一种半导体激光器论文和设计

全文摘要

本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其是一种半导体激光器。它包括激光器主体、包括热敏电阻在内的温度传感器、半导体制冷器和温度控制器；温度控制器包括对输入半导体制冷器的电流进行修正的PI温度控制器、对半导体制冷器的工作温度进行设定的温度预设单元及对半导体制冷器进行启闭控制和限流保护的开关保护单元。本实用新型的控制系统类似于闭环控制系统，当外界环境温度或系统参数发生变化时，PI温度控制器可利用温度设定值与实际温度值之间的差量产生的修正控制量，达到消除温度偏差的效果，保证对激光器温度控制的准确性；同时，通过设置的开关保护单元来控制半导体制冷器的工作状态以及工作电流的限制性保护，可实现对此核心且昂贵的器件的充分保护。

主设计要求

1.一种半导体激光器，它包括激光器主体、温度传感器、半导体制冷器和温度控制器；其特征在于：所述温度传感器包括热敏电阻，所述温度控制器包括一通过热敏电阻采集半导体制冷器的制冷面的实际温度以根据实际温度值与设定温度值之间的差量对输入半导体制冷器的电流进行修正的PI温度控制器、通过PI温度控制器对半导体制冷器的工作温度进行设定的温度预设单元以及通过PI温度控制器对半导体制冷器进行启闭控制和限流保护的开关保护单元；所述热敏电阻夹持于激光器主体与半导体制冷器的制冷面之间并与PI温度控制器的增益电阻连接引脚相连，所述温度预设单元的输出端与PI温度控制器的电压设置引脚相连，所述开关保护单元的输出端同时与PI温度控制器的制冷电流输入端和制热电流输入端相连，所述半导体制冷器串接于PI温度控制器的两个热电输出端之间。

设计方案

所述热敏电阻夹持于激光器主体与半导体制冷器的制冷面之间并与PI温度控制器的增益电阻连接引脚相连，所述温度预设单元的输出端与PI温度控制器的电压设置引脚相连，所述开关保护单元的输出端同时与PI温度控制器的制冷电流输入端和制热电流输入端相连，所述半导体制冷器串接于PI温度控制器的两个热电输出端之间。

2.如权利要求1所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述PI温度控制器包括一WTC3243型温度控制芯片，所述热敏电阻连接于温度控制芯片的SG引脚，所述温度预设单元的输出端连接于温度控制芯片的Vset引脚，所述开关保护单元的输出端同时与温度控制芯片的LIMA引脚和LIMB引脚相连，所述半导体制冷器串接于温度控制芯片的OUTA引脚和OUTB引脚之间。

3.如权利要求1或2所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述温度预设单元包括电压基准器、第一放大器、第二放大器和分压变阻器，所述第一放大器的输出端通过第一电阻连接PI温度控制器的电压设置引脚并同时与反相输入端相连、同相输入端通过第一电容接地并同时与分压变阻器的调节端相连，所述分压变阻器的一端接地、另一端连接电压基准器的负极稳压端并通过连接限流电阻作为温度预设单元的电源输入端，所述电压基准器的正极稳压端接地、反馈端通过第二电阻接地并同时通过第三电阻连接负极稳压端、负极稳压端同时通过第二电容接地；所述第二放大器的输出端作为温度预设单元的电压监测端并同时与反相输入端相连、同相输入端通过第三电容接地并通过第四电阻连接PI温度控制器的电压设置引脚。

4.如权利要求3所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述电压基准器包括一LM4041型电压基准芯片，所述第一放大器和\/或第二放大器为OP747型运算放大器。

5.如权利要求1或2所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述开关保护单元包括第一电压比较器、第一晶体管、第二晶体管和启闭开关，所述第一电压比较器的输出端通过连接第一分压电阻作为开关保护单元的电源输入端、通过第二分压电阻连接第一晶体管的基极、通过第三分压电阻连接第二晶体管的基极，所述第一晶体管的发射极接地、集电极连接PI温度控制器的制冷电流输入端并同时通过顺序串接的第五电阻和第一变阻器接地，所述第二晶体管的发射极接地、集电极连接PI温度控制器的制热电流输入端并同时通过顺序串接的第六电阻和第二变阻器接地，所述第一电压比较器的同相输入端通过启闭开关接地。

6.如权利要求5所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述开关保护单元还包括第二电压比较器、第三晶体管、稳压二极管和发光二极管，所述第二电压比较器的反相输入端连接第一电压比较器的反相输入端、同相输入端连接第一电压比较器的同相输入端、输出端连接第三晶体管的基极并通过连接的稳压二极管作为开关保护单元的电源输入端，所述第三晶体管的发射极通过第七电阻连接开关保护单元的电源输入端、集电极通过发光二极管接地。

