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窄線寬半導(dǎo)體光纖激光器控制系統(tǒng)研制

發(fā)布時間:2018-08-14 19:24
【摘要】:隨著激光技術(shù)的迅速發(fā)展,其應(yīng)用也日益廣泛。半導(dǎo)體光纖激光器因具有轉(zhuǎn)換效率高、光束質(zhì)量好、結(jié)構(gòu)緊湊和穩(wěn)定可靠性高等特點,在激光器市場領(lǐng)域中占有比較高的份額。近年來,窄線寬半導(dǎo)體光纖激光器的市場需求日益增加,廣泛使用在相干探測、引力波探測、相干合成等領(lǐng)域。窄線寬的半導(dǎo)體光纖激光器相對與其它激光器,其對控制系統(tǒng)要求更加嚴(yán)格。本文將研制出一套高功率窄線寬半導(dǎo)體光纖激光器控制系統(tǒng),主要應(yīng)用于合成孔徑激光成像雷達。本文介紹了窄線寬半導(dǎo)體光纖激光器控制系統(tǒng)的研制過程以及系統(tǒng)的工作原理和主要組成結(jié)構(gòu),分別對硬件電路設(shè)計、軟件編程和系統(tǒng)抗干擾等幾個方面進行了詳細的論述。并且本系統(tǒng)采用模塊化設(shè)計方案,控制系統(tǒng)主要由核心主控單元、LD溫度控制單元、LD電流驅(qū)動單元、上位機等組成。為提高系統(tǒng)設(shè)計的靈活性和可靠性,本設(shè)計控制芯片采用具有超高集成度的賽普拉斯Psoc5 LP系列產(chǎn)品。該芯片內(nèi)部集成了大量數(shù)字和模擬器件,包括A/D轉(zhuǎn)換模塊、D/A轉(zhuǎn)換模塊、比較器和可編程邏輯模塊等。為實現(xiàn)高精度溫度控制,LD溫度控制單元采用TEC和H橋電路作為硬件部分,利用PID算法實現(xiàn)準(zhǔn)確的閉環(huán)控制。LD電流驅(qū)動單元采用壓控恒流源電路結(jié)構(gòu)實現(xiàn)電流的穩(wěn)定工作,再結(jié)合模擬切換開關(guān)等電路結(jié)構(gòu)可使驅(qū)動模塊工作在連續(xù)或者準(zhǔn)連續(xù)的狀態(tài)。針對激光器系統(tǒng)意外突發(fā)情況和抗干擾等方面,主要從保護電路結(jié)構(gòu)設(shè)計和電磁兼容性、整機布線等方面進行了詳細闡述。本文所研制的窄線寬半導(dǎo)體光纖激光器控制系統(tǒng)的樣機,已經(jīng)將其應(yīng)用到高精度測量、激光雷達等設(shè)備中。激光器具有多種工作模式,并可通過上位機和串口指令,可以很方便準(zhǔn)確地控制光纖激光器的輸出功率及輸出方式,在準(zhǔn)連續(xù)模式下可實時的對頻率和占空比進行修改。當(dāng)激光器工作狀態(tài)異常,保護系統(tǒng)將會產(chǎn)生報警功能和相應(yīng)保護措施。通過對光學(xué)參數(shù)的分析,本文所設(shè)計的激光器控制系統(tǒng)滿足窄線寬半導(dǎo)體光纖激光器的高精度控制需求。并經(jīng)過高低溫和老化實驗驗證,本論文所設(shè)計的激光器控制系統(tǒng)能夠正常在0-40攝氏度環(huán)境中長時間運行,并對激光器異常能夠及時的識別和保護。
[Abstract]:With the rapid development of laser technology, its application is increasingly widespread. Semiconductor fiber lasers have the advantages of high conversion efficiency, good beam quality, compact structure and high stability and reliability, so they occupy a high market share in the field of laser market. In recent years, the market demand of narrow-linewidth semiconductor fiber lasers is increasing, which is widely used in the fields of coherent detection, gravitational wave detection, coherent combination and so on. Compared with other lasers, the narrow linewidth semiconductor fiber laser requires more strict control system. In this paper, a high power narrow linewidth semiconductor fiber laser control system is developed, which is mainly used in synthetic aperture laser imaging radar. This paper introduces the development process of the control system of narrow linewidth semiconductor fiber laser, the working principle and the main structure of the system. The hardware circuit design, software programming and system anti-jamming are discussed in detail. The control system is mainly composed of LD temperature control unit, LD current drive unit, upper computer and so on. In order to improve the flexibility and reliability of the system design, the design control chip adopts Psoc5 LP series products with high integration. A large number of digital and analog devices are integrated into the chip, including the A / D conversion module, the D / A conversion module, the comparator and the programmable logic module, etc. In order to realize high precision temperature control LD temperature control unit, TEC and H bridge circuits are used as hardware part, and PID algorithm is used to realize accurate closed-loop control. LD current drive unit uses voltage-controlled constant-current source circuit structure to realize steady current operation. Combined with analog switch and other circuit structures, the driving module can work in a continuous or quasi-continuous state. In this paper, the protection circuit structure design, electromagnetic compatibility and whole machine cabling are described in detail in view of unexpected burst and anti-jamming of laser system. The prototype of the narrow linewidth semiconductor fiber laser control system developed in this paper has been applied to high-precision measurement, lidar and other equipment. The laser can control the output power and output mode of fiber laser conveniently and accurately, and can modify the frequency and duty cycle in the quasi-continuous mode in real time. When the laser is in abnormal working condition, the protection system will produce alarm function and corresponding protection measures. Through the analysis of optical parameters, the laser control system designed in this paper can meet the demand of high precision control of narrow linewidth semiconductor fiber laser. The experimental results show that the laser control system designed in this paper can operate normally in the environment of 0-40 degrees Celsius for a long time, and the abnormal laser can be recognized and protected in time.
【學(xué)位授予單位】:桂林電子科技大學(xué)
【學(xué)位級別】:碩士
【學(xué)位授予年份】:2017
【分類號】:TN248.4

【參考文獻】

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本文編號:2183882

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