CN101841128A - 激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识方法与装置，给激光二极管组件中的热电制冷器施加周期性的电流，实现激光器温度的快速扫描；通过感测激光二极管组件中的NTC热敏电阻两端的电压值，得到实时的电阻值，将电阻值转换为实时的热敏电阻温度值，通过热敏电阻上的温度变化速率计算出温度补偿值，然后得到激光腔的预估温度；利用已知的激光二极管调谐传递函数，根据公式λ(t)＝F_λ(i(t)、T(t))，得到激光器的实时输出波长。以开环驱动、先进算法的在线辨识，简化了***的硬件结构，降低了***成本。大幅度的提高温度调谐的速率；可以在线的给出温度快速调谐过程中的动态波长，对波长的辨识精度经实验检验可以在pm量级，并且不受环境温度波动的影响。

Description

激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识方法与装置

技术领域

本发明涉及激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识方法与装置；特别是对激光二极管进行快速温度调谐的方法，能够获得很宽范围的调谐光谱，可以应用于激光调谐吸收光谱技术测气体、光通信等领域。

背景技术

可调谐激光器可以在一定范围内连续改变输出波长，在光谱学、光化学、医学、生物学、集成光学、污染监测、半导体材料加工、信息处理和通信等领域有着广泛的应用。

当前，二极管激光器调谐的典型方法有四种：电流调谐、温度调谐、外谐振腔技术和可调激光器阵列。

电流调谐技术，通过改变激光器的注入电流实现波长调谐，其技术方案简单，具有很高的调谐速度(ns级)和很宽的调谐带宽，但是其调谐范围很小，一般只有零点几个nm。

温度调谐技术，通过改变激光腔的温度来改变激光器的输出波长。其技术方案简单，其调谐范围一般为几个nm，其主要缺点调谐时间较长，一般需要几秒的调谐稳定时间。

外谐振腔技术(ECL)，将激光二极管作为增益介质，激光器谐振腔的选频由外部可旋转的光栅组成，激光二极管的一面涂层作为高反射镜，而另一面是激光输出和谐振腔调谐部分。ECL的调谐范围一般为几十个nm，其输出功率高、线宽窄。但是***的结构复杂、存在运动部件、成本高，调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间。

可调激光器阵列，以激光器阵列，借助于耦合器或微机电***(MEMS)做粗略选择波段，可实现较宽的调谐范围。具有较高的输出功率，但是其结构复杂、成本高，调谐时间比较长，一般需要几秒的调谐稳定时间。

后两种调谐技术由于***复杂性、较高的成本以及对运行环境的较高要求，目前应用较少，尤其是在工业现场、野外等工况下，以前两种技术应用为主。例如，在调谐激光吸收光谱中应用的是电流调谐技术，目前通行的做法是，设定激光器的工作温度，并保持温度恒定，通过注入电流调制的方式对激光器进行调谐，再以锁相放大器对二次谐波进行检测。这种技术方案的缺点是：

激光器的调谐范围很小，对于DFB激光器电流调谐范围只有0.1～0.3nm，只能覆盖一个气体线吸收峰，一旦受到某种干扰，发生的测量错误无法得到判断和修正；

由于激光器调谐范围小，通常一个激光器只能测量一种气体，经济性较差；

对激光器的温度稳定性要求很高，由于温度对激光二极管的输出波长影响很大，为了保证激光调谐的波长范围稳定，一般要求温度的稳定性达到±0.02℃以内，这么高稳定性***的复杂性和成本是很高的。

在调谐激光器的各种应用中，都有着对拓宽激光调谐范围、提高调谐速度的需求。例如，在密集波分复用(DWDM)光通信***中，宽范围调谐是扩展光网络容量的最佳技术；在光谱学应用中，通过拓宽激光器的调谐范围可以覆盖多个吸收峰，同时检测多种气体、并提高检测精度。

激光二极管的温度调谐可以拓宽波长调谐范围，但是由于激光器组件的热惯性较大，使得应用温度调谐技术在实用化方面还有较多的障碍，不同技术方案的问题为：

方案1：通过设定在若干个不同的恒定温度，分别进行电流快速调谐测量，该方案中，激光器的温度从一点改变到另外一点，并达到要求的稳定度，与两点温度差异的大小有关，一般需要几秒到十几秒的时间，不能满足同时测量和实时监测的需要。

方案2：依据激光器组件的热惯性，以较小的TEC驱动电流改变激光腔的温度实现调谐，保证NTC的温度值能够反映激光腔的温度，在最大允许温度范围内可以获得几个nm的连续调谐，但是需要十几到几十秒的扫描时间，调谐速度慢，一般为0.1～0.5nm/s。