7.如权利要求6所述的一种半导体激光器，其特征在于：所述第一电压比较器和\/或第二电压比较器均LM393型双电压比较器，所述第一晶体管和第二晶体管均为NPN型晶体管，所述第三晶体管为PNP型晶体管。

设计说明书

技术领域

本实用新型涉及半导体器件技术领域，尤其是一种半导体激光器。

背景技术

周知，半导体激光器(又称激光二极管)是一种利用半导体材料作为工作物质的激光器，因其所具有的体积小、功耗低、效率高、波长易于调制等优点，在工业加工、精密测量、通讯、信息处理、医学、军事和科学技术研究等等诸多领域被广泛地应用。

目前，典型的半导体激光器主要由温度控制器和半导体制冷器(即：TEC)构成，利用半导体制冷器采用帕尔贴效应进行工作的原理，通过温度控制器向半导体制冷器输入加热或制冷电流，以通过注入电流的方式来泵浦半导体制冷器进行制冷或制热工作(即：当通入不同方向的电流时，半导体制冷器会根据电流的方向发生吸收或放出热量的反应)，进而实现激光器的工作；因此，温度控制器将直接影响整个激光器工作的稳定性以及被控的准确性。

然而，现有半导体激光器由于系统结构设计的不甚理想，导致其普遍存在如下问题：1、当外界温度或者系统参数发生变化时，温度控制器的设定值与半导体制冷器的实际温度值之间往往会出现偏差，由于激光器对温度极为敏感，这种温度偏差很容易增加温度控制器阈值电流、造成激射波长发生红移、缩短激光器使用寿命等等；2、半导体制冷器作为整个激光器中的一种易损且昂贵的核心元器件，由于缺少有效的保护措施，很容易损坏，进而影响激光器的整体性能及使用寿命。

实用新型内容

针对上述现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种半导体激光器。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种半导体激光器，它包括激光器主体、温度传感器、半导体制冷器和温度控制器；所述温度传感器包括热敏电阻，所述温度控制器包括一通过热敏电阻采集半导体制冷器的制冷面的实际温度以根据实际温度值与设定温度值之间的差量对输入半导体制冷器的电流进行修正的PI温度控制器、通过PI温度控制器对半导体制冷器的工作温度进行设定的温度预设单元以及通过PI温度控制器对半导体制冷器进行启闭控制和限流保护的开关保护单元；

优选地，所述PI温度控制器包括一WTC3243型温度控制芯片，所述热敏电阻连接于温度控制芯片的SG引脚，所述温度预设单元的输出端连接于温度控制芯片的Vset引脚，所述开关保护单元的输出端同时与温度控制芯片的LIMA引脚和LIMB引脚相连，所述半导体制冷器串接于温度控制芯片的OUTA引脚和OUTB引脚之间。

优选地，所述温度预设单元包括电压基准器、第一放大器、第二放大器和分压变阻器，所述第一放大器的输出端通过第一电阻连接PI温度控制器的电压设置引脚并同时与反相输入端相连、同相输入端通过第一电容接地并同时与分压变阻器的调节端相连，所述分压变阻器的一端接地、另一端连接电压基准器的负极稳压端并通过连接限流电阻作为温度预设单元的电源输入端，所述电压基准器的正极稳压端接地、反馈端通过第二电阻接地并同时通过第三电阻连接负极稳压端、负极稳压端同时通过第二电容接地；所述第二放大器的输出端作为温度预设单元的电压监测端并同时与反相输入端相连、同相输入端通过第三电容接地并通过第四电阻连接PI温度控制器的电压设置引脚。

优选地，所述电压基准器包括一LM4041型电压基准芯片，所述第一放大器和\/或第二放大器为OP747型运算放大器。

优选地，所述开关保护单元包括第一电压比较器、第一晶体管、第二晶体管和启闭开关，所述第一电压比较器的输出端通过连接第一分压电阻作为开关保护单元的电源输入端、通过第二分压电阻连接第一晶体管的基极、通过第三分压电阻连接第二晶体管的基极，所述第一晶体管的发射极接地、集电极连接PI温度控制器的制冷电流输入端并同时通过顺序串接的第五电阻和第一变阻器接地，所述第二晶体管的发射极接地、集电极连接PI温度控制器的制热电流输入端并同时通过顺序串接的第六电阻和第二变阻器接地，所述第一电压比较器的同相输入端通过启闭开关接地。

优选地，所述开关保护单元还包括第二电压比较器、第三晶体管、稳压二极管和发光二极管，所述第二电压比较器的反相输入端连接第一电压比较器的反相输入端、同相输入端连接第一电压比较器的同相输入端、输出端连接第三晶体管的基极并通过连接的稳压二极管作为开关保护单元的电源输入端，所述第三晶体管的发射极通过第七电阻连接开关保护单元的电源输入端、集电极通过发光二极管接地。

