气体、温度、压力等) 、光源的不稳定 及光电器件的漂移等因素的影响，可满足连续测量的要求，但系统的固有噪 声却无法消除。 5 、可调谐二极管激光器气体光谱吸收检测法 可调谐二极管激光器气体光谱吸收法( t d l a s ) 是将气体的近红外吸收 光谱技术与l d 的频率或波长调制技术及谐波检测相结合，根据透射光强的 变化实现气体浓度的快速检测【6 】。根据朗伯一比尔定律，光源发出的光强为厶 的平行光通过待测气体时，如果其输出光谱覆盖气体的一个或多个吸收谱线， 光通过气室时将会发生衰减，其输入、输出光强与气体浓度之间的关系可表 示为：，( 五) ( 2 ) e x p ( - a 。c l ) ，式中，o ( 名) 、，( 名) 分别表示波长为力的单色光 进、出气室光强，口。为待测气体的吸收强度，c 为气体的浓度，上为吸收路 径的长度。该法在、三已知的情况下，可通过，( 见) 、i o ( 2 t ) 的检测实现气 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 体浓度的测量。该法可以实现大多数气体浓度的检测，而且只需更换光源、 对准其他气体的吸收线，就可以实现同样系统检测不同气体。 总之，与上述其他几种检测方法相比，t d l a s 法克服了容易中毒、易受 环境影响的缺点，具有选择性好、响应速度快、检测灵敏度高、可远距离传 输等优点，但是该法对l d 输出中心波长的有一定要求，中心波长很小的偏 移都会导致检测结果的不准确，为了使输出波长与气体的吸收峰相匹配，须 对l d 的工作状态进行精确控制。影响l d 发射波长的因素有很多，比如l d 腔长、有源区温度、注入电流中的变化都会导致输出波长的变化，一般通过 对其注入电流与工作温度的控制来实现波长控制。 1 2注入电流与工作温度对l d 参数的影响 l d 的输出波长受工作温度和注入电流的影响很大，其大致趋势是随温 度和电流的增大而增大，但又不是简单的线性关系。随着温度的升高，激光 器的阈值电流将增大、输出功率降低、发射波长出现红移，影响其工作状 态的稳定，甚至造成器件的损坏【7 j 。但是在小的温度和电流范围内，其输出 波长与电流呈现良好的线性关系，因此只要提高将温度与电流的控制精度， 就能获得相对稳定的波长输出。 1 2 1注入电流对l d 参数的影响 l d 注入电流的改变将会导致输出光功率和发射波长的变化，即在光强 被调制的同时，波长也将受到相应调制。注入电流的变化将会引起载流子浓 度的变化，进而引起折射率、增益系数、发射光子频率的变化，它们之间的 关系可表示为：骞嚣一五羞杀，式中行为折射率，为载流子浓度，p 为 电子电荷，岛为自由空间的介电常数，y 为发射频率，聊为光子有效质量。 而折射率与增益系数之间的关系可为：_ 2 r _ a n = 一i 1 口，式中刀、船分别为 z x g z 折射率与增益系数的变化，口为线宽增加因子。一般的可调谐半导体激光器 3 哈尔滨工程大学硕士学位论文 在温定相对稳定的情况下，其典型的波长电流调制率为0 3 n m m a ，如图1 1 ( a ) 所示，图( b ) 表示温度对波长的影响，分析将在下一节讨论。 5 ( a ) 输出波长一电流关系( b ) 输出波长温度关系 图1 1l d 输出波长与电流、温度的关系 1 2 2 温度对l d 参数的影响 l 、温度对输出功率的影响 温度是造成l d 性能下降、使用寿命减短的主要因素之一，工作温度的 升高不仅使输出的功率下降，而且还会影响波长的稳定度嗍。在理想情况下， l d 的尸一，关系是线性曲线，但温度的变化将引起尸一j 特性非线性畸变。一 般l d 输出光功率可表示为：p = 兄+ 业( ，一厶) ，式中尸和圪分别为l d c 输出光功率和相应的阈值功率，和厶分别为注入电流和相应的阈值电流，e 和触分别为电子电荷和光子能量，r 为l d 的微分量子效率( 光电转换效率) 。 由l d 输出光功率表达式可知，输出功率随温度变化的两个主要原因为：一 是l d 的阈值电流厶随温度升高而增大；二是l d 的微分量子效率1 随温度 升高而减少，即温度升高时厶增大，r 减少，造成输出光功率的下降。当工 作温度达到一定程度时，如果不能将有源区产生的热量及时地转移出去，就 会造成激光器的损坏。l d 在不同温度下的输出光功率与电流的关系曲线如 图1 2 所示，由图可知当输出光功率p 相同时，温度越高其对应的注入电流 越大。 