現(xiàn)階段我國的的激光器研究工作已有了很大的進(jìn)步，激光器技術(shù)理論與實(shí)踐上緊跟國外發(fā)展。在激光器溫度控制的精度與國外還存在著差距，所以影響著激光器應(yīng)用領(lǐng)域中的實(shí)驗(yàn)效果，而且國外有關(guān)智能化溫控設(shè)備精度較高、價格很貴。因此，研制出國產(chǎn)的半導(dǎo)體激光器溫度控制儀器，將打破國外市場對溫度控制技術(shù)的限制。
從國內(nèi)外產(chǎn)品來看，國外的研究半導(dǎo)體激光器溫度控制器精度和穩(wěn)定度優(yōu)于國內(nèi)，目前產(chǎn)品領(lǐng)先的研發(fā)機(jī)構(gòu)有美國的 Newport 公司、美國 ILX Lightwave 公司。其中美國的 Newport 公司研發(fā)的溫度控制儀器工作范圍為-50~+150°C，1 小時工作穩(wěn)定度為<0.001°C，24 小時工作穩(wěn)定度為<0.005°C。美國 ILX Lightwave 公司溫度控制儀器精度在±0.001°C 內(nèi)，長期溫度穩(wěn)定性優(yōu)于 0.005°C。而國內(nèi)的激光器溫控儀器生產(chǎn)機(jī)構(gòu)有北京業(yè)賢科技有限公司、武漢森托尼激光有限公司、武漢九六傳感技術(shù)有限公司、武漢泰倫特世紀(jì)科技有限公司，其中業(yè)賢科技有限公司 TCM系列高穩(wěn)定性數(shù)字溫控模塊，溫度的穩(wěn)定性可以達(dá)到±0.1°C；森托尼激光公司 TT系列溫控儀離散精度為 0.0625°C，控溫的范圍-55~125°C、九六傳感有限公司溫控儀控制精度達(dá)到±0.1°C，控溫的范圍 5~45°C，并且恒流連續(xù)輸出，電流噪聲小于0.1%。
從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，國外研制的一種簡單且廉價的激光二極管控制器，穩(wěn)定工作的電流±8uA和溫度±10mK ，使用 AD590 溫度傳感器，應(yīng)用了快速傅里葉變換對驅(qū)動電流進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)了溫度控制電路和電流控制電路。國外文獻(xiàn)提出了熱電制冷器等效數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確的反映制冷制熱性能，可用于設(shè)計(jì)反饋網(wǎng)絡(luò)溫度控制應(yīng)用程序。提出了激光器大信號異質(zhì)結(jié)的數(shù)學(xué)模型，能夠模擬激光電流電壓和光電動力學(xué)響應(yīng)特性。提出了一個熱電制冷器的等效模型，推導(dǎo)了高頻調(diào)制下溫度漂移的幅頻與相頻特性。Bong Su Kim;Sung Jin Yoo提出了一種非線性自適應(yīng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了理想的跟蹤性能與滿意度。國外有關(guān)激光器溫度控制與電流控制的論文較少，并且技術(shù)較成熟。因此，主要闡述國內(nèi)有關(guān)激光器溫度控制與電流控制的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)天津大學(xué)的周瑜等，研制的高精度溫度控制儀器精度能夠達(dá)到±0.05°C。中國工程物理研究院江孝國等研究的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定度達(dá)到±0.1°C 以上。有關(guān)激光溫度控制方法的研究已經(jīng)有了很大進(jìn)步，比如曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院的馬超等，應(yīng)用 PID 溫控電路實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，溫度精度可以達(dá)到 0.004°C，電流控制精度為 0.002mA。北京化工大學(xué)的李建威等，應(yīng)用模糊控制與數(shù)字 PID 自適應(yīng)相結(jié)合的控制算法，將溫度控制范圍劃分為幾個模糊區(qū)間，用實(shí)驗(yàn)的方法確定一個溫度區(qū)間內(nèi)三個環(huán)境溫度點(diǎn)的 PID參數(shù)，應(yīng)用拉格朗日二次插值方法來整定不同環(huán)境溫度下 P、I、D 的參數(shù)值，溫度精度可以達(dá)到 0.2°C，對于模糊控制來說，這種方法是很好的，充分利用了插值逼近的思想，但在基準(zhǔn)溫度點(diǎn) PID 參數(shù)整定誤差較大的情況下，利用插值方法整定的 PID 參數(shù)不準(zhǔn)確。