Источник лазерного излучения

Полезная модель относится к высокоточным узкополосным источникам лазерного излучения, в частности к полупроводниковым лазерам с оптоволоконным выходом, встроенным устройством охлаждения и датчиком температуры лазерного диода, используемым, в том числе, в интерферометрах оптоволоконных систем распределенного мониторинга виброакустических характеристик скважин, силовых кабелей и проводов и т.п.
Основной тенденцией развития аппаратной части оптоволоконных систем распределенного мониторинга является повышение чувствительности интерферометров за счет использования источников лазерного излучения с предельно малой шириной полосы излучения и низкими значениями изменения длины волны (частоты) оптического излучения источника лазерного излучения, что достигается:
снижением фазового шума излучения лазера путем применения резонаторов для дополнительного обужения лазерной линии;
снижением квантового шума путем использования более мощных узкополосных лазеров;
снижением технических (тепловых, амплитудных и пр.) шумов путем улучшения стабильности источников тока накачки;
совершенствованием средств стабилизации температуры лазерного диода, оказывающих доминирующее влияние на длину волны (частоту) оптического излучения.
Способность определять и различать виды воздействий на датчик (по сути - отрезок оптоволокна) оптоволоконной системы распределенного мониторинга во многом зависит от способности источника лазерного излучения, как минимум, на время, необходимое для проведения оценки воздействия на распределенный датчик, обеспечивать стабильность частоты (длины волны) оптического излучения и узкую ширину спектральной линии, а так же способность противостоять внутренним шумам от работы системы управления, в результате которых появляются дополнительные технические шумы в оптическом спектре излучения, при этом предлагаемое техническое решение ориентировано на применение излучателя, в корпусе которого, помимо полупроводникового лазерного диода, размещены охладитель и датчик температуры. Такое техническое решение характерно для источников лазерного излучения в конструктивном исполнении «баттерфляй».
Снижение паразитных электрических воздействий на источник лазерного излучения, улучшение стабильности источников тока накачки, а также повышение точности стабилизации температуры лазерного диода и, как следствие, повышение качества лазерного излучения за счет повышения точности поддержания длины волны (частоты) источника лазерного излучения, является предметом предлагаемой полезной модели.
Из уровня техники известен источник лазерного излучения, включающий полупроводниковый лазер, охладитель (элемент Пельтье), термодатчик (термистор), регулируемый стабилизатор тока, термоконтроллер и схему управления источником лазерного излучения (Научная электронная библиотека «КиберЛенинка» [Электронный ресурс]. А.В. Краснов, В.А. Парфенов, Источник питания полупроводниковых лазерных диодов. - Режим доступа: https://cyberleninka.ru/article/ri/istochnik-pitaniya-poluprovodnikovyh-lazernyh-diodov/viewer, вход свободный - (22.06.2022)
Известный аналог ориентирован на снижение энергопотребления в силовых цепях регулируемого стабилизатора тока и термоконтроллера. Уменьшение энергопотребления достигается за счет снижения величины питающих напряжений таких каскадов, как регулируемый стабилизатор тока, термоконтроллер. Например, охладитель подключен к мостовому выходному каскаду, транзисторы которого работают в ключевом режиме, что позволяет снизить потребляемую мощность.
