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1、河北工业大学 硕士学位论文 基于PID参数模糊自整定的半导体激光器温度控制系统研究 姓名：刘江涛 申请学位级别：硕士 专业：电工理论与新技术 指导教师：杨文荣 20071101 河北工业大学硕士学位论文 I 基于 PID 参数模糊自整定的半导体激光器温度控制系统研究 摘 要 基于 PID 参数模糊自整定的半导体激光器温度控制系统研究 摘 要 目前，半导体激光器(LD)广泛应用于科研、国防、工业等领域中。半导体激光器的工 作原理决定了其自身工作时必然发热，而自身产生的热量严重影响着 LD 的输出特性(如 LD 输出波长随温度的漂移)，进而影响仪器的精度及使用寿命，为了保证半导体激光器的 正常工作
2、，它的工作波长必须保持高度的稳定。因此就需要对 LD 的温度变化进行严格控 制。 本文设计了一个基于单片机微处理器的温度控制系统，包括数据采集，数据保护，数 据显示等模块。并在执行器件部分采用了发展非常快的 TEC（半导体制冷器）制冷技术。 在过程控制中，采用目前比较成熟的增量型 PID 控制算式，首先利用工程上常用的临 界比例带法， 确定系统在特定温度点的数字 PID 的参数； 其次结合 PID 控制算法与模糊控 制理论最终确定 FuzzyPID 控制算法对系统参数进行整定，最后利用 MATLAB 下的 SIMULINK 工具箱进行系统仿真。 实践证明， 采用 PID 模糊参数自整定的系统比
3、常规 PID 调节的系统， 具有控制精度高， 系统响应快，超调量小等诸多优点。通过对半导体激光器温度的控制，大大提高了激光器 的性能和产品的品质。 关键词关键词：半导体激光器，半导体制冷器，温度控制系统，单片机，PID 控制 基于 PID 参数模糊自整定的半导体激光器温度控制系统研究 II STUDY OF LASER DIODE TEMPERATURE CONTROL SYSTEM BASED ON PAREMETER AUTO-TUNING FUZZY-PID CONTROL TECHNIQUE ABSTRACT Now, laser diode (LD) is extensively a
4、pplied in science and research, national defense, industry fields etc. The principle of laser diode determine its inevitable heat.When it is on work,it produces the caloric which greatly influences the characteristics of LD (for example, with LD temperature changed, the wavelength of the LD output l
5、ight drifts), and so influences the accuracy and lifetime of the instrument. In order to ensure the normal work of the laser diode, its wavelength must maintain a high degree of stability.Therefore, we need to strictly control the change of the LD temperature. In this paper,I designed a temperature
6、control system which is based on MCU Microprocessor.and also designed Data Acquisition, Data protection, LCD etc. in the part of implementation of devices ,I use TEC (LD) technology which is developing very fast. In Process Control, Incremental PID formula is taken. Firstly, the method of critical p
7、roportional band is used to get the parameters of digital PID control at certain temperature. Secondly with PID control algorithms and fuzzy control theory finalized Fuzzy - PID control algorithm for system tuning parameters, Finally the MATLAB simulation toolkit is used for system simulation. Pract
8、ice has proven that compared with the conditional PID,the Fuzzy-PID can do better,and it has low overshoot,faster response etc. By the control of the LD temperature,we greatly improved laser performance and product quality. Keywords: Laser diode,thermoelectric cooler,temperature control system,MCU,P