4 哈尔滨工程大学硕士学位论文 p 2 0 e1 5 褂 桑加 丑 簿o 5 01 02 03 04 05 06 0 ， 电流( m a ) 图1 2 不同温厦f 输出功率与电流关系 2 、温度对l d 输出波长的影响 由于l d 有源层材料的禁带宽度随温度的升高而变窄，使输出波长向长 波长方向移动，其移动量与有源材料有关。在l d 中温度与能隙之间的关系 可用公式表示为【9 】：乓仃) = 乓( o ) 一彳丁2 ( 召+ 丁) ，式中乓( o ) 、疋( 丁) 为绝对 零度与温度为r 时的能隙；彳、b 为经验参数。温度的变化将会引起能隙的 z i 变化，而能隙的变化又会引起波长五= 羔的变化，所以有源区的温度的改 丘g uj 变，将会使l d 的能隙与波长发生变化，一般温度每升高1 ，发射波长将 增加0 1 o 2 r i m ，如图1 1 ( b ) 所示。在电流稳定的情况下，l d 的输出波长与 工作温度有着良好的线性关系，所以可用适当的温度控制实现波长的精确调一 谐，但是其调制速度较慢【1 0 1 ，因此在气体检测系统中，为了准确地检测气体 的浓度，必须将l d 的工作温度稳定控制在合适的范围内，以满足输出波长 与检测气体的吸收峰相匹配的要求。 3 、温度对于l d 寿命的影响 正常工作时，有源区将会产生一定的热量，若不能及时将产生的热量散 发出去，就会造成有源区温度急剧升高，输出性能的下降，并严重影响其使 用寿命【l l 】。根据经验估计，温度每升高3 0 1 2 ，l d 寿命就会减少一个数量级。 综上所述，l d 的注入电流与温度对其性能都有重要的影响，因此在气 哈尔滨工程大学硕士学位论文 体检测系统中，为使系统能够长期稳定工作，为l d 提供一个良好的工作状 态、稳定的电流和温度控制对于实现气体浓度的高精度检测是很有必要的。 1 3l d 的驱动和温度控制国内外研究现状 1 3 1 l d 驱动控制的国内外现状 近年来，国内外对l d 驱动控制系统的研究与开发取得了较快的发展， 尤其以发达的欧美国家、日本等发展最为迅速。目前l d 驱动控制器的国外 生产厂商主要有w a v e l e n g t h 、i l x l i g h t 、t h o r l a b s 等公司，其中以w a v e l e n g t h 、 t h o r l a b s 公司提供产品性能较为突出。w a v e l e n g t h 公司的驱动器产品将恒流 与恒功率驱动集成在一起，用户可以根据需求灵活地选取工作方式，其主要 有p l d 系列、m p l 系列；i l x l i g h t w a v e 公司生产的l d x 3 4 1 2 是一款高稳 定性、低噪声、低成本的l d 驱动电源，可提供0 - 2 0 0 m a 的单向驱动电流， 具有恒定电流、恒定功率两种操作模式，并且可为l d 提供多种保护方式， 但是其价格较为昂贵【1 2 】；德国著名厂商i c h a u s 公司的i c w k 系列产品集成 了常用的l d 功率调制电路，能够输出稳定电流，还可实现叠加信号对l d 进行调制、l d 的软启动等功能。 国内对半导体激光器驱动控制的研究起步较晚，在研究的原理上也大多 数继承了国外成熟的理念，国内主要采用控制l d 的注入电流来实现对其的 驱动控制【l3 1 ，能提供l d 控制器的公司主要有湖北光通、上海科联等，其产 品大多没有将恒流和恒功率集成在一起，且控制的精度与稳定度与国外同类 产品相比还有一定的差距。 1 3 2 l d 温度控制国内外研究现状 目前拥有激光器温度控制器产品的国外公司中，处于领先水平的除了 w a v e l e n g t h 公司外，还有t h o r l a b s ，r k l i g h t ，m c s h a n e ，l i n e a rt e c h n o l o g y 等几家著名公司。w a v e l e n g t h 公司的恒温控制器产品主要m p t 系列、h t c 6 哈尔滨工程大学硕士学位论文 系列和f t p 系列：t h o 。a b s 公司的t e c 2 0 0 0 系列；l i 出公司的l d 3 7 0 0 系列、l d 5 5 2 5 系列；m c s h a n e 公司的5 c 7 系列等。国外公司如a n a l o g d e v i c e s 、 l i n e a rt e c h n o l o g y 、t i 等推出了专用的热电制冷控制器芯片，如a n a l o g d e v i c e s 公司的a d n 8 8 3 0 、a d n 8 8 3 1 等，l i n e r 公司的l t c l 9 2 3 等l t c 系列 产品和t i 公司的d r v 5 9 3 等。