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窄线宽半导体光纤激光器控制系统研制

发布时间:2018-08-14 19:24
【摘要】:随着激光技术的迅速发展,其应用也日益广泛。半导体光纤激光器因具有转换效率高、光束质量好、结构紧凑和稳定可靠性高等特点,在激光器市场领域中占有比较高的份额。近年来,窄线宽半导体光纤激光器的市场需求日益增加,广泛使用在相干探测、引力波探测、相干合成等领域。窄线宽的半导体光纤激光器相对与其它激光器,其对控制系统要求更加严格。本文将研制出一套高功率窄线宽半导体光纤激光器控制系统,主要应用于合成孔径激光成像雷达。本文介绍了窄线宽半导体光纤激光器控制系统的研制过程以及系统的工作原理和主要组成结构,分别对硬件电路设计、软件编程和系统抗干扰等几个方面进行了详细的论述。并且本系统采用模块化设计方案,控制系统主要由核心主控单元、LD温度控制单元、LD电流驱动单元、上位机等组成。为提高系统设计的灵活性和可靠性,本设计控制芯片采用具有超高集成度的赛普拉斯Psoc5 LP系列产品。该芯片内部集成了大量数字和模拟器件,包括A/D转换模块、D/A转换模块、比较器和可编程逻辑模块等。为实现高精度温度控制,LD温度控制单元采用TEC和H桥电路作为硬件部分,利用PID算法实现准确的闭环控制。LD电流驱动单元采用压控恒流源电路结构实现电流的稳定工作,再结合模拟切换开关等电路结构可使驱动模块工作在连续或者准连续的状态。针对激光器系统意外突发情况和抗干扰等方面,主要从保护电路结构设计和电磁兼容性、整机布线等方面进行了详细阐述。本文所研制的窄线宽半导体光纤激光器控制系统的样机,已经将其应用到高精度测量、激光雷达等设备中。激光器具有多种工作模式,并可通过上位机和串口指令,可以很方便准确地控制光纤激光器的输出功率及输出方式,在准连续模式下可实时的对频率和占空比进行修改。当激光器工作状态异常,保护系统将会产生报警功能和相应保护措施。通过对光学参数的分析,本文所设计的激光器控制系统满足窄线宽半导体光纤激光器的高精度控制需求。并经过高低温和老化实验验证,本论文所设计的激光器控制系统能够正常在0-40摄氏度环境中长时间运行,并对激光器异常能够及时的识别和保护。
[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.
【学位授予单位】:桂林电子科技大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TN248.4

【参考文献】

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本文编号:2183882

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