方案3：以较大的TEC驱动电流改变激光腔温度实现快速调谐，但是由于激光器组件的热惯性，激光腔的温度值与NTC测量值存在差异，且温度差异的大小与TEC驱动电流、环境温度、激光器组件封装形式以及器件离散性都有关系。难以确定激光腔的准确温度值，进而无法得到调谐过程中的波长值。

在调谐激光器的具体应用中，知道调谐过程中的准确波长值是非常重要的。例如，在调谐激光吸收光谱(TDLAS)技术中，激光器的波长与被测气体的特征吸收相关，波长是准确判断气体种类的依据。在外差光学探测、光通信等领域，对调谐过程中的波长值不仅需要知道，而且在调谐非线性、调制度等方面有着严格的要求。就激光二极管而言，其输出波长可以由注入电流和激光腔温度两者来唯一地确定，这样就要求激光二极管在调谐过程中的LD驱动电流和激光腔的温度可准确感知。

总之，目前的二极管激光器的调谐技术在调谐范围、调谐时间以及技术方案的复杂性等方面存在较大的不足，无法满足应用中的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识方法与装置。

本发明的一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法，在于给激光二极管组件中的热电制冷器施加周期性的电流，实现激光器温度的快速扫描；通过感测激光二极管组件中热敏电阻NTC两端的电压值，得到实时的电阻值，将电阻值转换为实时的热敏电阻温度值，通过热敏电阻上的温度变化速率计算出温度补偿值，然后得到激光腔的预估温度；利用已知的激光二极管调谐传递函数，根据公式λ(t)＝F_λ(i(t)，T(t))，得到激光器的实时输出波长。

提出的给热电制冷器件TEC施加周期性的驱动电流，所述周期性是指一个扫描周期包括扫描阶段和平衡阶段，一个扫描周期包括一个或两个以上扫描阶段和一个或两个以上平衡阶段。

所述的负向电流I₁为TEC额定电流的(0.6-1)倍；持续时间t₁的确定是以不超过激光器的最大工作温度为原则。电流I₂为TEC额定电流的(0-0.3)倍。持续时间t₃是以不超过激光器的最低工作温度为原则。电流I₃在数值上可以与I₁相同，也可以不同；电流I₄在数值上可以与I₂相同，也可以不同。

一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的装置，激光二极管组件1中的二极管激光器LD3与LD电流驱动器5连接、热敏电阻NTC4与前置放大器6连接、热电制冷器件2与TEC电流驱动器8连接，前置放大器6与AD转换器7连接，LD电流驱动器5、AD转换器7和TEC电流驱动器8均接入计算机9。

所述的LD电流驱动器5是提供给激光二极管一个高于其阈值电流的注入电流，使其发光，或通过LD电流驱动器5对激光二极管进行所需要的电流调制。

施加到LD的驱动电流的波形没有限定，对驱动电流大小的要求是：大于激光器的阈值电流、并小于激光器的最大允许电流。

所述的TEC电流驱动器8是提供给热电制冷器2一个电流，电流的正负决定着其制冷或制热，电流绝对值的大小决定着制冷或制热的速度。

具体说明如下

本发明是一种对激光二极管的快速温度调谐的装置，激光二极管组件1中的激光二极管3与LD电流驱动器5连接，LD电流驱动器5的作用是提供给激光二极管一个高于其阈值电流的注入电流，使其发光，也可以通过5对激光二极管进行所需要的电流调制；NTC热敏电阻4与前置放大器6连接，前置放大器6与AD转换器7连接，NTC热敏电阻4的两端电压信号经前置放大器放大6放大后经AD转换器7转化为数字信号送入到计算机9后根据本发明提出的波长辨识方法处理得到激光二极管的辐射波长；热电制冷器件2与TEC电流驱动器8连接，TEC电流驱动器8的作用是提供给热电制冷器2一个电流，电流的正负决定着其制冷或制热，电流绝对值的大小决定着制冷或制热的速度；计算机(或单片机)9分别与LD电流驱动器5、AD转换器7、TEC电流驱动器8连接，计算机9用来控制LD电流驱动器5驱动电流的大小及波形和TEC电流驱动器8驱动电流的大小和波形，并处理和保存AD转换器7传送过来的数据。

所述的一种激光二极管快速温度调谐装置的工作过程为，计算机9设置LD3和TEC2的驱动电流，对激光二极管组件的温度进行快速扫描，由NTC4感测激光二极管组件的温度，并经放大、AD转换为数字信号，送入到计算机9，通过NTC温度预估激光腔的温度，并结合LD的驱动电流，辨识实时的激光输出波长。