在这些温度控制器中，尤以w a v e l e n g t h 公司 的m p t 系列与h t c 系列较为出色【1 4 1 ，其控制精度和稳定度都相对较高，主 要参数如表1 1 所示。 表1 1m p l 系列与h t c 系列主要参数 产品 温度控制范围长期温度稳定度短期温度稳定度 m p l 系列 _ 6 0 + 1 1 5 0 0 0 8 0 0 0 5 h t c 系列 - 9 9 + 1 5 0 0 0 0 3 0 0 0 1 而目前国内专业生产用于激光器的温度控制器的厂家相对较少，其中比 较出色的有温州上通仪表有限公司的s t 8 0 8 系列智能数字温度控制器( 采用 p i d 调节算法结合模糊控制) 和广州奥科自动控制设备有限公司的x m c t 系 列温度控制器，它们具有相对较高的性能指标，实用性较强、可靠性较好。 另外就是广东溶济自动化设备有限公司的c d 4 0 1 c d 9 0 1 单回路温度控制器， 其具有p i d 参数的自校正、r s 4 8 5 通信机制、温度警报、加热或制冷控制功 能。 随着科技的发展，温度控制的方法由模拟p i d 调节到数字p i d 调节，由 模糊控制到自适应控制；温度控制的执行元件也由风冷、水冷到热电制冷器 ( t e c ) 制冷；温控精度的精度也在逐步的提高。通过以上对比，可以看出 国外的l d 驱动控制器和温度控制不仅在功能较为齐全且智能化较高，但价 格昂贵，不适于大规模的运用；而国内同类产品虽然近年来取得了很大的进 步，但是在控制精度、稳定性、集成化方面与国外还有一定的差距。 1 4 课题研究的目的与意义 在t d l a s 气体检测系统中，l d 作为光电系统的核心器件，其输出波长 7 哈尔滨工程大学硕士学位论文 对有源区温度变化与注入电流非常敏感，导致输出波长的不稳定，因此研究 l d 的驱动控制和温度稳定对提高系统工作状态的稳定性、实现气体浓度的 高灵敏度检测有着非常重要的意义。在l d 稳定控制中，选择对电流、功率 的控制相对比较容易，与国内外的研究情况较为接近，电流的控制精度可以 达几个微安级。然而在温度控制部分，国内外的差距较大，国外温度控制器 产品不仅稳定性好( 长期的稳定度 o 0 l o ) 、精度高( 可达0 0 0 1 ) 、而且 安全可靠；国内的产品无论在稳定性( 长期稳定性 o 1 ) 、精度( 0 0 5 ) 、 可靠性等方面都有一定的差距，而且控制算法也有待于完善。l d 稳定控制 的研究，对促进我国光电行业的发展，缩小与国外先进技术的差距，也有着 很重要的现实意义。 1 5 课题主要研究内容 课题对近红外光谱吸收式甲烷气体浓度检测系统的l d 工作状态问题进 行了深入的研究与分析，完成了为稳定检测系统l d 工作状态的方案选择， 完成了相关电路设计，并进行了实验与分析。具体来说，本课题的研究内容 主要包括： l 、介绍了l d 工作的原理，重点分析v c s e l 的特性，为检测系统光源 的选择奠定了基础；叙述了气体光谱吸收实现气体浓度检测的原理，并对甲 烷吸收谱线进行了分析，选定了检测吸收谱线并确定了其参数；阐述了波长 调制技术与谐波检测技术相结合实现气体浓度检测的方法。 2 、给出了气体浓度检测的总体方案，确定了稳定l d 工作状态的方法， 即采用精确的电流控制与温度控制相结合的方案对l d 进行控制，使输出波 长满足气体检测的要求；设计了相应的驱动控制电路。 3 、以实际l d 组件结构为出发点，分析各部件间热量传递及温度变化的 关系，推导出有源区温度的关系式，并针对其温度控制的特点设计采用两层 温度控制思想：机箱温度和内层l d 组件温度控制相结合方法来的稳定l d 有源区温度的实验系统并完成相应实验。 8 哈尔滨工程大学硕士学位论文 4 、提出了一种检验检测系统l d 工作状态稳定性的方法，即通过谐波信 号幅度时域波形图来评价l d 工作状态稳定性的方法，并结合波长一温度及 波长一电流的关系，给出l d 工作点不合理时应采取的措施。 9 哈尔滨工程大学硕士学位论文 第2 章l d 工作原理与气体光谱吸收理论 在t d l a s 甲烷气体浓度检测系统中，l d 作为系统的关键器件，其特性 直接关系到检测系统的性能，因此对其工作原理、特性的分析是很有必要的。 