(翻译1)激光二极管高精度数字温度控制.doc

激光二极管的高精度数字温度控制 Fabrizio Barone, Enrico Calloni, Aniello Grado, Rosario De Rosa, Luciano Di Fiore, Leopold0 Milano, and Guido Russo.数字伺服回路的实施是为控制激光二极管的温度。通过使用一个有条件稳定的循环中，我们得到了一个小时的时间约 20K温度稳定性。 1995年美国物理研究所。 1.引言在一些应用中激光二极管具有宽范围的频率可调性，最基本的是从红外到可见光。例如，它们被用于原子和分子光谱，或者作为高功率固体激光器的泵浦源。频率调整是可行的因为激光二极管的发射频率对于注入电流和温度都是敏感的。激光的稳定运行是所有这些应用的基础，再开发出稳定的电流驱动和合适的温度控制回路去降低频率漂移到允许的范围内；典型的频率变化率是30-40 GHz/K.对于温度控制通常用一个比例-积分-微分（PID）网络为反应过滤器。一个小时的时间约1mK温度稳定性已经公布。在本文中我们将叙述一个激光二极管温度控制的高精度数字伺服回路。一个数字系统的使用大大简化了反应滤波器的实现，并允许实现比一般的PID更复杂的网络。通过实现一个有条件稳定的循环中，我们获得了温度稳定性为20K，超过了6250秒（1小时44分钟），这个时间还可以很容易被延长。2.实验装置激光二极管（夏普LD024MD）是插入一个安装有珀尔帖冷却器（PT）的铜片里；在同一个铜片装一个小型负温度系数热敏电阻（NTC）。控制电路可以分为两部分：模拟部分是一个类似应用，数字部分用于实现环路滤波器。NTC组成单臂的惠斯通电桥;参考电压（7 V）是由一个高稳定性的发生器（LM399）提供的。电桥是平衡系统工作点温度，这个温度可以在另一桥臂插入一个电位器进行调节。图1是装置的电路原理图。电桥信号放大使用Burr-Brown公司的型号为INA101的仪用运放（IA）。电桥，电压发生器，运算放大器都安装在一个靠近二极管的屏蔽盒中。输出，如误差信号就是送到数字系统中提供校正信号来进行温度控制。数字信号处理器是基于VME总线的，由一个16位的AD转换器，一个68030CPU和一个DA转换器组成的；数字作者：Fabrizio Barone, Enrico Calloni, Aniello Grado, Rosario De Rosa, Luciano Di Fiore, Leopold0 Milano, and Guido Russo. 1995年美国物理研究所滤波的实现是用双线性变换算法。调整是用互补对称推挽电流驱动器驱动PT的。电桥输出电压是提供NTC的温度偏差测量电压值，因此能达到激光二极管所需的工作温度。除了NTC还有另外两个温度传感器（Analog Devices AD59OJK）被使用。第一个温度传感器安装在铜片里测量激光二极管的工作温度并用来进行系统校正；第二个用来测量室温。图1 温度控制器电路原理图3.数字伺服回路为了稳定激光二极管的温度有必要的设计一个合适的反馈系统。选择循环滤波器是非常重要的，因为它决定了稳定性和伺服的性能。一般在模拟系统中使用一个PID滤波器。这可以虽然在低频段提供一个高增益，但是低频段温度波动大，由于系统的热惯性还需要加入相位延时补偿，主要是佩尔蒂埃冷却器和铜片的热惯性。这也允许一个更大的调整带宽。对于得到补偿的系统，开环传递函数（OL），即环路的乘积和系统传递函数是为低于单位增益的频率，选择非常低截止频率和高的直流增益的简单积分器。原则上为了获得更大的增益和速度可用更复杂的有个极点和零点的高阶环路滤波器，但是这需要结构更加复杂的电路来实现。此外，由于这样一个环路只能做到条件稳定，这是需要设置极端精度的滤波器参数，即截止频率的参数零点和极点。出于这些原因，非常复杂滤波器的类似实现难以克服。使用数字滤波器这个可以解决。在这种情况下有可能实现多个零点和极点，而对于一个实时系统的唯一限制是需要时间来进行数学运算。对于像温度控制这样的低频应用这通常没有问题。实际的环路滤波器应该根据系统的传递函数（TF）设计，这些是温度传感器（V/K），电流驱动器（A/V），珀尔帖冷却器（K/A）和激光传递函数。图2是我们的系统所测的传递函数。为了设计这个伺服回路，这个传递函数大约有7个极点的低通滤波器。表1是这个滤波器的参数。图3是是综合传递函数。对于我们的反馈系统我们设计了一个有四个极点和四个零点的环路滤波器。表2零极点的值。图4是这个滤波器的波特图，对比PID滤波器具有同样的相位裕度（大约45度）。在图5中是计算实现伺服回路的开环传递函数是再次对比PID获得一个。整体的增益（0dB）大约50 mHz，这是由于激光二极管安装铜片的热惯性的限制。这两个回路几乎超过10mHZ，但是在低频时我们的滤波器给出了比PID更高的增益。这个增益大约为87dB在1mHZ和148dB在100uHZ；而PID对应的增益分别为57和78dB。