基于单片机的外腔半导体激光器控制系统的设计
【摘要】进入21世纪以来，外腔半导体激光器在国内的科研、通讯以及我国的国防、精密测量和冷原子物理等领域中得到了广泛应用;但是随着各行各业对高精度的要求，近年来，为解决外腔半导体激光器由于温度变化而自身产生热量进而影响其输出特性这一问题，我国又研发出一种单片机的温度控制系统，该系统的最大优点就是能使半导体激光器输出特性的精度进一步提高，功率稳定、波长单一，来减小误差，满足各种需求，而且长时间工作也不会出现跳模现象。
【关键词】外腔半导体激光器;单片机;提高输出特性;PID控制
半导体激光器的稳频控制研究，不仅解除了半导体激光器在实际应用中的限制，而且解决了输出频率对其工作环境极其敏感而导致的其他不准确性，使半导体激光器的开发前景更为广阔;接下来，笔者就以单片机的外腔半导体激光器控制系统的应用与设计做简要分析。
一、半导体激光器的基本原理以及应用条件
半导体激光器又叫作激光二极管，工作时所使用的物质一般为半导体材料，采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，操作简单，使用方便，受到了很多部门的青睐;半导体激光器除去激光器的共同优点之外，还有如下优点：首先，半导体激光器的体积较其他激光器小，重量也轻，操作和使用起来会比较便易;此外，虽然半导体激光器驱动功率和电流较低，但是使用效率高，这就节约了部分能源，而且工作寿命长，这就避免了因经常更换激光器而造成的巨额费用，具有很好的经济性;最后，激光器可与半导体制造技术兼容，可以扩大生产量，而且更易于与各种光电子器件实现光电子集成;等等，正是由于这些优点，才使得半导体激光器得到了我国社会以及世界许多国家的广泛关注，同时也致使许多国家致力于该技术的研究，所以这些年来，半导体激光器技术不仅应用广泛，而且发展迅速，在诸多激光器的发展中抢占了先机。半导体激光器除这些优点之外，使用原理也较为简单;由于外界环境对半导体激光器的干扰及影响较大，所以随时间的变化，输出频率有着较大的变动。注入电流、工作温度、载流子浓度、腔长、增益等都是影响激光器输出频率的因素，而在这诸多的影响因素中，最容易调控的是注入电流和外界的工作温度，所以我们往往通过控制这两个因素来提高运行频率的稳定性，可以利用原子或分子跃迁线作为频率标准实现激光频率锁定，进而使得激光频率得以稳定，使控留模块得以调控。
二、半导体激光器控制系统采用PID温度控制的必要性
PID控制电路是半导体激光器温度控制模块中不可缺少的一部分，工作原理如下：当激光器因长期工作而发热时，具有负温特性的热敏电阻就会及时的把温度变化的信号转换成电阻值的变化，此时的热敏电阻充当温度传感器的作用，由此，便可测出电压的变化，然后再用该变化同起初设定的高精度基准温度的电压相互比较，再将比较结果经过高精密的差分信号处理后的电路放大，进一步保证了激光器温度控制电路中的高精度;为保证系统具有良好的稳定性，及其良好的动态特性，再将放大的信号转入到比例一积分一微分的控制电路中，并且该电路不仅应该具有稳定性能指标，还应该满足闭环系统瞬态的特性，最后，再根据半导体制冷器所需要的电流，制冷器再按照其要求完成半导体激光器的冷却或加热，由此，该系统便可形成闭环反馈系统，保证了半导体激光器能够在恒温下进行，从而消除外界环境多变的温度的影响。
三、半导体激光器控制系统的设计要求
输入系统电流的`稳定性对半导体激光器的输出信号有非常重要的影响，这是因为，半导体激光器的正常工作是依靠载流子的直接注入来完成的，这就要求该系统具有较好的稳定性，不仅工作电流要有较高的稳定性，而且驱动电源也应该是一个恒流源;与注入电流相比，温度对输出光频率的影响要大，当半导体激光器中的内部温度升高时，输出功率反而会变小，而在干涉测量的试验中，就要求输出功率有非常高的稳定性，从而避免引发模式跳跃现象;为保证半导体激光器的内部稳定性，要将温度变化控制在0.05度以内，因为在这个范围内温度的变化可以忽略不计，对系统的稳定性的影响也可以认为不存在。
四、结语
综上所述，为了保证单片机的外腔半导体激光器控制系统工作中的精度，满足实际工程的需要，就应该将温度的调节和电流的调节相结合，进而使其工作起来更加稳定，然而随着社会的发展，我国各个行业对半导体激光器的控制系统的要求越来越高，为进一步消除误差，提高稳定性，这就要求要用更为严密的PID控制调节，再加上严密的操作规程，才能实现半导体激光器在实际工作中的高效性和稳定性。
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