9、ID control 原创性声明原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行研究工作所取得的成 果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文的研究成果不包含任何他人创作的、已公 开发表或者没有公开发表的作品的内容。 对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人 和集体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任由本人承担。 学位论文作者签名： 日期： 关于学位论文版权使用授权的说明关于学位论文版权使用授权的说明 本人完全了解河北工业大学关于收集、保存、使用学位论文的规定。同意如下各项内 容： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本； 学校有权保存学位论文的
10、印刷本和 电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索 以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务； 学校有权按有关规定向国家有关部门或者 机构送交论文的复印件和电子版； 在不以赢利为目的的前提下， 学校可以适当复制论文的 部分或全部内容用于学术活动。 （保密的学位论文在解密后适用本授权说明） 学位论文作者签名： 日期： 导师签名： 日期： 河北工业大学硕士学位论文 1 第一章 绪论 第一章 绪论 1-1 半导体激光器半导体激光器 1-1-1 半导体激光器的产生和发展半导体激光器的产生和发展 半导体激光器的出现和发展是许多研究工作者共同智慧的结晶1。1953 年
11、 9 月，美国的冯纽曼在 他一篇未发表的论文手稿中第一个论述了在半导体中产生受激发射的可能性；认为可以通过向 PN 结 注入少数载流子来实现受激发射；计算了在两个布里据区之间的辐射跃迁速率。在此基础上，巴丁 (J.Bardeen)认为通过各种方法(例如向 PN 结注入少数载流子)扰动导带电子和价带空穴的平衡浓度，致 使少数载流子复合而产生光子其辐射复合的速率可以像放大器那样，以同样频率的电磁辐射作用来 据高。这应该说是激光器(1aser)的最早概念。 Ecsle Normale Superieure 的 Pierre Aigrain 在 1956 年就曾鼓励美国无线电公司（RCA)的 Pank
12、ove 着手制造半导体激光器。1958 年 6 月他在布鲁塞尔的一次国际会议上的发言中，第一个公开发表了在 半导体中得到相干光的观点，但直到 1964 年他才公开发表文章论述半导体激光器的理论与实验工作。 苏联列别捷夫物理研究所的巴索夫(Basov)等对半导体激光器的杰出贡献，在于他于 1958 年首次 公开发表文章提出在半导体中实现负温态的理论论述。 他们又于 1961 年最先公开发表将载流子注入半 导体 PN 结以实现“注入激光器”的论述， 并论证了在如隧道二极管中那样高度简并的 PN 结中实现粒子 数反转(这是产生受激发射的必要条件)的可能性，而且还认为有源区周围高密度的多数载流子造成有
13、 源区边界两边的折射率有一差值，因而产生光波导效应。这些理论对其后半导体激光器的出现起了积 极的促进作用，巴索夫因此而得到诺贝尔奖金。然而，1963 年前，巴索夫等发表的关于半导体激光器 的理论与实验的文章多是以半导体 Ge 为有源材料的。 而腊克斯(Lax)在 1959 年曾提出直接带隙半导体 (如 GaAs、InP 等)是比间接带隙半导体(如 Ge，Si 等)更适合于产生受激发射的材料。 这一重要论断的正确性为后来所出现的半导体激光器所证实。 1960 年贝尔实验室的布莱(Boyle)和汤姆逊提出了用半导体的平行解理而作为产生光反馈的谐振 腔，这对加强受激光发射来说是必需的。光学谐振腔是激
14、光器不可缺少的组成部分。1961 年伯纳德 (Bernard)与杜拉福格(Duraffourg)利用准费米能级的概念推导出在半导体有源介质中实现粒子数反转 的条件。这一条件对次年半导体激光器的研究成功起到了重要的理论指导作用。 综上所述，理论上认为半导体激光器应该是在直接带隙半导体 PN 结中，用注入载流子的方法实 现由伯纳德杜拉福格条件所控制的粒子数反转；由高度合并的电子和空穴复合所产生的受激光辐射 在光学谐振腔内振荡并得到放大，最后产生相干激光输出。 在上述理论的直接和间接影响，以及 1960 年产生的红宝石激光器的推动下，美国和苏联的科学 家加紧了对半导体激光器的研究。特别是 1962
15、年元月，梅贝格(sMayburg)报告了可以从 GaAsPN 结 中得到 100的荧光量子效率，致使在 1962 年后期美国的四个实验室几乎同时宣布研制成功 GaAs 同 质结半导体激光器，1963 年巴索夫也报导研制成 GaAs PN 结半导体激光器。 以上提及的半导体激光器的研究工作者作出了重要的贡献。因为在他们之前为数极少的有关在半 导体材料中产生受激发射的公开论述，并未使他们得到足够的启示。在围绕着使用什么样的半导体材 料来得到高效率的受激光发射，如何形成光学谐振腔，如何检验是否产生激光输出和如何评价半导体 激光器的输出特性等问题上，他们作了有成效的探索和实践。例如，选用直接带隙半导体
16、 GaAs 作有 源材料；用晶体的自然解理面作光学谐振腔；从输出光束光谱线宽的变窄和远场特性的变化来判断激 光的产生等。尽管上述半导体激光器均为同质结构，只能在液氮温度下脉冲工作，因而毫无实用价值， 基于 PID 参数模糊自整定的半导体激光器温度控制系统研究 2 但他们的一些基本理论与实践至今仍是有意义的。实现半导体激光器在室温下连续工作(19621970 年),上述同质结构的半导体激光器经历了 5 年时间的徘徊，人们对半导体激光器的前途曾一度产生怀 疑， 甚至一些早期半导体激光器的开创者也因当时的半导体激光器一直不能在常温下工作而中途退却。 但当时的贝尔实验室固体研究室主任高尔持(GoIt)科学地预见到， 室温连续工作的半导体激光器将在未 来的光通信上发挥重要作用。 1967 年在半导体激光发展史上一个重要的突破是一反过去用扩散法形成 同质 PN 结的惯例，而用液相外延的方法制成了单异质结激光器，从而实现了在室温下脉冲工作的半 导体激光器。 时隔 3 年(1970 年)， 贝尔实验室的研究工作者又一举实