优选地，所述第一电压比较器和\/或第二电压比较器均LM393型双电压比较器，所述第一晶体管和第二晶体管均为NPN型晶体管，所述第三晶体管为PNP型晶体管。

由于采用了上述方案，本实用新型的控制系统类似于闭环控制系统，当外界环境温度或系统参数发生变化时，PI温度控制器可利用温度设定值与实际温度值之间的差量产生的修正控制量，达到消除温度偏差的效果，保证对激光器温度控制的准确性；同时，通过设置的开关保护单元来控制半导体制冷器的工作状态以及工作电流的限制性保护，可实现对此核心且昂贵的器件的充分保护；其系统结构简单、稳定性及可控性强、使用寿命长，具有很强的实用价值和市场推广价值。

附图说明

图1是本实用新型实施例的控制原理拓扑图；

图2是本实用新型实施例的PI温度控制器的外围电路结构参考图；

图3是本实用新型实施例的温度预设单元的电路结构参考图；

图4是本实用新型实施例的开关保护单元的电路结构参考图。

具体实施方式

以下结合附图对本实用新型的实施例进行详细说明，但是本实用新型可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图1至图4所示，本实施例提供的一种半导体激光器，它包括激光器主体a、温度传感器b、半导体制冷器c和温度控制器d；温度传感器c包括夹持于激光器主体a与半导体制冷器c的制冷面之间的热敏电阻Rm，三者之间可利用诸如热导膏或热导胶等导热材料来消除相互间的空气间隙；温度控制器d则包括PI温度控制器d1、温度预设单元d2和开关保护单元d3；其中：

温度预设单元d2的输出端与PI温度控制器d1的电压设置引脚相连以通过PI温度控制器d1对半导体制冷器c的工作温度进行设定；

开关保护单元d3的输出端同时与PI温度控制器d1的制冷电流输入端和制热电流输入端相连以通过PI温度控制器d1对半导体制冷器c进行启闭控制和限流保护；

半导体制冷器c串接于PI温度控制器d1的两个热电输出端之间以受PI温度控制器d1的调控，从而输出预设波长的激光束；

PI温度控制器d1的增益电阻连接引脚与热敏电阻Rm相连，以通过热敏电阻Rm直接采集半导体制冷器c的制冷面的实际温度，从而根据实际温度值与设定温度值之间的差量对输入半导体制冷器c的电流进行修正。

由此，利用PI温度控制器d1所具有的线性比例积分控制功能(即：PI控制功能)，使其能够通过热敏电阻Rm从激光器主体a上采集实际工作温度值后与经由温度预设单元d2所设定的温度值进行误差计算，从而根据误差信号来产生相应的控制量(即：电流量及电流方向)并将控制量送入半导体制冷器c以控制半导体制冷器c进行相应的制冷制热工作；由于整个激光器的控制系统类似于闭环控制系统，当外界环境温度或系统参数发生变化时，利用温度设定值与实际温度值之间的差量所产生的修正控制量，可达到消除温度偏差的效果，从而保证对激光器温度控制的准确性，避免发生阈值电流增加、激射波长发生红移等诸多问题。同时，通过设置的开关保护单元d3来控制半导体制冷器c的工作状态以及工作电流的限制性保护，可实现对此核心且昂贵的器件的充分保护。

作为一优选方案，为最大限度地优化整个激光器的系统性能，简化系统的复杂性，本实施例的PI温度控制器d1主要由一WTC3243型温度控制芯片U1构成(其外围电路结构可参考图2进行设置)，其中，热敏电阻Rm连接于温度控制芯片U1的SG引脚，温度预设单元d2的输出端连接于温度控制芯片U1的Vset引脚，开关保护单元d3的输出端同时与温度控制芯片U1的LIMA引脚和LIMB引脚相连，而半导体制冷器c则串接于温度控制芯片U1的OUTA引脚和OUTB引脚之间。以此，可利用温度控制芯片U1所具有的线性比例积分控制功能、精度及稳定性高等特点来保证整个激光器工作的稳定性以及对温度调控的精确性。