同時，模糊控制的方法是建立在實(shí)際調(diào)試基礎(chǔ)上的，很多情況下沒有給出模糊控制理論證明。大連理工大學(xué)的李國林等，通過 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)控制固態(tài)繼電器的通斷來調(diào)節(jié)輸出溫度大小，提出了不完全微分方法，在微分項(xiàng)中加入了一階慣性環(huán)節(jié)，能夠減少高頻干擾信號，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，高頻的干擾信號參與了微分運(yùn)算會造成系統(tǒng)控制超前誤判，導(dǎo)致不理想的控制精度。黑龍江大學(xué)的任勇等，針對強(qiáng)干擾影響的難題，通過仿真分析，提出了近似階躍變化的強(qiáng)干擾信號處理方法。南京航天航空大學(xué)的萬榮榮等，測溫元件為鉑電阻，利用卡爾曼濾波器無偏和估計(jì)均方誤差最小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)溫度信號的最優(yōu)估計(jì)和濾波測溫范圍為±80°C，穩(wěn)定度達(dá)到±0.02°C。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊明偉博士論文中，論述了熱電制冷器雙級耦合結(jié)構(gòu)的溫度控制思想，針對環(huán)境溫度的變化，建立一個恒溫環(huán)境，將環(huán)境溫度作為溫控系統(tǒng)的常量輸入和第一級控制對象，而半導(dǎo)體激光器載體模組作為第二級控制對象，這種多模式組合控制的方法中，第一級環(huán)境溫度控制是需要較長時間的預(yù)熱處理，然后進(jìn)行第二級控制，從溫度控制的角度來說，第一級溫度控制精度較高的情況下，不需要第二級控制。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的范賢光博士論文中，深入的研究了脈沖注入式半導(dǎo)體激光器的光電熱特性，為半導(dǎo)體激光器熱傳遞分析與溫度控制奠定了基礎(chǔ)。文中闡述了注入電流對光功率的影響，不同工作溫度對光電特性的影響。
綜上所述，國外的半導(dǎo)體激光器溫度控制和電流控制精度優(yōu)于國內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)低成本、精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的半導(dǎo)體激光器將有利于激光技術(shù)的應(yīng)用。同時，也為實(shí)驗(yàn)室的小位移、小角度、振動測量提供穩(wěn)頻的激光光源。
從國內(nèi)外產(chǎn)品來看，國外的研究半導(dǎo)體激光器溫度控制器精度和穩(wěn)定度優(yōu)于國內(nèi)，目前產(chǎn)品領(lǐng)先的研發(fā)機(jī)構(gòu)有美國的 Newport 公司、美國 ILX Lightwave 公司。其中美國的 Newport 公司研發(fā)的溫度控制儀器工作范圍為-50~+150°C，1 小時工作穩(wěn)定度為<0.001°C，24 小時工作穩(wěn)定度為<0.005°C。美國 ILX Lightwave 公司溫度控制儀器精度在±0.001°C 內(nèi)，長期溫度穩(wěn)定性優(yōu)于 0.005°C。而國內(nèi)的激光器溫控儀器生產(chǎn)機(jī)構(gòu)有北京業(yè)賢科技有限公司、武漢森托尼激光有限公司、武漢九六傳感技術(shù)有限公司、武漢泰倫特世紀(jì)科技有限公司，其中業(yè)賢科技有限公司 TCM系列高穩(wěn)定性數(shù)字溫控模塊，溫度的穩(wěn)定性可以達(dá)到±0.1°C；森托尼激光公司 TT系列溫控儀離散精度為 0.0625°C，控溫的范圍-55~125°C、九六傳感有限公司溫控儀控制精度達(dá)到±0.1°C，控溫的范圍 5~45°C，并且恒流連續(xù)輸出，電流噪聲小于0.1%。
