中红外全固态激光器热电控制关键技术研究

发布时间：2020-06-07 08:12

【摘要】：3~5μm波段中红外激光在大气传输过程中衰减小,同时覆盖了许多原子、分子的吸收峰,因而被广泛应用于激光光谱学、大气环境监测、光电对抗、激光远程探测等相关领域。为了进一步提升激光器的稳定性、可靠性和环境适应性,同时满足在机载、空间等复杂环境下对激光器体积、重量、功耗等方面的苛刻要求,本论文以所研制的全光纤泵浦MgO:PPLN中红外固态激光器为例,围绕激光器内部种子源、激光介质和非线性光学晶体等关键器件的高稳定、高精度温控,高功率泵浦源的高稳定、高可靠驱动和无液冷散热等电子学与热力学关键技术问题,主要从热电制冷温控系统模型辨识与控制技术、半导体激光泵浦源恒电流驱动技术和中红外全固态激光器无液冷热控技术三方面展开研究。论文的主要研究工作如下:1.针对由半导体热电制冷片、模拟热负载和散热器组成的热电制冷温控系统,基于半导体热电效应原理,建立了温控系统的热力学平衡方程;通过对方程组进行小信号线性化处理,确定了温控系统的数学模型,该模型具有单零点、双极点和时延特征;搭建了系统模型参数辨识实验平台,设计了一种5阶伪随机二进制M序列(Maximal Length Sequence)作为系统辨识输入信号,采用最小二乘算法对温控系统模型参数进行辨识,获取了不同热负载和激励信号下的模型参数,辨识结果表明模型参数随不同工况条件而变化。针对温控系统模型的非线性、时变特点,将模糊控制与PID(Proportion-Integral-Differential)控制相结合,设计了一种参数自整定模糊PID控制器,采用模糊推理对PID参数进行在线整定,通过Simulink仿真对系统温控效果进行了对比和分析。2.对半导体激光器基本工作原理,输出特性,温度变化对其阈值电流、功率、波长的影响关系,以及器件失效机理进行了深入分析。在基于深度负反馈的半导体激光器恒电流驱动电路原理基础上,提出了一种基于双闭环数字化控制方式的LD(Laser Diode)半导体激光恒电流驱动方法,采用基于负反馈放大电路的外环控制与PID内环控制相结合的双闭环控制方式,并通过输入电源滤波电路,对驱动电路供电进行去噪处理,有效提高了驱动电路输出电流的稳定性和精确度。结合半导体激光器激光器的主要失效原因,通过对LD驱动电路进行限流保护电路设计、基于数字化延时控制的软启动保护电路设计和防浪涌保护电路设计,提升了半导体激光器的安全性和可靠性。3.针对全光纤泵浦MgO:PPLN中红外全固态激光器,设计了一种由半导体热电制冷片、自动温控电路、散热肋片、轴流风扇和热管组成的小型化无液冷热控系统。建立了一种数学模型和方法以近似估算激光器无液冷热控系统在不同环境温度下的散热能力;在COMSOL仿真软件中建立了激光器散热系统的有限元模型,并对系统稳态热分布进行了仿真,对比分析了热管、风扇转速对系统散热能力的影响;根据仿真结果和数学模型近似估算出了激光器热控系统的最大散热能力。在室温和高温环境下分别对激光器进行了出光实验,激光器在工作过程中,泵浦激光温度能够被控制在稳态误差±0.1°C温度范围以内。理论仿真与试验结果表明,该无液冷热控方案有效提升了中红外全固态激光器的环境适应性,同时还可用于其它泵浦功率百瓦量级的固态激光器散热。
【图文】：

光产品方面的竞争力。在军事化应用方面，国外已经开展了基于微型化 MgO:PPLN-OPO 中波激光器的激光干扰系统的应用[27-28]。其中，英美 AN/AAQ-24(V)复仇女神 DIRCM 系统是使用增强防护来对抗红外制导导弹，并保护运输机和直升机。而美国空军的大型飞机红外干扰(LAIRCM)系统是 DIRCM 的升级型，它所采用的红外激光光源为诺斯洛普·格鲁曼公司研制的“毒蛇”激光器，采用 1064nm 光纤激光器泵浦MgO:PPLN-OPO 的技术路线, 在 3-5μm 波段输出功率达到 2W, 激光器呈圆形，直径 330mm, 重 4.15kg，采用风冷冷却，功耗低于 80W 平均功率和 320W 峰值功率。LAIRCM 红外干扰系统可以有效实现对 4.7 公里外发射的红外制导导弹的激光干扰，并使其脱离预定飞行弹道，图 1-1 给出了 LAIRCM 系统和“毒蛇”激光器的实物图。2011 年，诺斯洛普·格鲁曼公司向美国海军交付了 2000 套“毒蛇”激光器，用于美国海军陆战队的直升机和大型飞机的红外对抗系统。

本文所研究的中红外全固态激光器也是采用了基于全光-OPO 产生中红外激光输出的方式。电制冷的激光器温控技术研究现状电制冷器 TEC（Thermoelectric Cooler）是一种由电气上热电偶堆组成的固态能量转换器件，其内部结构示意图如热电偶由两种不同的半导体热电元件组成，当电流流过连元件回路时，会产生热电制冷效应（帕尔贴-赛贝克效应材料流向 P 型半导体材料时，，该结点温度降低，成为 T部吸收热量；此时 TEC 模块另一端结点温度升高，成为放热量。当驱动电流的方向发生变化时，TEC 的制冷端变化，其中，TEC 的制冷量和发热量取决于驱动电流的
【学位授予单位】：中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TN248.1

【参考文献】

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本文编号：2701127