УПРАВЛЕНИЕ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО

УПРАВЛЕНИЕ ДЛИНОЙ ВОЛНЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ЛАЗЕРА
Меркулов Е.Г., Глушко Е.С.
Харьковский национальный университет радиоэлектроники
61166, Харьков, пр. Ленина, 14, каф. ФОЭТ, тел. (057) 702-14-84
E-mail: merkulov_e@yahoo.com
Management of the laser radiation wavelength is a critical task in such areas as metrology and
information transfer. For these purposes it is necessary to develop assistive devices that allow extremely
precise control, adjust and control the laser wavelength. In the work presented on the basis of modern
microprocessors has been developed a device that can perform these functions.
В настоящее время лазерная техника находит широкое применение в областях измерения и
передачи информации. Высокие требования этих областей к точности и надежности выходных
параметров обуславливают необходимость разработки электронных устройств для контроля и
управления различными параметрами излучения лазера.
Одним из основных параметров лазерного излучения, который требует контроля и
стабилизации, является длина волны излучения лазера.
Основной целью данной работы является разработка устройства для управления длиной
волны излучения полупроводникового РОС лазера с помощью температуры.
Из цели вытекает ряд немаловажных задач, которые были решены в процессе выполнения
работы: разработка основных блоков устройства управления длиной волны излучения
полупроводникового лазера с помощью температуры, расчет номиналов их элементов, разработка
программного обеспечения на персональном компьютере.
Помимо основной функции управления длиной волны лазера, устройство должно выполнять
мониторинг температуры и относительного уровня мощности излучения лазера. Управление
устройством должно полностью осуществляться с ПО на ПК, связь с персональным компьютером
поддерживаться с помощью интерфейса USB. Также устройство должно обеспечивать всю
необходимую защиту, что подразумевает под собой программную и аппаратную защиту, а также
оповещение о нештатной работе, с помощью различных индикаторов.
Для реализации стабилизации и перестройки длины волны излучения полупроводникового
лазера на практике было разработано устройство, которое является связующим звеном между
лазером и персональным компьютером и выполняет ряд определенных функций. Так как
основным методом управления длиной волны полупроводникового лазера был выбран контактный
температурный метод, основной функцией разработанного устройства является точное управление
температурой элемента Пельтье, встроенного в лазер.
В первую очередь разработанное устройство предназначено для поддержания заданной
частоты в установленных пределах, вне зависимости от возмущений со стороны окружающей
среды, а также для обеспечения корректировки и перестройки частоты излучения в небольших
пределах относительно номинальной частоты излучения.
Устройство представляет собой систему автоматического управления, параметры которой
задаются программным обеспечением персонального компьютера, с которым устройство
сопряжено через шину USB.
Блок-схема, иллюстрирующая принцип работы всей системы, показана на рис. 1.
ПК
МК
USB
3
2
1
Э-т Пельтье
Схема
управления
элементом
Пельтье
6
ФД
4
ТР
7
5
8
Рисунок 1 – Схема принципа работы программно-электронного комплекса
На рисунке блоком 1 представлено программное обеспечение на ПК, которое состоит из
двух основных частей: пользовательского интерфейса и управляющей программы. Через систему
пользовательского интерфейса осуществляется взаимодействие между человеком и
разработанным устройством. Для этого в программном обеспечении реализованы интерфейс
управления работой системы, а также интерфейсы мониторинга работы системы, в виде
постоянной индикации температуры лазера, а также относительного уровня мощности его
излучения. Управляющая программа служит для преобразования команд человека в более сложное
управляющее воздействие, для связи программного обеспечения с устройством, а также для
защиты устройства на программном уровне и на уровне оповещения человека о возможных
нештатных ситуациях работы системы. Для связи программного обеспечения на персональном
компьютере с программным обеспечением в микроконтроллере служит интерфейс универсальной
последовательной шины, или USB 2.
Посредством интерфейса USB, осуществляется двухсторонняя передача данных между
программным обеспечением персонального компьютера и программным обеспечением
микроконтроллера. Программное обеспечение, контролируя работу устройства, отправляет ему
управляющие команды, взамен этому устройство отсылает персональному компьютеру данные
диагностики работы. Разработанное устройство, относительно интерфейса USB, работает в
режиме HID – устройства, что не требует написания дополнительных драйверов со стороны
персонального компьютера, а также гарантирует полноценную работу устройства практически со
всеми широко распространенными операционными системами.
