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内腔倍频DPSSL的数字控制系统的设计与研发

作　者: 任晓辉
导　师: 汪曣
学　校: 天津大学
专　业: 生物医学工程
关键词: DPSSL 数字控制温度控制数字PID 功率反馈
分类号: TN248
类　型: 硕士论文
年　份: 2010年
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内容摘要

90年代以来,随着高效率、高功率的激光二极管(LD)及其阵列技术的重大突破,使得LD泵浦的全固体激光器(DPSSL)打破了停滞状态,进入了新的发展时期。DPSSL以其效率高,频率稳定性高好,线宽窄,达到衍射极限光束,光束质量高,使用寿命长等特点,具有广阔的应用领域。但由于固体激光器对温度、驱动电流十分敏感,因此,要想获得高质量的光束,必须具备高性能的控制器。对于一般的简单应用,模拟式的控制器就已满足需要,但是对于更高要求的应用场合,采用数字化控制才能满足。本课题基于ADuC7028控制核心,根据激光驱动电流、工作温度与激光输出功率三者之间的关系,引入功率反馈控制,研究设计了一种高性能的DPSSL激光控制器。温控系统在DPSSL内部集成的负温度系数的热敏电阻(NTC)温度传感器,半导体制冷片(TEC)的基础上,采用积分分离的数字PID算法,通过实验凑试法得到了较优的参数,温控精度达到了0.02℃。为了克服不确定因素的干扰,使得激光输出功率达到稳定,控制逻辑采用了两种方式:恒流模式和恒温模式,均得到了比较理想的控制效果。在电流稳定度0.05%和0.02的温控精度下,功率为50mW的LD泵浦的掺钕钒酸钇(Nd:YVO4)固体激光器在恒温控制模式下运行,激光输出功率的稳定度能够达到0.6%,在恒流控制模式下可以达到0.8%,与原有配套的模拟激光控制器3%的光功率稳定度相比,激光在本课题设计的数字激光控制器的控制下,性能有了很大的提高。此外,该激光器通过串口与PC机实现了人机对话,简单快捷的修改激光运行参数,同时也可以了解激光运行情况,克服了模拟激光控制器的人机交互困难的缺点。

全文目录

中文摘要  3-4
ABSTRACT  4-7
第一章绪论  7-13
  1.1 DPSSL 的发展与应用  7-8
  1.2 DPSSL 的主要特点  8-10
  1.3 国内外 DPSSL 的发展状况  10-11
  1.4 本文的主要工作  11-13
第二章 DPSSL 工作原理与理论分析  13-25
  2.1 LD 泵浦的 Nd:YV04/KTP 固体激光器能级结构与工作原理  14-15
  2.2 对激光效率的分析  15-16
  2.3 对绿光输出光功率不稳定的分析  16-25
    2.3.1 泵浦源对 DPSSL 性能的影响  17-18
    2.3.2 “绿光问题”对激光性能的影响以及消除方法  18-20
    2.3.3 Nd:YVO热效应对激光功率稳定性的影响  20-21
    2.3.4 倍频晶体对激光功率稳定性的影响  21-25
第三章数字激光控制器系统的硬件搭建  25-36
  3.1 系统的总述  25
  3.2 微控制器简介  25-27
  3.3 温控系统的硬件组成  27-33
    3.3.1 温度传感信号的处理  28-31
    3.3.2 温度传感信号处理电路的设计  31-32
    3.3.3 激光器制冷、散热系统的硬件组成  32-33
  3.4 功率反馈环的设计  33-35
  3.5 串口通讯部分的设计  35-36
第四章系统的软件设计  36-54
  4.1 基于 IAR EWARM 的 ADuC7028 系列程序设计简介  36-40
  4.2 数字 PID 的研究  40-46
    4.2.1 数字 PID 原理  41-43
    4.2.2 PID 算法程序的设计  43-46
  4.3 激光驱动系统工作流程的设计  46-53
    4.3.1 系统初始化  46-48
    4.3.2 系统正常工作  48-52
    4.3.3 系统结束工作  52-53
  4.4 人机对话的设计  53-54
第五章激光驱动器性能测试  54-65
  5.1 温控精度的测量计算  54-57
  5.2 驱动电流稳定性的测量  57-58
  5.3 激光工作温度、LD 驱动电流与激光输出功率关系  58-60
  5.4 激光驱动器性能测试  60-65
    5.4.1 恒温度模式下激光驱动器性能测试  61-64
    5.4.2 恒驱动电流模式下激光驱动器性能测试  64-65
第六章总结与展望  65-67
  6.1 全文总结  65-66
  6.2 课题展望  66-67
参考文献  67-70
发表论文和参加科研情况说明  70-71
致谢  71

内腔倍频DPSSL的数字控制系统的设计与研发

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