单频激光器的高精密温控系统的设计

　　文本根据高稳定性半导体激光（LD）泵浦单块非平面环形腔（NPRO）单频激光器对于功率稳定性和频率稳定性的要求，设计并研制了一套高精度的精密温控系统。该系统基于模拟比例积分微分（PID）控制原理，采用程控调节P和PI的方式通过对半导体制冷器（TEC）的驱动控制实现在-10---+70℃范围内对LD和NPRO单块晶体温度的精确控制，控温精度达±0.01℃。采用该温控系统的LD泵浦1645nm NPRO单频激光器，30min内相对波长稳定性达8.32*10-2。

　　高稳定性的单频激光器在激光测量光学频标和激光雷达等领域都有重要的应用。LD泵浦单块NPRO激光器是产生高稳定性单频输出的重要方法之一。在LD泵浦单块NPRO激光器中泵浦源LD和激光晶体都需要有高精度的温控系统。一般LD温度漂移系数约为0.3nm/℃温度的抖动极易引起其输出波长的变化，而单块NPRO的吸收谱线很窄，LD泵浦波长的偏移将破坏其单频特性和功率稳定性。同时，NPRO单块自身温度的起伏也会影响输出的单频激光的频率稳定性。因此，高精度温控系统的设计和应用是保证LD泵浦NPRO激光器稳定性的关键。

　　针对上述要求，本文设计了一套基于模拟PID控制原理的精密温控系统系统。采用程控调节P和PI的方式通过TEC的驱动控制实现-10---+70℃在范围内对LD和NPRO单块温度的精确控制控，温精度达±0.01℃。采用该温控系统的LD泵浦1645nmNPRO激光器，30min内相对波长稳定性达8.32*10-7。

　1、高精度温控系统设计

　　目前，精密温控系统通常采用PID控制算法，通过放大温度设定值与测量值的误差信号获得相应的调节量，反馈控制并驱动TEC制冷或加热，实现对负载温度的精确控制。具体电路实现方案主要包括模拟控制，数字控制和专用芯片控制等。其中，数字控制和专用芯片控制电路集成化程度高、结构简单，但控制精度和负载能力较差；模拟控制元件分立、电路复杂，但输出线性度与控制精度高，负载能力强。根据系统高精度、大负载能力的要求，本设计采用模拟PID控制技术，通过程控调节P和PI优化PI参数设置，在-10---+70℃范围内，实现对LD和NPRO单块±0.01℃的控温精度。