本章在介绍l d 的工作原理的基础上，重点分析了v c s e l 激光器特性，阐述 了气体光谱吸收与波长调制技术相结合的气体浓度检测方法。 2 1l d 工作原理及特性分析 一般l d 的结构主要由以下部分组成t ( 1 ) 工作介质。用来实现粒子数 反转并产生光的受激辐射且放大的半导体物质。( 2 ) 电激励源。提供能量来 维持粒子数反转进而得到稳定的激光输出。( 3 ) 光学谐振腔。为增强受激辐 射的强度，将具有光学反射特性的反射镜构成腔体，使光在谐振腔中来回振 荡，不断诱发新的受激辐射，让光强不断得到放大，最后使具有一定方向和 频率的光子能够从反射镜透射输出，以保证输出激光良好的定向性和单色性。 l d 的工作是光子的受激发射、吸收及放大的过程，要使l d 产生受激光 子输出，需要满足以下条倒1 5 j ：形成粒子数反转、提供光反馈与满足激光振 荡的阈值条件。粒子数反转意味着处于高能态的粒子数多于处于低能态的粒 子数，使达到这一条件的有源物质具有正增益输出，而阈值条件则要求产生 的增益要能克服有源介质内部的损耗及输出损耗。 2 1 1 粒子数反转 半导体中的电子是按费米狄拉克统计规律而分布在价带与导带之间的 不同能态上，即电子优先占据能量较低状态而从低能态到高能态的分布。若 要在半导体有源介质中实现粒子数反转，应建立使处于高能级的粒子数大于 低能级的粒子数、受激发射大于受激吸收、导带与价带的能级之差大于禁带 宽度疋的非平衡分布，如图2 1 ( a ) 所示。而在l d 中受激发射所需的粒子数 反转状态可通过对p n 结加正向电压偏置不断的注入电子来实现，电子越过 1 0 哈尔滨工程大学硕士学位论文 异质结势垒而注入，同时在价带中产生同等数量的空穴以保持电中性。在半 导体有源介质中实现了粒子数反转，该介质就具有了正增益及对光子进行谐 振放大的能力。 e 。 i | e f i i 广r jl ) ) 址f ) e g 胁，眦= e f i1r 1 矗 厂、 峨。 荔缓。 荔 豸 z 7 ( a ) 粒子数反转示意图( b ) f - p 腔示意图 图2 1 粒子数反转及f - p 腔示意图 为了在半导体有源区产生受激光发射，须使净受激发射大于净受激吸收， 应满足条件【1 6 】： e 之一屏矿互一最= h v ( 2 1 ) 式中，、岛分别为导带与价带电子态能量；互、最分别为高能级 与低能级状态的电子能量；h v 为光子能量。 2 1 2 激光振荡的阈值与反馈 有源区介质置于光学谐振腔内，光波每次通过增益媒质的增益尽管很小， 但在反射镜之间来回多次反射后而得到放大，如果增益超过损耗，则光腔内 的光场将得到不断增大【1 7 1 。在l d 反射镜形成的f p 腔中，如图2 1 ( b ) 所示， 其内部充有折射率为的半导体材料，设两个腔面的反射系数分别为墨、垦 则光腔内传播的平面波可以表示为： 毒= e x p ( 塑竽) e x p 【( g q ) z 】( 2 2 ) 式中：a 为光波波长，g 为增益系数，是内部损耗系数。而光波在腔内经 哈尔滨丁稃人学硕十学位论文 过多次反射再回到原处时，其振幅至少应等于其起始值，即可以用下式来表 示： 墨re x p ( i 4 x i n r l ) e x p 【( g q ) 2 三】：1 ( 2 - 3 ) 因此腔内形成振荡的幅值条件可写为： r 1 r 2e x p ( g a , ) 2 l 】- 1 ( 2 - 4 ) 即相应的阈值增益为： g = + 壶h 丽1 ( 2 - 5 ) 要形成稳定的振荡输出，还需满足一定的相位条件： 4 j r _ n r l ：2 朋万( 2 - 6 ) 式中：m = 1 ，2 ，3 ，即当l d 达到稳定阈值时，光子从有源介质获得的增 益足以抵消由于介质对光子的吸收、散射、输出损耗等内部损耗。 2 1 3 垂直腔面发射激光器 1 、垂直腔面发射激光器 垂直腔面发射激光器( v c s e l ) 是一种新型窄线宽激光器【1 8 】，如图2 2 ( a ) 所示，它是由高折射率n n 与低折射率n t 两种介质材料交替生长厚度为2 1 4 的 ( a ) v c s e l 激光器实物图( b ) v c s e l 激光器结构图 图2 2v c s e l 激光器实物与结构示意图 1 2 哈尔滨工程大学硕士学位论文 多层介质膜而成的分布布拉格发射器( d b r ) 之间连续生长多个量子阱有源区 所构成的结构，如图2 2 ( b ) 所示，而且在顶部还镀有金属反射膜以加强上部 d b r 的反馈作用。d b r 结构尽管增加了输出的反射率，但由此构成的一系 列势垒必