本发明的一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法，通过给激光二极管组件中的TEC施加周期性的电流，实现激光器温度的快速扫描，并在快速温度扫描过程中，辨识动态的激光器输出波长。由如下过程和步骤组成：

1)给激光二极管组件中的LD施加一定的电流或调制电流，该电流值是已知的或可以直接检测的；

2)给激光二极管组件中的TEC施加一个周期性的驱动电流，所述周期性驱动电流包括扫描阶段和平衡阶段，由以下4个阶段组成：

a)正向扫描阶段：给激光二极管组件中的TEC施加一个较大(一般TEC额定电流的(0.6-1)倍)的负向电流I₁，持续时间为(0-t₁)，t₁的确定是以不超过激光器的最大工作温度为原则；

b)平衡阶段1：给激光二极管组件中的TEC施加一个与1同向的较小电流I₂(一般为TEC额定电流的(0-0.3)倍)，持续时间为(t₁-t₂)，目的是使激光腔的温度和NTC温度快速达到平衡；

c)反向扫描阶段：给激光二极管组件中的TEC施加一个与(a)反向的较大电流I₃，其数值大小可与I₁不同，也可相同，持续时间为(t₂-t₃)，t₃的确定是以不超过激光器的最小工作温度为原则；

d)平衡阶段2：给激光二极管组件中的TEC施加一个与(c)同向的较小电流I₄，持续时间为(t₃-t₄)，目的是使激光腔的温度和NTC温度快速达到平衡；

在扫描阶段，给TEC施加的较大的驱动电流可以使激光二极管组件的温度快速变化，从而实现波长的快速调谐；在平衡阶段，给TEC施加的较小的驱动电流可以使激光二极管组件的温度快速实现热平衡，也就是说，使激光腔的温度与NTC的温度值相同。

TEC的驱动电流完成一个周期后，激光器的温度回到初始点，并处于热平衡状态，这时NTC的温度值准确反映激光腔的温度，热平衡点是温度预测的起始点。

3)在正向扫描阶段(1)和反向扫描阶段(3)分别测量激光二极管组件中NTC的电阻值，并由NTC电阻值得到NTC温度测量值；NTC的电阻值可以采用公知的技术(比如欧姆定律)测量获得，将电阻值转换得到待测温度值T_C(t)，可以采用以下两种方式之一得到：

①通过NTC的“电阻-温度特征曲线(R-T)”的方法；

②根据如下的Steinhart-Hart方程计算：

$\frac{1}{T}=C_1+C_2\·\ln \left(R\right)+C_3\·{\left[\ln \left(R\right)\right]}^3---\left(A\right)$

$\mathrm{\ΔT}\left(t\right)=\underset{t}{\∫}f(\mathrm{\β}-{\mathrm{\β}}_0)\mathrm{dt}---\left(C\right)$

从本质上讲，激光腔相对NTC的温度滞后量与多个物理量有关系，其中包括TEC驱动电流、环境温度、激光器组件封装形式以及器件离散性等，并存在着极为复杂的数学关系。

本发明以温度变化速率预估激光腔相对NTC的温度滞后量，这种方法不依赖于TEC驱动电流的大小、不受环境温度波动的影响。实际上，从***论角度，所有因素的影响都已经体现到温度变化速率上了，是更为科学的表述形式。

本发明将传统意义上的高精度温度控制，代之以开环驱动、先进算法的在线辨识，简化了***的硬件结构，降低了***成本。

本发明可以大幅度的提高温度调谐的速率；可以在线的给出温度快速调谐过程中的动态波长，对波长的辨识精度经实验检验可以在pm量级。

总之，本发明的激光二极管调谐方法和装置，同时具备快速、范围大、动态波长可知的优点，同时装置的结构简单、成本低。

附图说明

图1：是本发明***结构框图；

图2a：为本发明的TEC驱动电流波形；

图2b：为本发明温度变化的波形图；

图3：为本发明的波长辨识的流程图。

具体实施实例

现通过附图和具体实施例对本发明进一步说明如下：

如图1所示，本发明是一种激光二极管快速温度调谐的装置，激光二极管组件1中的激光二极管3与LD电流驱动器5连接，5的作用是提供给激光二极管一个高于其阈值电流的注入电流，使其发光，也可以通过5对激光二极管进行所需要的电流调制；NTC热敏电阻4与前置放大器6连接，前置放大器6与AD转换器7连接，NTC热敏电阻4的两端电压信号经前置放大器放大6放大后经AD转换器7转化为数字信号送入到计算机9后根据本发明提出的波长辨识方法处理得到激光二极管的辐射波长；热电制冷器件2与TEC电流驱动器8连接，TEC电流驱动器8的作用是提供给热电制冷器2一个电流，电流的正负决定着其制冷或制热，电流绝对值的大小决定着制冷(或制热)的速度；计算机(或单片机)9分别与LD电流驱动器5、AD转换器7、TEC电流驱动器8连接，计算机9用来控制LD电流驱动器5驱动电流的大小及波形和TEC电流驱动器8驱动电流的大小和波形，并处理和保存AD转换器7传送过来的数据。

