中红外全固态激光器热电控制关键技术研究

doi:EBAEB8E47EE264AA02F8BF936DE3E130

	中红外全固态激光器热电控制关键技术研究
	于德洋
学位类型	博士
导师	郭立红
	2019-06-01
学位授予单位	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
学位授予地点	中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
关键词	中红外激光器热电控制高精度温控半导体激光驱动无液冷热控
摘要	3~5μm波段中红外激光在大气传输过程中衰减小,同时覆盖了许多原子、分子的吸收峰,因而被广泛应用于激光光谱学、大气环境监测、光电对抗、激光远程探测等相关领域。为了进一步提升激光器的稳定性、可靠性和环境适应性,同时满足在机载、空间等复杂环境下对激光器体积、重量、功耗等方面的苛刻要求,本论文以所研制的全光纤泵浦MgO:PPLN中红外固态激光器为例,围绕激光器内部种子源、激光介质和非线性光学晶体等关键器件的高稳定、高精度温控,高功率泵浦源的高稳定、高可靠驱动和无液冷散热等电子学与热力学关键技术问题,主要从热电制冷温控系统模型辨识与控制技术、半导体激光泵浦源恒电流驱动技术和中红外全固态激光器无液冷热控技术三方面展开研究。论文的主要研究工作如下:1.针对由半导体热电制冷片、模拟热负载和散热器组成的热电制冷温控系统,基于半导体热电效应原理,建立了温控系统的热力学平衡方程;通过对方程组进行小信号线性化处理,确定了温控系统的数学模型,该模型具有单零点、双极点和时延特征;搭建了系统模型参数辨识实验平台,设计了一种5阶伪随机二进制M序列(Maximal Length Sequence)作为系统辨识输入信号,采用最小二乘算法对温控系统模型参数进行辨识,获取了不同热负载和激励信号下的模型参数,辨识结果表明模型参数随不同工况条件而变化。针对温控系统模型的非线性、时变特点,将模糊控制与PID(Proportion-Integral-Differential)控制相结合,设计了一种参数自整定模糊PID控制器,采用模糊推理对PID参数进行在线整定,通过Simulink仿真对系统温控效果进行了对比和分析。2.对半导体激光器基本工作原理,输出特性,温度变化对其阈值电流、功率、波长的影响关系,以及器件失效机理进行了深入分析。在基于深度负反馈的半导体激光器恒电流驱动电路原理基础上,提出了一种基于双闭环数字化控制方式的LD(Laser Diode)半导体激光恒电流驱动方法,采用基于负反馈放大电路的外环控制与PID内环控制相结合的双闭环控制方式,并通过输入电源滤波电路,对驱动电路供电进行去噪处理,有效提高了驱动电路输出电流的稳定性和精确度。结合半导体激光器激光器的主要失效原因,通过对LD驱动电路进行限流保护电路设计、基于数字化延时控制的软启动保护电路设计和防浪涌保护电路设计,提升了半导体激光器的安全性和可靠性。3.针对全光纤泵浦MgO:PPLN中红外全固态激光器,设计了一种由半导体热电制冷片、自动温控电路、散热肋片、轴流风扇和热管组成的小型化无液冷热控系统。建立了一种数学模型和方法以近似估算激光器无液冷热控系统在不同环境温度下的散热能力;在COMSOL仿真软件中建立了激光器散热系统的有限元模型,并对系统稳态热分布进行了仿真,对比分析了热管、风扇转速对系统散热能力的影响;根据仿真结果和数学模型近似估算出了激光器热控系统的最大散热能力。在室温和高温环境下分别对激光器进行了出光实验,激光器在工作过程中,泵浦激光温度能够被控制在稳态误差±0.1°C温度范围以内。理论仿真与试验结果表明,该无液冷热控方案有效提升了中红外全固态激光器的环境适应性,同时还可用于其它泵浦功率百瓦量级的固态激光器散热。
页数	135
DOI	EBAEB8E47EE264AA02F8BF936DE3E130
语种	中文
引用统计
文献类型	学位论文
条目标识符	http://ir.ciomp.ac.cn/handle/181722/63825
专题	中科院长春光机所知识产出
推荐引用方式 GB/T 7714	于德洋. 中红外全固态激光器热电控制关键技术研究[D]. 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所). 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所),2019.

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中红外全固态激光器热电控制关键技术研究.（8764KB）	学位论文		开放获取	CC BY-NC-SA	请求全文