【摘要】：3~5μm波段中紅外激光在大氣傳輸過程中衰減小,同時(shí)覆蓋了許多原子、分子的吸收峰,因而被廣泛應(yīng)用于激光光譜學(xué)、大氣環(huán)境監(jiān)測(cè)、光電對(duì)抗、激光遠(yuǎn)程探測(cè)等相關(guān)領(lǐng)域。為了進(jìn)一步提升激光器的穩(wěn)定性、可靠性和環(huán)境適應(yīng)性,同時(shí)滿足在機(jī)載、空間等復(fù)雜環(huán)境下對(duì)激光器體積、重量、功耗等方面的苛刻要求,本論文以所研制的全光纖泵浦MgO:PPLN中紅外固態(tài)激光器為例,圍繞激光器內(nèi)部種子源、激光介質(zhì)和非線性光學(xué)晶體等關(guān)鍵器件的高穩(wěn)定、高精度溫控,高功率泵浦源的高穩(wěn)定、高可靠驅(qū)動(dòng)和無(wú)液冷散熱等電子學(xué)與熱力學(xué)關(guān)鍵技術(shù)問題,主要從熱電制冷溫控系統(tǒng)模型辨識(shí)與控制技術(shù)、半導(dǎo)體激光泵浦源恒電流驅(qū)動(dòng)技術(shù)和中紅外全固態(tài)激光器無(wú)液冷熱控技術(shù)三方面展開研究。論文的主要研究工作如下:1.針對(duì)由半導(dǎo)體熱電制冷片、模擬熱負(fù)載和散熱器組成的熱電制冷溫控系統(tǒng),基于半導(dǎo)體熱電效應(yīng)原理,建立了溫控系統(tǒng)的熱力學(xué)平衡方程;通過對(duì)方程組進(jìn)行小信號(hào)線性化處理,確定了溫控系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型,該模型具有單零點(diǎn)、雙極點(diǎn)和時(shí)延特征;搭建了系統(tǒng)模型參數(shù)辨識(shí)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),設(shè)計(jì)了一種5階偽隨機(jī)二進(jìn)制M序列(Maximal Length Sequence)作為系統(tǒng)辨識(shí)輸入信號(hào),采用最小二乘算法對(duì)溫控系統(tǒng)模型參數(shù)進(jìn)行辨識(shí),獲取了不同熱負(fù)載和激勵(lì)信號(hào)下的模型參數(shù),辨識(shí)結(jié)果表明模型參數(shù)隨不同工況條件而變化。針對(duì)溫控系統(tǒng)模型的非線性、時(shí)變特點(diǎn),將模糊控制與PID(Proportion-Integral-Differential)控制相結(jié)合,設(shè)計(jì)了一種參數(shù)自整定模糊PID控制器,采用模糊推理對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行在線整定,通過Simulink仿真對(duì)系統(tǒng)溫控效果進(jìn)行了對(duì)比和分析。2.對(duì)半導(dǎo)體激光器基本工作原理,輸出特性,溫度變化對(duì)其閾值電流、功率、波長(zhǎng)的影響關(guān)系,以及器件失效機(jī)理進(jìn)行了深入分析。在基于深度負(fù)反饋的半導(dǎo)體激光器恒電流驅(qū)動(dòng)電路原理基礎(chǔ)上,提出了一種基于雙閉環(huán)數(shù)字化控制方式的LD(Laser Diode)半導(dǎo)體激光恒電流驅(qū)動(dòng)方法,采用基于負(fù)反饋放大電路的外環(huán)控制與PID內(nèi)環(huán)控制相結(jié)合的雙閉環(huán)控制方式,并通過輸入電源濾波電路,對(duì)驅(qū)動(dòng)電路供電進(jìn)行去噪處理,有效提高了驅(qū)動(dòng)電路輸出電流的穩(wěn)定性和精確度。結(jié)合半導(dǎo)體激光器激光器的主要失效原因,通過對(duì)LD驅(qū)動(dòng)電路進(jìn)行限流保護(hù)電路設(shè)計(jì)、基于數(shù)字化延時(shí)控制的軟啟動(dòng)保護(hù)電路設(shè)計(jì)和防浪涌保護(hù)電路設(shè)計(jì),提升了半導(dǎo)體激光器的安全性和可靠性。3.針對(duì)全光纖泵浦MgO:PPLN中紅外全固態(tài)激光器,設(shè)計(jì)了一種由半導(dǎo)體熱電制冷片、自動(dòng)溫控電路、散熱肋片、軸流風(fēng)扇和熱管組成的小型化無(wú)液冷熱控系統(tǒng)。建立了一種數(shù)學(xué)模型和方法以近似估算激光器無(wú)液冷熱控系統(tǒng)在不同環(huán)境溫度下的散熱能力;在COMSOL仿真軟件中建立了激光器散熱系統(tǒng)的有限元模型,并對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)熱分布進(jìn)行了仿真,對(duì)比分析了熱管、風(fēng)扇轉(zhuǎn)速對(duì)系統(tǒng)散熱能力的影響;根據(jù)仿真結(jié)果和數(shù)學(xué)模型近似估算出了激光器熱控系統(tǒng)的最大散熱能力。在室溫和高溫環(huán)境下分別對(duì)激光器進(jìn)行了出光實(shí)驗(yàn),激光器在工作過程中,泵浦激光溫度能夠被控制在穩(wěn)態(tài)誤差±0.1°C溫度范圍以內(nèi)。理論仿真與試驗(yàn)結(jié)果表明,該無(wú)液冷熱控方案有效提升了中紅外全固態(tài)激光器的環(huán)境適應(yīng)性,同時(shí)還可用于其它泵浦功率百瓦量級(jí)的固態(tài)激光器散熱。
【圖文】：