n
Но при этом, по факту релейного управления охладителем, уровень шумов в системе регулирования увеличивается и, соответственно, повышается уровень шумов в спектре оптического излучения, и, как следствие, увеличивается влияние импульсных (релейных) помех на величину амплитудных и фазовых шумов оптического излучения лазера, что ведет к существенному снижению качества последнего. Кроме того, к недостаткам известного аналога следует отнести применение в схеме управления 8-разрядного микроконтроллера, чем в основном обусловлена низкая точность поддержания температуры, а именно - на уровне порядка 0,2°C. Указанное значение точности поддержания температуры можно проиллюстрировать следующим примером. Пусть возможные значения рабочих температур лазерного диода лежат в диапазоне 15÷40°C, диапазон регулирования температур составит ΔТ=25°C, число уровней дискретизации N=2, где n - число разрядов микроконтроллера. При числе разрядов n=8 и, соответственно, числе уровней N, равным 256, дискретность регулирования температуры Δt=ΔT/256, что составит примерно ±0,1°C. Эта точность будет обеспечиваться при условии постоянной температуры окружающей среды и при изменении температуры окружающей среды точностные характеристики, несомненно, будут ухудшаться.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков для предлагаемого технического решения - прототипом - является источник лазерного излучения, включающий излучатель в виде лазерного диода, блок питания диода и модуль управления источника лазерного излучения с аналоговыми входами и выходами и управляющими и информационными входами и выходами, причем излучатель выполнен в виде моноблока, содержащего лазерный диод, его охладитель, датчик температуры лазерного диода и модуль управления охладителем, выход блока питания лазерного диода подключен к лазерному диоду, а его вход подключен к управляющим и информационным входам/выходам модуля управления, мостовой выход модуля управления охладителем подключен к входам охладителя лазерного диода, датчик температуры лазерного диода подключен к входу внешнего преобразователя датчика температуры лазерного диода, вход внешнего преобразователя датчика температуры корпуса излучателя подключен к выходу датчика температуры окружающей среды, а выход внешнего преобразователя датчика температуры корпуса излучателя подключен к информационному входу модуля управления источника лазерного излучения (патент на полезную модель RU №68792 U1, опубл. 27.11.2007). Указанный прототип ориентирован на обеспечение возможности регулирования формы излучаемого импульса, в том числе возможности регулирования его амплитуды и длительности, и на воспроизведение этих параметров излучения при изменении внешней температуры.
К недостаткам прототипа, как и аналога, следует отнести недостаточное качество лазерного излучения, обусловленное низкой точностью поддержания температуры лазерного диода как при неизменной температуре окружающей среды, так и в условиях ее изменения, поскольку применен импульсный характер управления охладителем и, по сути, прямое импульсное управление блоком питания лазерного диода и модулем управления охладителем. При этом, хотя прототип и учитывает влияние температуры окружающей среды, измеряя температуру радиатора (корпуса) лазерного диода, при ограниченном числе разрядов модуля управления затруднительно получить высокое значение точности поддержания температуры.
Проблема, решаемая заявленным техническим решением, заключается в повышении точности поддержания температуры лазерного диода как при неизменной температуре окружающей среды, так и в условиях изменения температуры окружающей среды.
Технический результат, достигаемый при осуществлении заявляемой полезной модели - повышение качества лазерного излучения за счет повышения точности поддержания температуры лазерного диода, в том числе в условиях изменения температуры окружающей среды.
Проблема решается, а заявленный технический результат достигается тем, что источник лазерного излучения, включающий излучатель, содержащий лазерный диод, охладитель лазерного диода и датчик температуры лазерного диода, выход которого подключен к внешнему преобразователю датчика температуры лазерного диода, датчик температуры корпуса излучателя, выход которого подключен к внешнему преобразователю датчика температуры корпуса излучателя, модуль питания и управления излучением лазерного диода с управляющими и информационными входами и выходами, соединенный с модулем управления источника лазерного излучения и лазерным диодом, модуль управления охладителем лазерного диода, дифференциальный выход которого соединен с охладителем лазерного диода, при этом выход внешнего преобразователя датчика температуры корпуса излучателя соединен с первым информационным входом модуля управления источника лазерного излучения, снабжен формирователем сигнала ошибки с двумя входами и выходом, ПИД-регулятором с двумя входами и выходом, аналоговым ключом с двумя входами и выходом и аналоговым сумматором с двумя входами и выходом, причем первый вход формирователя сигнала ошибки подключен к выходу внешнего преобразователя датчика температуры лазерного диода, второй вход формирователя сигнала ошибки подключен к первому информационному выходу модуля управления источника лазерного излучения, а выход подключен к первому входу ПИД-регулятора и второму информационному входу модуля управления источника лазерного излучения, второй вход ПИД-регулятора и первый вход аналогового ключа подключены к первому управляющему выходу модуля управления источника лазерного излучения, выход ПИД-регулятора подключен к второму входу аналогового ключа, выход аналогового ключа подключен к первому входу аналогового сумматора, второй информационный выход модуля управления источника лазерного излучения подключен к второму входу аналогового сумматора, а выход аналогового сумматора подключен к входу модуля управления охладителем лазерного диода.
Заявленное техническое решение иллюстрируется изображениями, на которых представлены:
фиг. 1 - источник лазерного излучения в сборе;
фиг. 2 - источник лазерного излучения со снятой крышкой;
фиг. 3 - блок-схема источника лазерного излучения.
