摘 要：讨论一种大功率激光器控制器的设计方案，它能够对激光器提供一个稳定的受控电流，并能实时监视、控制激光器的温度，以达到保护激光器的目的。以MCS－51单片机为核心的控制器实现了对系统的精确控制，对电流的控制达到毫安级，温度可达0．1℃。
关键词：激光器；受控恒流源；TEC；H桥式功放电路；MCS－51单片机
现在，激光器已广泛应用于生产、生活、医疗、国防等各个领域，激光器的种类也是五花八门，功率也从几毫瓦到几十瓦不等，本设计方案能为大功率半导体激光器提供支持，最大电流可达2．5 A。激光控制器由受控恒流源、温度监视及控制电路、主控制器及显示器构成。其结构原理如图1所示。
1 受控恒流源
为了使激光器输出稳定的激光，对流过激光器的电流要求非常严格，供电电路必须是低噪声的稳定恒流源。恒流源可以从0～2．5 A之间连续可调，以适应不同规格的半导体激光器。该恒流源是以大功率的MOS管为核心，激光器作为负载与之串联，通过控制MOS管的栅极，来实现对激光器电流的控制。但MOS管是非线性器件，难以直接控制，因此必须将其转化为线性控制。
如图2所示，在MOS管串联一个0．1Ω的电阻，用于采样反馈，MOS管的电流变化范围是0～2．5 A，输入控制信号的电压范围是0～5 V，将采样电阻的电压放大20倍正好与输入电压匹配。这样控制电压0～5 V与电流0～2．5 A之间建立起线性的对应关系。但由于整个反馈是开环系统，十分容易产生自激，因此在采样电阻连一个1μF的电容，破坏自激产生条件，消除自激。并且应采用稳定的电源以减小电压波动。
2 温度检测及控制电路
温度对激光的品质有很大影响，在电流恒定的情况下，温度每升高1℃，激光波长将增加大约0．1 nm，而且温度过高将导致激光器老化甚至损坏。因此需要将温度控制在激光器适合的工作条件下，且使温度起伏小于0．1℃，这样才能使激光器输出稳定的波长。激光器是一个电灵敏度高的负载，因此控制器必须提供监控限制和过流保护的能力。值得注意的是：环境温度的变化对激光器的影响，要求控制器具备制冷和制热的能力。半导体致冷器TEC（Thermoelectric coolercontroller）具备此能力，但控制器必须是真正双向的，并且使温度从冷端到热端之间没有死区。TEC的驱动电路通常采用“H”桥式，由两个互补的达林顿管或MOS管构成。对H桥的驱动宜采用开关式驱动方式，开关式驱动方式功耗小、效率高。对于开关式驱动方式可以使用LTC1923等专用芯片直接驱动，其原理如图3所示。
由于大电流开关电路会产生很大的噪声干扰，为减少干扰，可适当增大开关管的转换时间来降低高频开关噪声。虽然这会是开关效率降低一些，不过用这个代价换来噪声的大幅度改善还是值得的。另外由于TEC具有热惯性，改变状态会有一定的延迟，会给系统引起振荡。为了消除振荡，可在放大器两端并联积分电路，增加延时消除振荡产生。要注意的是稳定的温度是由热敏电阻的反馈来决定的，因此要将TEC与热敏电阻封装在一个模块中，使他们紧密耦合。
温度探测器的精度直接影响温度控制的效果。
温度探测电路部分与恒流源类似，采用负温度系数的热敏电阻作为温度探测器，将热敏电阻串联入一恒流源，对热敏电阻两端电压采样，将温度变换为电信号，原理如图4所示。
3 主控制及显示部分
该控制器是以89C51单片机为核心构成的，它直接控制激光器的驱动电流、温度，并且能够将系统当前温度、电流大小，预设电流和预设温度直观准确地反映出来，而且对仪器操作也更加方便，精确。整个单片机控制部分原理如图5所示，程序流程图如图6所示。
恒流源的控制电压为0～5 V，如输入端由8位D／A控制，分辨力为2．5×1／2e8＝0．01 A，若采用12位D／A，则可精确到1 mA。热敏电阻阻值与温度呈非线性关系，大致为e指数形式，因此在高温部分，对温度的分辨力会降低，所以A／D转换器应在12位以上才能有较好的效果。并且在单片机的ROM中组织一张热敏电阻温度与电压关系表，通过查表的方法来实现对热敏电阻采样后进行温度换算和对H桥温度控制。
另外，像D／A、A／D这些器件有些需要使用－5V电压作参考。可以用555芯片作方波脉冲发生器，滤掉其直流成分，在用二极管将正向电压短路，留下的负电压经平滑处理后得到－5V电压。
4 结束语
本文设计的激光器控制器适应性强，电流范围大，连续可调，温度控制效果好，方便直观等特点，是一种比较可行的激光控制器方案。 |