这样一个滤波器在以正弦变化的温度中在1K这个温度点在1mHZ时能降低到低于10uK的温漂。图2 测量系统传递函数；(a)增益（b）相位。图3 带参数（见表1）综合系统传递函数；(a)增益（b）相位。图4 表2（实线）的环路滤波器的波特图，PID滤波器波特图（虚线）具有45度相位裕度（a）增益（b）相位。图5实现伺服回路的开环传递函数的波特图（实线），PID（虚线）（a）增益（b）相位。表1 整体温度控制系统传递函数的参数直流增益极点数53.5极点对应频率（Hz）12.0e-320.04330.3640.950.961.271.6表2 整体温度控制系统传递函数的参数序号直流增益极点频率（Hz）4.64e11零点对应频率（Hz）11.0e-60.0121.0e-60.0131.0e-60.0141.00.1 4结果我们设计了滤波器在我们的数字系统中（单频500Hz）并它对激光二极管进行温度控制。图6是我们测得的开环传递函数。这非常接近理论预测（图5）。从图我们可以推断出约10 dB增益裕度，以及46度的相位裕度。当单位增益在17.5 mHZ f133.7mHZ之间伺服回路是稳定的。图7是剩余激光的温度波动的电桥变换输出量，对比此时的室温漂移一个周期超过6250秒。室温变化大约733mK（恒定速率），当在低频段激光温度的漂移低于10uK，在80uHZ减少量为100dB。更大的贡献是剩余的温度波动给与更大高频噪声，在环路带宽（50mK）之外；当激光二极管更紧凑得安装在珀尔帖冷却器上这个噪声还可以被减小，这样可以得到一个更快的系统响应。整体温度波动约正负20pK对应正负800kHZ的频率波动。图6 伺服回路的开环传递函数测量；（a）增益（b）相位。图7 剩余（闭环）激光温度变换桥的输出（a），对照同期室温漂移（b）,超过6250秒的一个周期。5.系统校准一个合适的点是系统的校准。校准是通过改变一个的NTC测量值，得到运放IA的输出Vout。测量在闭环回路中进行的，因为在开环回路中，热漂移会是运放很快饱和。我们加上一个直流电压Vdc到Vout；反馈的作用是减少到零，误差信号Ve=Vout+Vdc; 其结果是PT改变激光二极管的安装温度以得到输出电压Vout= - Vdc;相应的绝对温度测量通过安装在铜板上的AD590JK。图8是校准曲线。数据的最佳是；这得益与NTC的特性和运算放大器的增益（A=400）。图8 系统校准曲线：激光温度（K）vs IA 闭环输出（V）。6.讨论我们实现了能把激光二极管的温度波动降低到小于正负20uK的温度控制系统；这完全不是一个极限因为FB的性能可以得到改善，基本上二极管的安装在一个更加紧凑的波尔贴冷却器上。值得一提的是我们实际控制的不是温度而是误差信号然后由电桥输出。可以肯定的是激光的温度确实可以减少到预期的水平，这必须考虑到电桥元件和运放温度漂移的影响=10uK的温度稳定需要电桥输出变化低于成为A=400的放大增益。我们使用温度系数大约为3ppm/K的电阻组成电桥；相应的电桥输出漂移大约为5uV/K.运算放大器的低温系数（22ppm/K）对其影响甚微：误差的主要来源是输入偏置电流Ib(0.2nA/K)和设置电流(0.5nA/K)的变化；运放输入13.5uV/K的电压漂移。整体输入电压漂移大约有18.5uV/K。然后放大器温度变化应该小于40mK。我们实验室的温度变化约为733mK; 我们估计，相应的激光温度漂移包括元器件引起的漂移的低于180uK。总的来说，我们的系统能够把激光的温度波动降低到低于正负20uK在变换电桥（当然不包括NTC）和运放器的热稳定性低于40mK的条件下能够容易地获得一个商业上的温度控制器。根据40GHz/K的典型值，我们期望激光发射频率的对应热漂移是低于正负800KHz。1. C. E. Weiman and L. HoIIberg, Rev. Sci. Instrum. 62, 1 (1991).2. J. C. Campano, Contemp. Phys. 26, 443 (1991).3. L. R. Marshall, A. Kaz, and 0. Aytur, Opt. Len. 18, 817 (1993).4. A. D. Farinas, E. K. Gustafson, and R. L. Byer, Opt. Lett. 19, 114 (1994).5. C. C. Bradley, J. Chen, and R. G. Hulet, Rev. Sci. Instrum. 61, 2097 (1990).6. A.V. Oppenheimer and R. W. Schafer, Digital Signal Processing (Prentice-Hall, EngIewood Cliffs, NJ, 1975).7. Refer to any control theo