激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法步骤如下：

1)给二极管激光器组件中的激光二极管LD施加一定的驱动电流；

2)给二极管激光器组件中的热电制冷器件TEC施加一个周期性的驱动电流，所述周期性驱动电流包括扫描阶段和平衡阶段，由以下4个阶段组成：

(1)正向扫描阶段：给热电制冷器件TEC施加一个较大的负向电流I₁，持续时间为(0-t₁)；

(2)平衡阶段1：给热电制冷器件TEC施加一个较小的电流I₂，持续时间为(t₁-t₂)；

(3)反向扫描阶段：给热电制冷器件TEC施加一个与(1)反向的较大电流I₃，持续时间为(t₂-t₃)；

(4)平衡阶段2：给热电制冷器件TEC施加一个较小的电流I₄，持续时间为(t₃-t₄)；

3)在正向扫描阶段(1)和反向扫描阶段(3)分别测量激光二极管组件中NTC热敏电阻的电阻值，并由NTC电阻值得到NTC温度测量值；

4)计算扫描阶段的温度变化率，根据温度变化率，预估激光腔与NTC热敏电阻的温度滞后量，并给出激光腔的温度预估值；

5)由先验的激光二极管LD调谐传递函数，根据LD驱动电流和预估的激光腔温度值，辨识扫描过程中的动态波长。

计算机9设置的LD驱动电流通过LD电流驱动器5施加到激光二极管组件1中的激光二极管3，计算机9设置的TEC驱动电流通过TEC电流驱动器8施加到激光二极管器件1中的热电制冷器件2，热敏电阻4感测到的温度经前置放大器6放大、AD转换器7转换为数字信号送入到计算机9。

如图2a为本发明的一个周期的TEC驱动电流波形10，计算机9通过TEC电流驱动器8给TEC2施加一个较大的负向电流(I₁)，使激光二极管组件的温度快速升高(T₁→T₂)，经历一段时间(0-t₁)后，将TEC驱动电流设置为较小的负向电流(I₂)，使激光二极管组件快速达到热平衡，经历一段时间(t₁-t₂)后，将TEC驱动电流设置为较大的正向电流(I₃)，使激光二极管组件的温度快速降低(T₂→T₁)，经历一段时间(t₂-t₃)后，将TEC驱动电流设置为较小的正向电流(I₄)，经历一段时间(t₃-t₄)，使激光二极管组件快速达到热平衡。

在周期性的TEC电流扫描过程中，热敏电阻4实时感测温度，如图2b所示的一个周期NTC温度波形11。在温度快速扫描过程中，激光腔的温度滞后于NTC感测温度值，如图2b所示的一个周期的激光腔预估温度波形12。

本发明对施加到LD的驱动电流的波形没有任何限定，可以是恒定的直流、正弦调制信号、锯齿波调制信号、方波调制信号、正弦与锯齿波双调制信号等，对驱动电流大小的要求是：大于激光器的阈值电流、并小于激光器的最大允许电流。

如图3所示，是本发明的动态波长辨识的流程图，NTC4上的电压经放大、AD转换后送到计算机9，基于公知的计算方法得到实时的电阻值，再将电阻值转换为实时的NTC温度值，通过NTC上的温度变化速率由式(D)计算激光腔的预估温度；利用先验的LD调谐传递函数，将实时的LD电流值和激光腔预估温度值代入式(E)计算，可以计算激光器的实时输出波长。

给热电制冷器件TEC施加周期性的驱动电流，周期性是指一个扫描周期包括扫描阶段和平衡阶段，一个扫描周期包括一个或两个以上扫描阶段和一个或两个以上平衡阶段。

负向电流I₁为TEC额定电流的(0.6-1)倍；持续时间t₁的确定是以不超过激光器的最大工作温度为原则。电流I₂为TEC额定电流的(0-0.3)倍。持续时间t₃是以不超过激光器的最小工作温度为原则。

LD电流驱动器5是提供给激光二极管一个高于其阈值电流的注入电流，使其发光，或通过5对激光二极管进行所需要的电流调制。施加到LD的驱动电流的波形没有限定，对驱动电流大小的要求是：大于激光器的阈值电流、并小于激光器的最大允许电流。

