可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置

摘要

本发明公开了一种可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置，包括有ARM芯片，与ARM芯片连的有温度采集及滤波模块和电源转换模块，所述的ARM芯片依次通过DAC芯片及滤波模块和激光器温控驱动与DFB激光器连接，ARM芯片依次通过激光器调制模块和激光器电流驱动与DFB激光器连接。本发明采用低温漂元件，减小了元器件温漂对激光器波长的影响，整个装置集成度高，体积和功耗比较小，有利于系统的集成和小型化，装置响应速度快，精度高，能够在1s时间内对激光器波长的变化进行修正补偿。

说明书

技术领域

    本发明涉及吸收光谱测量技术领域，尤其涉及一种可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置。

背景技术

可调谐半导体激光吸收光谱技术(TDLAS),利用半导体激光器的波长可调谐和窄线宽特性, 通过电流控制波长扫描获得气体特征吸收光谱,具有非侵入、快速响应和现场实时测量等优点，在大气环境监测、节能减排、火灾早期预警、生态环境监测、工业过程检测控制 、发动机检测等方面具有良好的应用前景。

但可调谐半导体激光器在连续工作中存在波长漂移的问题，造成激光器波长漂移的原因很多。如：(1)电子元器件非零的温度系数；(2)设定温度和设定电流可能会漂移；(3)随着周围环境温度的变化，激光器芯片和热沉温度间的不完全隔离会导致激光器温度漂离设定温度值而向着周围环境温度漂移；(4)热敏电阻和激光器芯片的非完全热耦合连接同样会造成漂移；(5)扫描波形的直流电平漂移也会引起电流的漂移,因而相继造成波长漂移。因而在补偿的时候，需要综合考虑这些因素的影响。

TDLAS技术中所采用的分布反馈式（DFB）半导体激光器，已经自带了温度控制器，激光器的温度控制器由热敏电阻（NTC）和半导体制冷器（TEC）组成，当环境温度变化时，激光器电流驱动根据NTC阻值的大小来调整TEC的电压，对激光器制冷或制热，从而实现温度的闭环控制。但在长时间连续工作过程中，尤其是环境温度变化范围比较大时，目前商用激光器温控系统并没有考虑环境温度变化对电路板的影响，激光器的波长会随环境温度发生变化，对吸光度的计算和浓度反演造成影响。

发明内容

本发明目的就是为了弥补已有技术的缺陷，提供一种可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置，包括有ARM芯片，与ARM芯片相连的有温度采集及滤波模块和电源转换模块，所述的ARM芯片依次通过DAC芯片及滤波模块和激光器温控驱动与DFB激光器连接，ARM芯片依次通过激光器调制模块和激光器电流驱动与DFB激光器连接，将DFB激光器、激光器温控驱动、激光器电流驱动、温度采集及滤波模块、激光器调制模块、ARM芯片和DAC芯片及滤波模块集成于同一PCB电路板上并放入高低温试验箱中，调节高低温实验箱的温度使温度在0度到60度之间均匀变化，激光器温控驱动上电工作，激光器电流驱动通过软启动上电工作，同时激光器调制模块输出调制波形，调制DFB激光器的注入电流，使DFB激光器可以扫描到目标吸收线，温度采集及滤波模块采集此时的环境温度，并传送给ARM芯片的模数转换器，ARM芯片根据接收到的温度值和该温度值对应的补偿量，驱动DAC芯片，给激光器温控驱动一补偿信号，当此时的环境温度变化时，补偿信号相应的发生变化，从而保证DFB激光器波长的稳定。

为保证DFB激光器的出光稳定性，激光器温度驱动要求高的精确度﹑高的输出电流和小尺寸。所述的激光器电流驱动的噪音小于2μA，温漂为100ppm/℃；激光器温控驱动最大输出2.5A，温度稳定性为0.01℃。两者尺寸都和别针大小相当，便于系统的集成化。

所述的ARM芯片选用ARM Cotex-M3内核的STM32F103处理器，72MHz时钟频率，64KB SRAM，使用片上ADC进行数据采集，分辨率为12bit，采样率1Msps。

使用温度采集及滤波模块对环境温度进行采集，温度采集及滤波模块的精度为0.3℃，同时使用ARM芯片及滤波模块对温度进行采集， ARM芯片及滤波模块同时还负责激光器调制波的产生。

装置采用16位DAC芯片，可以提高激光器温度补偿的精度。

本发明的优点是：本发明综合考虑诸多导致激光器波长漂移的因素，采用低温漂元件，减小了元器件温漂对激光器波长的影响，整个装置集成度高，体积和功耗比较小，有利于系统的集成和小型化，装置响应速度快，精度高，能够在1s时间内对激光器波长的变化进行修正补偿。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的流程图。

具体实施方式

如图1、2所示，一种可调谐半导体激光吸收光谱中激光器温度补偿装置，包括有ARM芯片1，与ARM芯片1相连的有温度采集及滤波模块7、上位机9和电源转换模块5，所述的ARM芯片1依次通过DAC芯片及滤波模块6和激光器温控驱动2与DFB激光器3连接，ARM芯片1依次通过激光器调制模块8和激光器电流驱动4与DFB激光器3连接，将DFB激光器3、激光器温控驱动2、激光器电流驱动4、温度采集及滤波模块7、激光器调制模块8、ARM芯片1和DAC芯片及滤波模块6集成于同一PCB电路板上并放入高低温试验箱中，调节高低温实验箱的温度使温度在0度到60度之间均匀变化，激光器温控驱动2上电工作，激光器电流驱动4通过软启动上电工作，同时激光器调制模块8输出调制波形，调制DFB激光器的注入电流，使DFB激光器可以扫描到目标吸收线，温度采集及滤波模块7采集此时的环境温度，并与上位机9进行通讯，上位机9采集水汽的吸收谱线和温度采集及滤波模块7传送的温度值，从而得到激光器波长随环境温度变化的特征值，进而得到确切的补偿量，将此补偿量烧写至ARM芯片1中，ARM芯片1根据接收到的温度值和确定的补偿量，驱动DAC芯片及滤波模块6，给激光器温控驱动2一补偿信号，当此时的环境温度变化时，补偿信号相应的发生变化，从而保证DFB激光器波长的稳定。

所述的激光器电流驱动4的噪音小于2μA，温漂为100ppm/℃；激光器温控驱动2最大输出2.5A，温度稳定性为0.01℃。

所述的ARM芯片1选用ARM Cotex-M3内核的STM32F103处理器，72MHz时钟频率，64KB SRAM，使用片上ADC进行数据采集，分辨率为12bit，采样率1Msps。