光產(chǎn)品方面的競(jìng)爭(zhēng)力。在軍事化應(yīng)用方面，國(guó)外已經(jīng)開展了基于微型化 MgO:PPLN-OPO 中波激光器的激光干擾系統(tǒng)的應(yīng)用[27-28]。其中，英美 AN/AAQ-24(V)復(fù)仇女神 DIRCM 系統(tǒng)是使用增強(qiáng)防護(hù)來(lái)對(duì)抗紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈，并保護(hù)運(yùn)輸機(jī)和直升機(jī)。而美國(guó)空軍的大型飛機(jī)紅外干擾(LAIRCM)系統(tǒng)是 DIRCM 的升級(jí)型，它所采用的紅外激光光源為諾斯洛普·格魯曼公司研制的“毒蛇”激光器，采用 1064nm 光纖激光器泵浦MgO:PPLN-OPO 的技術(shù)路線, 在 3-5μm 波段輸出功率達(dá)到 2W, 激光器呈圓形，直徑 330mm, 重 4.15kg，采用風(fēng)冷冷卻，功耗低于 80W 平均功率和 320W 峰值功率。LAIRCM 紅外干擾系統(tǒng)可以有效實(shí)現(xiàn)對(duì) 4.7 公里外發(fā)射的紅外制導(dǎo)導(dǎo)彈的激光干擾，并使其脫離預(yù)定飛行彈道，圖 1-1 給出了 LAIRCM 系統(tǒng)和“毒蛇”激光器的實(shí)物圖。2011 年，諾斯洛普·格魯曼公司向美國(guó)海軍交付了 2000 套“毒蛇”激光器，用于美國(guó)海軍陸戰(zhàn)隊(duì)的直升機(jī)和大型飛機(jī)的紅外對(duì)抗系統(tǒng)。

本文所研究的中紅外全固態(tài)激光器也是采用了基于全光-OPO 產(chǎn)生中紅外激光輸出的方式。電制冷的激光器溫控技術(shù)研究現(xiàn)狀電制冷器 TEC（Thermoelectric Cooler）是一種由電氣上熱電偶堆組成的固態(tài)能量轉(zhuǎn)換器件，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖如熱電偶由兩種不同的半導(dǎo)體熱電元件組成，當(dāng)電流流過連元件回路時(shí)，會(huì)產(chǎn)生熱電制冷效應(yīng)（帕爾貼-賽貝克效應(yīng)材料流向 P 型半導(dǎo)體材料時(shí)，，該結(jié)點(diǎn)溫度降低，成為 T部吸收熱量；此時(shí) TEC 模塊另一端結(jié)點(diǎn)溫度升高，成為放熱量。當(dāng)驅(qū)動(dòng)電流的方向發(fā)生變化時(shí)，TEC 的制冷端變化，其中，TEC 的制冷量和發(fā)熱量取決于驅(qū)動(dòng)電流的
【學(xué)位授予單位】：中國(guó)科學(xué)院大學(xué)(中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TN248.1

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2701127