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一、自动功率控制

1.控制框图

半导体激光器自动功率控制有许多方法：一是自动跟踪偏置电流；二是峰值功率和平均功率的自动控制；三是P⁃I曲线效率控制法。其中第一种方法可采用光电反馈原理，直接检测光功率控制偏置电流对激光输出功率的起伏进行补偿。其结构框图如图1所示。

图1光功率自动控制结构框图

2.电路设计

光功率自动控制电路主要包括比较放大模块、恒流源模块和光功率反馈模块。电路原理图如图2所示。通过APC电路使驱动电流和输出功率达到平衡，实现自动功率控制。

图2光功率自动控制原理图

半导体激光器是非常脆弱的元件，易受静电或反向电压冲击，需要保护电路防止对LD的损伤。本文采用一个肖特基二极管与LD并联，起到对LD保护的作用

二、半导体BAR与散热片的组装

影响散热片散热性能的指标主要有材料、有效散热面积、鳍片数量、散热片形状等。散热材料现在主要使用铜和铝两种。上述两种材料比起来，铜的导热率比较高，重量较重，但成本也高于铝材料；铝材料的散热片早已形成一定的商业规模。从成本和散热量而言，使用铝散热完全满足要求。从散热片到空气之间的热传递主要有3种方式：热辐射、空气对流和热传导。为了取得更好的散热效果，只有从空气对流上采取办法。

将半导体BAR与散热组件能否成功组装关系到散热效果。采用如下“三明治”工艺结构：（1）散热片和风扇连接。采用高速运转风扇排风效果好，但噪音大，因此合理选择风扇尺寸和转速也很重要，风扇和散热器的连接方法通常有两种，即左右固定法和正下方固定法，前者通常采用一个吹风一个拉风的方法，这适用于大方形散热器，后者则采用同时吹风两边走风的方法，适用于小薄散热器。（2）散热片和TEC连接：我们采用固定槽定位TEC，接触面之间均匀涂抹导热硅脂。（3）TEC与均匀铜板的连接：在TEC上均匀涂抹导热硅脂后，在其上盖上铜板，要求铜板厚薄均匀，且与散热片之间要有一定的缝隙间隔。（4）激光器BAR与铜板连接：在铜板固定BAR的位置均匀涂抹导热硅脂，用螺丝固定好BAR，要求BAR尽可能对准TEC中心位置。

三、自动温控电路设计

1.温度误差放大器和PID补偿放大器

TEC控制芯片一般由控制信号调节电路和功率电路组成。SLM8834集成了两个零温漂、轨到轨的运放放大器，一个作为热敏电阻反馈信号放大器，另一个作为PID调节运放放大器，PID的输出信号作为到功率级的控制信号。

半导体制冷器TEC和温度传感器等部件都具有热惯性和时滞性，即温度对象的响应速度较慢，系统中电流对象的响应速度较快。为了改善TEC控制器的响应速度和温度稳定性，比例积分微分PID补偿网络的设计十分重要。

图3 PID控制模型

图3中，r(t)是设定值，y(t)是TEC控制系统的输出，e(t)=r(t)-y(t)是系统控制偏差，作为PID控制器的输入，u(t)作为PID控制器的输出和TEC的输入。

PID补偿网络的模拟控制模型可以表示为：

式中：K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，T_i为积分时间常数，T_d为微分时间常数。PID补偿网络的调节作用如下：

（1）比例调节P：比例系数K_p是比例P的倒数。K_p越大，系统响应越快，消除误差的能力越强；但由于系统存在热惯性和时滞性，过大的比例系数会导致系统震荡。

（2）积分调节I：消除静态误差（也称稳态误差），提高系统的无差度。仅有比例调节是无法消除系统静差，需引入积分调节。积分调节作用的强弱在于积分时间常数T_i，T_i越小，积分作用越强。同理，积分调节应与系统惯性匹配，惯性越大，积分调节应越小，避免超调引起振荡。

（3）微分调节D：比例调节和积分调节都是先产生误差后进行调节，对稳态系统是无差的，对动态系统是有差的；自动温控系统是动态的，先由温度差产生误差信号，再通过调节消除误差；为了提高系统的响应速度，减小调节时间，需要根据误差信号值的变化趋势（变化率），提前引入修正信号，超前调节，这就是积分调节。微分时间常数T_d越大，调节周期越短，但应避免T_d过大对系统引入干扰和冲击。

根据经验调整，在系统稳定性和调节时间之间找到平衡点。

四、实验研究

在室内温度为25~35℃的范围内，对波长为650 nm的半导体激光器进行实验。待半导体激光器预热20 min后，测量采样电阻R 0两端电压来计算驱动电流，

利用光功率计采集输出光功率。图4为自动功率控制电路在开环模式下，恒流源工作90 min内驱动电流的变化情况。从图中可以看出，驱动电流在0.02 mA范围内波动，方差小于0.003，证明无反馈时恒流源工作稳定。

图4 APC开环时恒流源工作曲线

图5是半导体激光器工作在自动功率控制模式，开环与闭环两种情况下输出功率的变化曲线。当环境温度变化不大时，对系统进行3h采样，从图中可以看出，开环时输出功率逐渐下降，波动较大；闭环时输出功率稳定，波动范围控制在0.1 mW之内。

图5 APC开环与闭环模式下LD输出功率曲线

当环境温度变化较大时，仅仅依靠APC不能稳定输出功率，反而会对半导体激光器造成损害，因此需要APC和ATC同时工作，将工作温度控制在一定范围，再利用APC电路完成功率控制。

结束语：对于激光夜视监控系统等需要大功率激光器的工程实践，由于激光器工作时将产生大量热耗散，故必须考虑热散因素，否则将减小激光器寿命甚至损坏激光器。该文定量描述了半导体制冷器（TEC）的选择、散热片的选择及与半导体BAR的组装，给出了具体实例，为激光夜视监控系统的光源温度控制提供了工程参考。

参考文献：

[1]陈鹤鸣,赵新彦.激光器原理及应用[M].电子工业出版社,2019.

[2]撒继铭,陈幼平,张冈,周祖德.半导体激光器数字温度控制系统的设计［J］．自动化仪表，2019，1(28):23-24.

[3]孙丽飞，田小建.基于半导体制冷器的高精度PWM功率驱动器［J］．光电子·激光，2019，9(15):1026-1030.