Позиции, проставленные на изображении, означают следующее:
1 - излучатель;
2 - лазерный диод;
3 - охладитель лазерного диода;
4 - модуль управления охладителем лазерного диода;
5 - датчик температуры лазерного диода;
6 - преобразователь датчика температуры лазерного диода;
7 - датчик температуры корпуса излучателя;
8 - преобразователь датчика температуры корпуса излучателя;
9 - модуль питания и управления излучением лазерного диода;
10 - модуль управления источника лазерного излучения;
11 - формирователь сигнала ошибки;
12 - ПИД-регулятор (пропорционально интегрирующий и дифференцирующий регулятор);
13 - аналоговый ключ;
14 - аналоговый сумматор;
15 - корпус источника лазерного излучения;
16 - крышка;
17 - винт;
18 - разъем;
19 - оптоволоконный вывод оптического сигнала (лазерного излучения);
20 - печатный узел источника лазерного излучения.
Как это представлено на фиг. 1, в товарном виде источник лазерного излучения представляет собой теплоотводящий корпус 15 (зачастую корпус выполняется с радиаторными элементами для лучшего отвода тепла в окружающую среду) с крышкой 16, привинченной к корпусу винтами 17. Для подключения внешних соединений, включая питание, в корпусе 15 смонтирован разъем 18. Так же источник лазерного излучения снабжен оптоволоконным выводом оптического сигнала (лазерного излучения) 19. Как это представлено на фиг. 2, источник лазерного излучения содержит устанавливаемый на дне теплоотводящего корпуса 15 излучатель 1, в корпусе которого размещены лазерный диод 2, снабженный оптоволоконным выводом оптического сигнала (лазерного излучения) 19, охладитель лазерного диода 3 и датчик температуры лазерного диода 5. Элементы источника лазерного излучения скоммутированы на базе печатного узла 20 (фиг. 2), обеспечивающего как коммутацию элементов между собой, так и подключение к питанию упомянутых элементов. Коммутационные соединения элементов источника лазерного излучения представлены на блок-схеме источника лазерного излучения (фиг. 3) и подробно раскрыты ниже. Выход датчика температуры лазерного диода 5 подключен к внешнему преобразователю 6 датчика температуры лазерного диода. На корпусе излучателя 1 размещен датчик температуры корпуса излучателя 7, выход которого подключен к внешнему преобразователю датчика температуры корпуса излучателя 8. Модуль управления источника лазерного излучения 10 с управляющими и информационными входами и выходами соединен с лазерным диодом 2 через модуль питания и управления излучением лазерного диода 9. Охладитель лазерного диода 3 оснащен модулем управления 4, выход которого соединен с охладителем лазерного диода 3. Выход внешнего преобразователя датчика температуры корпуса излучателя 8 соединен с первым информационным входом модуля управления источника лазерного излучения 10. В отличие от прототипа, заявленный источник лазерного излучения снабжен формирователем сигнала ошибки 11 с двумя входами и выходом, ПИД-регулятором 12 с двумя входами и выходом, аналоговым ключом 13 с двумя входами и выходом, и аналоговым сумматором 14 с двумя входами и выходом. Первый вход формирователя сигнала ошибки 11 подключен к выходу внешнего преобразователя датчика температуры лазерного диода 6, второй вход формирователя сигнала ошибки 11 подключен к первому информационному выходу модуля управления источника лазерного излучения 10, а выход подключен к первому входу ПИД-регулятора 12 и второму информационному входу модуля управления источника лазерного излучения 10, второй вход ПИД-регулятора 12 и первый вход аналогового ключа 13 подключены к первому управляющему выходу модуля управления источника лазерного излучения 10, выход ПИД-регулятора 12 подключен к второму входу аналогового ключа 13, выход аналогового ключа 13 подключен к первому входу аналогового сумматора 14, второй информационный выход модуля управления источника лазерного излучения 10 подключен к второму входу аналогового сумматора 14, а выход аналогового сумматора 14 подключен к входу модуля управления охладителем лазерного диода 4.