为实现对温度的有效设定，同时避免外部电路与配线连接对整个激光器的控制环路造成不利影响，从而为PI温度控制器d1对温度差量进行准确计算创造条件，如图3所示，本实施例的温度预设单元d2包括电压基准器U2、第一放大器A1、第二放大器A2和分压变阻器Rfb；其中，第一放大器A1的输出端通过第一电阻R1连接PI温度控制器d1的电压设置引脚(具体为温度控制芯片U1的Vset引脚)并同时与其反相输入端相连、同相输入端则通过第一电容C1接地并同时与分压变阻器Rfb的调节端相连，分压变阻器Rfb的一端接地、另一端连接电压基准器U2的负极稳压端(V-)并通过连接限流电阻Rx作为温度预设单元d2的电源输入端(VDD)，电压基准器U2的正极稳压端(V+)接地、反馈端(FB)通过第二电阻R2接地并同时通过第三电阻R3连接负极稳压端(V-)、负极稳压端(V-)同时通过第二电容C2接地；第二放大器A2的输出端作为温度预设单元d2的电压监测端并同时与反相输入端相连、同相输入端通过第三电容C3接地并通过第四电阻R4连接PI温度控制器d1的电压设置引脚。

由此，利用电压基准器U2可降低工作电压波动及环境温度变换对温度设定点电压稳定性的影响，利用分压变阻器Rfb实现对预设温度的调控及设置，以第一放大器A1为主体构成电压跟随电路使经由分压变阻器Rfb进行分压所得到的部分分压值被隔离后送入PI温度控制器d1，从而实现对温度的设定。同时，利用第二放大器A2可实现对设定电压(即：设定温度)的实时监测。

作为一优选方案，本实施例的电压基准器U2主要由一LM4041型电压基准芯片构成，而第一放大器A1和\/或第二放大器A2则优选为OP747型运算放大器。从而充分利用电压基准芯片所具有的温度稳定性高、温漂小的特点来提高整个激光器的性能，而利用放大器所具有的输入阻抗高、输出阻抗低的特点，则可起到有效的隔离作用，使单元电路的前后级之间互不影响。

为优化对半导体制冷器c的保护结构，如图4所示，本实施例的开关保护单元d3包括第一电压比较器A3、第一晶体管Q1、第二晶体管Q2和启闭开关S1(优选为单刀双掷开关)；其中，第一电压比较器A3的输出端通过连接第一分压电阻Rf1作为开关保护单元d的电源输入端(VDD)、通过第二分压电阻Rf2连接第一晶体管Q1的基极、通过第三分压电阻Rf3连接第二晶体管Q2的基极，第一晶体管Q1的发射极接地、集电极连接PI温度控制器d1的制冷电流输入端(具体为：温度控制芯片U1的LIMA引脚)并同时通过顺序串接的第五电阻R5和第一变阻器Rb1接地，第二晶体管Q2的发射极接地、集电极连接PI温度控制器d1的制热电流输入端(具体为：温度控制芯片U1的LIMB引脚)并同时通过顺序串接的第六电阻R6和第二变阻器Rb2接地，第一电压比较器A3的同相输入端通过启闭开关S1接地。由此，当启闭开关S1悬空未接地时，第一电压比较器A3输出高电平，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2饱和导通，此时PI温度控制器d1的制冷电流输入端和制热电流输入端相当于与地短接，半导体制冷器c不工作；当启闭开关S1接地时，第一电压比较器A3输出低电平，半导体制冷器c开始正常工作，以此实现对半导体制冷器c的开关启闭控制；在此过程中，利用三个分压电阻(即：Rf1、Rf2和Rf3)为第一电压比较器A3提供上拉电阻并进行分压，以通过两个晶体管分别向PI温度控制器d1输送制冷或制热电流，并达到对半导体制冷器c的限流保护的作用。

为丰富开关保护单元d3的实用功能，以直观地显示激光器的工作状态，本实施例的开关保护单元d3还包括第二电压比较器A4、第三晶体管Q3、稳压二极管Dz和发光二极管D1，第二电压比较器A4的反相输入端连接第一电压比较器A3的反相输入端、同相输入端连接第一电压比较器A3的同相输入端、输出端连接第三晶体管Q3的基极并通过连接的稳压二极管Dz作为开关保护单元d3的电源输入端(VDD)，第三晶体管Q3的发射极通过第七电阻R7连接开关保护单元d3的电源输入端(VDD)、集电极通过发光二极管D1接地。由此，利用第二电压比较器A4、第三晶体管Q3、稳压二极管Dz和发光二极管D1组成了起到指示作用的电路结构，以通过发光二极管D1的亮灭来显示半导体制冷器c、乃至整个激光器的工作状态。

作为优选方案，本实施例的第一电压比较器A3和\/或第二电压比较器A4均LM393型双电压比较器，第一晶体管Q1和第二晶体管Q2均优选为NPN型晶体管(如2N3904型)，第三晶体管Q3优选为PNP型晶体管(如2N3906型)。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例，并非因此限制本实用新型的专利范围，凡是利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本实用新型的专利保护范围内。

设计图

一种半导体激光器论文和设计

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主设计要求

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设计说明书

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