Непосредственно само разработанное устройство 5 состоит из микроконтроллера
STM32F103RET6 3 и трех аналоговых схемотехнических блоков, с помощью которых
осуществляется процесс взаимодействия с элементом Пельтье 6, фотодиодом 7 и терморезистором
8.
Микроконтроллер STM32F103RET6 служит основным связующим и управляющим звеном в
разработанном устройстве. Программное обеспечение в микроконтроллере связывает устройство с
персональным компьютером, осуществляет, с помощью ЦАП, выдачу управляющего сигнала на
схемотехнический блок управления элементом Пельтье, с помощью встроенного АЦП принимает
сигнал от датчика температуры и датчика относительного уровня мощности излучения лазера,
реализует защиту на уровне программного обеспечения микроконтроллера, а также в случае
появления нештатных ситуаций, оповещает о сбое в работе устройства, с помощью светодиодной
индикации.
Для достижения наибольшей точности на уровне программного обеспечения на ПК
реализован пропорционально-интегрально-дифференциальный регулятор. Использование этого
регулятора подразумевает наличие обратной связи, которая сама по себе может значительно
повысить точность управления температурой. Однако ПИД – регулятор имеет в наличии три
составных блока, которые оказывают дополнительное корректирующее воздействие на выходной
сигнал, основываясь на отклонении величины температуры, от номинальной, на предыдущем
опыте работы, а также на прогнозировании возможных отклонений в будущем. Это не только
значительно повышает точность управления температурой, но и предотвращает от появления
случайных ошибок управления.
В ходе выполнения работы были разработаны основные схемотехнические блоки, которые в
сборе с микроконтроллером STM32F103RET6 составляют единое устройство, предназначенное
для управления длиной волны излучения полупроводникового лазера. По разработанным
электрическим схемам проведены расчеты основных номиналов компонентов схемы, с учетом
необходимости достижения наибольшей точности и надежности разрабатываемого устройства.
Разработаны такие основные схемотехнические блоки, как блок управления элементом
Пельтье, датчик температуры и датчик относительного уровня мощности излучения лазера. Блок
управления элементом Пельтье включает в себя источник тока управляемый напряжением и
силовую часть, которая осуществляет управляемое питание элемента Пельтье током до 600 мА.
Датчик температуры построен на основе терморезистора и схемы для измерения сопротивления,
которая подключена к АЦП микроконтроллера. Датчик измерения мощности излучения лазера
основан на измерении сигнала с фотодиода, который посредством специальной схемы, подключен
ко второму каналу АЦП микроконтроллера.
После разработки устройства было проведено макетирование прибора.
Также было разработано программное обеспечение на ПК, которое обеспечивает контроль
работы устройства и включает в себя пользовательский интерфейс для обеспечения
взаимодействия человек/устройство.
Данное устройство может быть использовано для стабилизации длины волны источников
волоконно-оптических линий передач информации, для перестройки длины волны лазера в
спектроанализаторах и устройствах для разделения изотопов.
Список литературы:
1.Грибковский, В.П. Полупроводниковые лазеры [Текст] / В.П. Грибковский. – Мн.:
Университетское, 1988.- 304 с.
2.Познышев А.Н. Создание системы управления полупроводниковой накачкой активных
элементов твердотельных лазеров и повышение ее эффективности [Электронный ресурс]: Дис.
канд. техн. наук : 05.13.01. – М. : РГБ, 2005. – 150 с.
3.Анохов, С.П. Перестраиваемые лазеры [Текст] : учеб. пособие/ С.П. Анохов, Т.Я. Маркусий,
М.С. Соскин; под общ. ред. проф. М.С. Соскина; - М.: Радио и связь, 1982. – 360 с.
4.Камия, Т., Оцу М., Такума Х. Физика полупроводниковых лазеров [Текст]: пер. с японск./ Под
ред. Х. Такумы. – М.: Мир, 1989. – 310 с.