TEC电流驱动器8是提供给热电制冷器TEC2一个电流，电流的正负决定着其制冷或制热，电流绝对值的大小决定着制冷或制热的速度。

如：采用DFB激光二极管，其型号为FOL15DDBA-A31，允许的最大TEC电流为±1.6A。

当：I₁＝-1A；I₂＝-0.1A；I₃＝1A；I₄＝0.1A，调谐时间t₁＝3.4s时，调谐范围可达4nm，

波长辨识偏差小于5pm。

本发明公开和提出的激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识方法与装置，本领域技术人员可通过借鉴本文内容，适当改变和数据处理方法即可实现。特别需要指出的是，所有相类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，他们都被视为包括在本发明精神、范围和内容中。

Claims (10)

1.一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法，其特征在于给激光二极管组件中的热电制冷器施加周期性的电流，实现激光器温度的快速扫描；通过感测激光二极管组件中的NTC热敏电阻两端的电压值，得到实时的电阻值，将电阻值转换为实时的热敏电阻温度值，通过热敏电阻上的温度变化速率计算出温度补偿值，然后得到激光腔的预估温度；利用已知的激光二极管调谐传递函数，根据公式λ(t)＝F_λ(i(t)，T(t))，得到激光器的实时输出波长。

2.如权利要求1所述的一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法，其特征在于步骤如下：

1)给二极管激光器组件中的激光二极管LD施加一定的驱动电流；

2)给二极管激光器组件中的热电制冷器件TEC施加一个周期性的驱动电流，所述周期性驱动电流包括扫描阶段和平衡阶段，由以下4个阶段组成：

(1)正向扫描阶段：给热电制冷器件TEC施加一个较大的负向电流I1，持续时间为(0-t1)；

(2)平衡阶段1：给热电制冷器件TEC施加一个较小的电流I2，持续时间为(t1-t2)；

(3)反向扫描阶段：给热电制冷器件TEC施加一个与(1)反向的较大电流I3，持续时间为(t2-t3)；

(4)平衡阶段2：给热电制冷器件TEC施加一个较小的电流I4，持续时间为(t3-t4)；

3)在正向扫描阶段(1)和反向扫描阶段(3)分别测量激光二极管组件中NTC热敏电阻的电阻值，并由NTC电阻值得到NTC温度测量值；

4)计算扫描阶段的温度变化率，根据温度变化率，预估激光腔与NTC热敏电阻的温度滞后量，并给出激光腔的温度预估值；

5)由先验的激光二极管LD调谐传递函数，根据LD驱动电流和预估的激光腔温度值，辨识扫描过程中的动态波长。

3.如权利要求1或2所述的激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识方法，其特征在于给热电制冷器件TEC施加周期性的驱动电流，所述周期性是指一个扫描周期包括扫描阶段和平衡阶段，一个扫描周期包括一个或两个以上扫描阶段和一个或两个以上平衡阶段。

4.如权利要求2所述的一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法，其特征在于所述的负向电流I1为TEC额定电流的(0.6-1)倍；持续时间t1的确定是以不超过激光器的最大工作温度为原则。

5.如权利要求2所述的一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法，其特征在于所述的电流I2为TEC额定电流的(0-0.3)倍。

6.如权利要求2所述的一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的方法，其特征在于所述的持续时间t3是以不超过激光器的最低工作温度为原则。

7.一种激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的装置，其特征是激光二极管组件(1)中的二极管激光器LD(3)与LD电流驱动器(5)连接、热敏电阻NTC(4)与前置放大器(6)连接、热电制冷器件TEC(2)与TEC电流驱动器(8)连接，前置放大器(6)与AD转换器(7)连接，LD电流驱动器(5)、AD转换器(7)和TEC电流驱动器(8)均接入计算机(9)。

8.如权利要求7的激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的装置，其特征是所述的LD电流驱动器(5)是提供给激光二极管一个高于其阈值电流的注入电流，使其发光，或通过(5)对激光二极管进行所需要的电流调制。

9.如权利要求8的激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的装置，其特征是施加到LD的驱动电流的波形没有限定，对驱动电流大小的要求是：大于激光器的阈值电流、并小于激光器的最大允许电流。

10.如权利要求7的激光二极管快速温度调谐的动态波长辨识的装置，其特征是所述的TEC电流驱动器(8)是提供给热电制冷器TEC(2)一个电流，电流的正负决定着其制冷或制热，电流绝对值的大小决定着制冷或制热的速度。

Images