Заявленный источник лазерного излучения работает следующим образом. Будем полагать, что в модуль управления источника лазерного излучения 10 с управляющими и информационными входами и выходами через его информационный вход введены исходные параметры, обеспечивающие оптимальный режим работы излучателя 1, модуль питания и управления излучением лазерного диода 9 работает в режиме управляемого источника стабильного тока. Функционально модуль питания и управления излучением лазерного диода 9 по командам, поступающим из модуля управления источника лазерного излучения 10, обеспечивает стабильным током лазерный диод 2, осуществляет защиту лазерного диода 2 от недопустимых значений напряжения на его электродах, формирует электрический сигнал, поступающий в модуль управления источником лазерного излучения 10, что обеспечивает контроль величины тока, протекающего через лазерный диод 2. С целью минимизации помех в спектральном составе тока, протекающего через лазерный диод 2 и, как следствие, обеспечение минимальной ширины лазерной линии, выбирается непрерывный режим работы модуля питания и управления излучением лазерного диода 9. В источнике лазерного излучения на представленном изображении охлаждение излучателя 1 обеспечивается охладителем 3, модулем управления охладителем 4, датчиком температуры 5, преобразователем датчика температуры 6, формирователем сигнала ошибки 11, ПИД-регулятором 12, аналоговым ключом 13, аналоговым сумматором 14 и модулем управления источником лазерного излучения 10. Модуль управления источником лазерного излучения 10 обеспечивает порядок взаимодействия между собой всех компонентов, показанных на изображении, и задает их режимы работы. При включении источника лазерного излучения в соответствии с программой работы модуль управления источником лазерного излучения 10 по информационным и управляющим выходам формирует на выходах модуля питания и управления излучением лазерного диода 9 значение тока, протекающего через лазерный диод 2, равное нулю. На управляющий вход аналогового ключа 13 поступает сигнал, переводящий аналоговый ключ 13 в закрытое состояние, при этом на выходе аналогового ключа 13, подключенного к первому входу аналогового сумматора 14, устанавливается напряжение, равное нулю. На второй вход аналогового сумматора 14 со второго информационного выхода модуля управления источника лазерного излучения 10 подается напряжение, соответствующее требуемому значению рабочей температуры лазерного диода 2. Требуемое значение рабочей температуры лазерного диода 2 на основе паспортных данных выбирается исходя из требуемого значения длины волны оптического излучения. Это управляющее напряжение с выхода сумматора 14 поступает на вход модуля управления охладителем 4, в котором происходит его усиление по мощности. На входы охладителя лазерного диода 3 поступает дифференциальный управляющий сигнал. Под воздействием этого управляющего сигнала охладитель устанавливает температуру лазерного диода 2, близкую к требуемому значению. В зависимости от значений разности потенциалов на входах охладителя лазерного диода 3, можно изменять направление тока, протекающего через охладитель лазерного диода 3. Это позволяет охлаждать или нагревать лазерный диод 2 в процессе стабилизации температуры лазерного диода 3. Также при включении источника лазерного излучения модуль управления источника лазерного излучения 10 устанавливает на входе формирователя сигнала ошибки 11 напряжение, соответствующее требуемому значению рабочей температуры лазерного диода 2. Модуль управления источника лазерного излучения 10 анализирует состояние датчика температуры корпуса излучателя 7 по выходному сигналу преобразователя датчика температуры корпуса излучателя 8 и вычисляет температуру корпуса излучателя (или, при наличии, радиатора охлаждения корпуса излучателя) и сравнивает ее с требуемым значением рабочей температуры лазерного диода 2, в зависимости от их разницы и знака устанавливает на входе аналогового сумматора 14 такое значение величины управляющего напряжения, которое обеспечивает соответственно охлаждение или нагрев лазерного диода 2, также модуль управления источника лазерного излучения 10 анализирует величину сигнала ошибки на выходе формирователя сигнала ошибки 11. В процессе охлаждения/нагрева температура лазерного диода 2 (точнее - датчика температуры лазерного диода 5) стремится к требуемому значению рабочей температуры лазерного диода 2, а сигнал ошибки на выходе формирователя сигнала ошибки 11 стремится к нулю. При достижении величины сигнала ошибки на выходе формирователя сигнала ошибки 11 значения, близкого к нулю, модуль