從國內(nèi)外研究現(xiàn)狀來看，國外研制的一種簡單且廉價的激光二極管控制器，穩(wěn)定工作的電流±8uA和溫度±10mK ，使用 AD590 溫度傳感器，應(yīng)用了快速傅里葉變換對驅(qū)動電流進(jìn)行頻譜分析，設(shè)計(jì)了溫度控制電路和電流控制電路。國外文獻(xiàn)提出了熱電制冷器等效數(shù)學(xué)模型，準(zhǔn)確的反映制冷制熱性能，可用于設(shè)計(jì)反饋網(wǎng)絡(luò)溫度控制應(yīng)用程序。提出了激光器大信號異質(zhì)結(jié)的數(shù)學(xué)模型，能夠模擬激光電流電壓和光電動力學(xué)響應(yīng)特性。提出了一個熱電制冷器的等效模型，推導(dǎo)了高頻調(diào)制下溫度漂移的幅頻與相頻特性。Bong Su Kim;Sung Jin Yoo提出了一種非線性自適應(yīng)控制方法，實(shí)現(xiàn)了理想的跟蹤性能與滿意度。國外有關(guān)激光器溫度控制與電流控制的論文較少，并且技術(shù)較成熟。因此，主要闡述國內(nèi)有關(guān)激光器溫度控制與電流控制的關(guān)鍵技術(shù)。國內(nèi)天津大學(xué)的周瑜等，研制的高精度溫度控制儀器精度能夠達(dá)到±0.05°C。中國工程物理研究院江孝國等研究的半導(dǎo)體激光器溫度控制系統(tǒng)溫度控制的穩(wěn)定度達(dá)到±0.1°C 以上。有關(guān)激光溫度控制方法的研究已經(jīng)有了很大進(jìn)步，比如曲阜師范大學(xué)物理工程學(xué)院的馬超等，應(yīng)用 PID 溫控電路實(shí)現(xiàn)高精度溫度控制，溫度精度可以達(dá)到 0.004°C，電流控制精度為 0.002mA。北京化工大學(xué)的李建威等，應(yīng)用模糊控制與數(shù)字 PID 自適應(yīng)相結(jié)合的控制算法，將溫度控制范圍劃分為幾個模糊區(qū)間，用實(shí)驗(yàn)的方法確定一個溫度區(qū)間內(nèi)三個環(huán)境溫度點(diǎn)的 PID參數(shù)，應(yīng)用拉格朗日二次插值方法來整定不同環(huán)境溫度下 P、I、D 的參數(shù)值，溫度精度可以達(dá)到 0.2°C，對于模糊控制來說，這種方法是很好的，充分利用了插值逼近的思想，但在基準(zhǔn)溫度點(diǎn) PID 參數(shù)整定誤差較大的情況下，利用插值方法整定的 PID 參數(shù)不準(zhǔn)確。同時，模糊控制的方法是建立在實(shí)際調(diào)試基礎(chǔ)上的，很多情況下沒有給出模糊控制理論證明。大連理工大學(xué)的李國林等，通過 PWM 脈寬調(diào)制技術(shù)控制固態(tài)繼電器的通斷來調(diào)節(jié)輸出溫度大小，提出了不完全微分方法，在微分項(xiàng)中加入了一階慣性環(huán)節(jié)，能夠減少高頻干擾信號，在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中，高頻的干擾信號參與了微分運(yùn)算會造成系統(tǒng)控制超前誤判，導(dǎo)致不理想的控制精度。黑龍江大學(xué)的任勇等，針對強(qiáng)干擾影響的難題，通過仿真分析，提出了近似階躍變化的強(qiáng)干擾信號處理方法。南京航天航空大學(xué)的萬榮榮等，測溫元件為鉑電阻，利用卡爾曼濾波器無偏和估計(jì)均方誤差最小的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)溫度信號的最優(yōu)估計(jì)和濾波測溫范圍為±80°C，穩(wěn)定度達(dá)到±0.02°C。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的楊明偉博士論文中，論述了熱電制冷器雙級耦合結(jié)構(gòu)的溫度控制思想，針對環(huán)境溫度的變化，建立一個恒溫環(huán)境，將環(huán)境溫度作為溫控系統(tǒng)的常量輸入和第一級控制對象，而半導(dǎo)體激光器載體模組作為第二級控制對象，這種多模式組合控制的方法中，第一級環(huán)境溫度控制是需要較長時間的預(yù)熱處理，然后進(jìn)行第二級控制，從溫度控制的角度來說，第一級溫度控制精度較高的情況下，不需要第二級控制。在哈爾濱工業(yè)大學(xué)的范賢光博士論文中，深入的研究了脈沖注入式半導(dǎo)體激光器的光電熱特性，為半導(dǎo)體激光器熱傳遞分析與溫度控制奠定了基礎(chǔ)。文中闡述了注入電流對光功率的影響，不同工作溫度對光電特性的影響。
綜上所述，國外的半導(dǎo)體激光器溫度控制和電流控制精度優(yōu)于國內(nèi)，為了實(shí)現(xiàn)低成本、精度高，穩(wěn)定性強(qiáng)的半導(dǎo)體激光器將有利于激光技術(shù)的應(yīng)用。同時，也為實(shí)驗(yàn)室的小位移、小角度、振動測量提供穩(wěn)頻的激光光源。
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