气体检测系统中稳定LD工作的关键技术研究

摘要

基于可调谐二极管激光器吸收光谱技术（TDLAS）的气体浓度检测系统中，半导体激光器（LD）做为系统的核心器件，其工作状态直接影响到检测系统的精度与可靠性，因此检测系统中稳定LD的工作状态十分重要。影响LD工作状态的主要因素在于注入电流与温度，所以气体检测系统中稳定LD工作状态的关键是对注入电流与温度的稳定控制。
　　 研究中首先分析了LD工作原理，着重介绍了实验中所选用的垂直腔面发射激光器（VCSEL）的基本结构与特性。同时以甲烷气体为研究对象，介绍了气体光谱吸收的基本原理，分析了基于波长调制的甲烷气体浓度谐波检测方案，进一步明确了实现方案对LD工作状态的要求，尤其是对输出波长稳定性的要求。其次，根据检测方案对LD输出波长的要求，设计了通过注入电流的变化实现光源输出波长调制的方案，分析了LD驱动电路中关键元件的选取依据，制作完成了LD驱动电路，保证了影响激光器工作状态的注入电流的稳定性。但是，要实现只由注入电流对光源输出波长进行调制的前提是要稳定影响LD输出波长的另一关键因素-温度。为了保证LD工作温度满足检测方案的要求，研究中结合典型的温度控制理论，分析了LD组件热传导结构及影响LD温度的因素，结合温度传导的特点，设计了以外层机箱温度控制与内层热电制冷器（TEC）温度控制相结合的温度控制方案，制作完成了LD温度控制电路，达到了满意的效果。
　　 最后通过气体检测系统的整体测试表明，LD工作状态稳定，所制作完成的驱动电路及温度控制电路满足气体检测系统的要求。同时针对检测方案中波长调制结合谐波检测技术的特点提出了一种基于谐波信号幅度时域波形图来评价LD工作状态的方法，该方法十分简便，对于气体检测系统中LD工作状态的设定与调试提供有效的手段。

目录

文摘

英文文摘

第1章 绪论

1.1 气体检测方法介绍

1.2 注入电流与工作温度对LD参数的影响

1.2.1 注入电流对LD参数的影响

1.2.2 温度对LD参数的影响

1.3 LD的驱动和温度控制国内外研究现状

1.3.1 LD驱动控制的国内外现状

1.3.2 LD温度控制国内外研究现状

1.4 课题研究的目的与意义

1.5 课题主要研究内容

第2章 LD工作原理与气体光谱吸收理论

2.1 LD工作原理及特性分析

2.1.1 粒子数反转

2.1.2 激光振荡的阈值与反馈

2.1.3 垂直腔面发射激光器

2.2 气体光谱吸收理论

2.2.1 气体分子选择吸收

2.2.2 朗伯-比尔定律

2.2.3 甲烷特征谱线分析

2.3 气体浓度的谐波检测

2.3.1 气体检测的调制技术

2.3.2 波长调制及谐波检测

2.4 本章小结

第3章 检测系统方案及LD驱动控制研究

3.1 检测系统总体方案

3.2 LD驱动控制方案

3.3 驱动控制设计

3.3.1 光源LD的选择

3.3.2 扫描范围的确定

3.3.3 信号发生电路

3.3.4 信号合成电路

3.3.5 LD驱动设计

3.4 本章小结

第4章 LD的温度控制

4.1 温度控制基本原理

4.1.1 PID调节理论

4.1.2 半导体制冷器

4.1.3 温度传感器的选择

4.2 LD组件热传导分析

4.2.1 外壳热传导分析

4.2.2 壳内组件热传导分析

4.3 温度控制方案及实现

4.3.1 温度控制方案选择

4.3.2 机箱温度控制单元

4.3.2 内层温度控制单元

4.4 本章小结

第5章 实验结果分析

5.1 引言

5.2 注入电流的稳定性测试

5.3 温度稳定性测试

5.3.1 机箱温度稳定测试

5.3.2 内层温度稳定性测试

5.4 LD T作稳定性评价

5.4.1 中心电流稳定时温度控制评价

5.4.2 温度稳定时电流控制评价

5.4.3 LD工作稳定性综合评价

5.5 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间所发表的论文和取得的科研成果

致谢