управления источника лазерного излучения 10 выдает на модуль питания и управления излучением лазерного диода 9 управляющие сигналы, обеспечивающие плавное увеличение рабочего тока через лазерный диод 2 до номинального значения. В результате протекания тока через лазерный диод 2 происходит выделение дополнительного тепла, и температура лазерного диода 2 повышается, о чем свидетельствует увеличение сигнала ошибки на выходе формирователя сигнала ошибки 11. Модуль управления источника лазерного излучения 10 путем изменения управляющего сигнала на входе аналогового сумматора 14 увеличивает мощность, поступающую на охладитель лазерного диода 3 с выходов модуля управления охладителем 4. Данный процесс продолжается до тех пор, пока ток через лазерный диод не станет равным номинальному значению и сигнал ошибки на выходе формирователя сигнала ошибки 11 будет соответствовать нулевому значению. Нулевое значение не является фиксированной величиной, а соответствует некоторому дискретному интервалу изменения сигнала ошибки, если значение сигнала ошибки находится в пределах этого дискретного интервала, ток через лазерный диод соответствует требуемому значению а модуль управления источника лазерного излучения 10 фиксирует значение управляющего воздействия на входе сумматора 14, выдает на управляющий вход аналогового ключа 13 сигнал, переводящий аналоговый ключ 13 в открытое состояние, при этом на выход аналогового ключа 13 и соответственно на первый вход аналогового сумматора 14 поступает управляющий сигнал с выхода ПИД-регулятора 12, с этого момента регулирующее воздействие равно алгебраической сумме напряжений, поступающих на первый и второй входы аналогового сумматора 14, а с его выхода поступает на вход модуля управления охладителем 4. В этом техническом решении ПИД-регулятор 12 выполняет роль точного (нониусного) регулятора с ошибкой регулирования, стремящейся к нулю.
В экспериментальной модели, реализующей заявленный источник лазерного излучения, использовались следующие элементы: излучатель - RIO PLANEX, 1530 - 1565 нм с оптоволоконным выводом оптического сигнала, встроенными (собственными) лазерным диодом, охладителем лазерного диода и датчиком температуры лазерного диода; модуль управления охладителем лазерного диода на основе операционного усилителя ОРА548 High-Voltage, High-Current Operational Amplifier; преобразователь датчика температуры лазерного диода на основе малошумящего прецизионного усилителя AD8656ARZ, 28МГц [SO-8]; датчик температуры корпуса излучателя - термистор B57330V2103F260, 10 кОм, 0603, 1%, NTC; преобразователь датчика температуры корпуса излучателя на основе малошумящего прецизионного усилителя AD8656ARZ, 28МГц [SO-8]; модуль питания и управления излучением лазерного диода на основе малошумящего прецизионного усилителя AD8656ARZ, 28МГц [SO-8] с биполярным транзистором DSS20200L-7, PNP, 20 В, 2 А, 600 мВт, SOT-23; модуль управления источника лазерного излучения - Kinetis KL82 Microcontroller, MKL82Z128Vxx7; формирователь сигнала ошибки на основе малошумящего прецизионного усилителя AD8656ARZ, 28МГц [SO-8]; ПИД-регулятор на основе 4-канального операционного усилителя AD8608ARZ, Low Noise, CMOS, Rail-to-Rail, Input/Output Precision [SO-14]; аналоговый ключ - прецизионный аналоговый ключ ADG419BNZ; аналоговый сумматор на основе малошумящего прецизионного усилителя AD8656ARZ, 28МГц [SO-8], и оригинальный печатный узел, реализующий коммутацию элементов источника лазерного излучения в соответствии с представленной на фиг. 3 блок-схемой.
Проведенные испытания показали, что точность поддержания температуры лазерного диода в условиях изменения температуры окружающей среды (в диапазоне 15-40°С) по сравнению с прототипом (0,2°С) составила не хуже, чем 0,05°С в диапазоне рабочих температур 10-40°C, что, в свою очередь, позволяет улучшить качество лазерного излучения, обеспечив кратковременную стабильность частоты на временном интервале порядка 1 секунды не хуже, чем 1 МГц, мгновенную (Лоренцову) ширину линии менее 1 кГц, а долговременную стабильность частоты не хуже, чем 100 МГц, что на порядок и более превосходит аналогичные качественные показатели прототипа.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что выявленная проблема - повышение точности поддержания температуры лазерного диода как при неизменной температуре окружающей среды, так и в условиях изменения температуры окружающей среды - решена, а заявленный технический результат - повышение качества лазерного излучения за счет повышения точности поддержания температуры лазерного диода, в том числе в условиях изменения температуры окружающей среды - достигнут.