雙通道半導體激光電源控制技術

金文東，李迎新，楊基春，穆志明，王 晗

(中國醫學科學院北京協和醫學院生物醫學工程研究所，天津300192)

1 引言

激光技術的發展促進了半導體激光器在光纖通信、高速打印、自由空間光通信、固體激光泵浦源、激光指示及各種醫療應用等領域的應用。在激光醫學的應用中，單一波段的激光已不能滿足需求，有時需要多波段激光進行聯合治療。例如，635 nm激光具有鎮痛、抑制破骨細胞吸收和促進傷口愈合的作用［1－2］;808 nm弱激光具有抑制細胞增生，促進傷口愈合的作用［3－4］;而635 nm/808 nm雙波長聯合治療能更有效地促進傷口的愈合［5］。

激光的輸出參數如激光波長、功率大小和照射時間直接影響治療效果［6］。半導體激光器的諸多輸出參數都與溫度和驅動電流有關［7－8］。如輸出功率不僅取決于驅動電流的大小，而且受溫度的影響;其輸出波長和驅動電流及溫度有關，對多數半導體激光器來說，其波長隨注入電流的增加而增加，變化的典型值為0．025 nm/mA［9］，此外，當半導體激光器內部溫度增加時，輸出波長也隨之增加［10］，其變化的典型值為0．3～0．4 nm/℃［11］。為了得到穩定的輸出功率和波長，需對驅動電流進行精確控制，而環境溫度的變化以及器件運行時發熱都會導致激光器的溫度變化，其中，808 nm半導體激光器的制造技術已經成熟，只需要用散熱片和風冷就行，而635 nm激光器因為在工藝上的問題，對溫度非常敏感，要求將溫度穩定性控制在1℃以內。因此，本文提出采用高精度AD和DA轉換模塊控制恒流源驅動電路，在溫度控制方面，則采用專家智能硬件PID控制方式控制半導體制冷器(Thermoelectric Cooler，TEC)，達到對其溫度的準確控制。

2 系統結構

系統總體結構框圖如圖1所示，控制部分主要由恒流驅動控制模塊和溫度控制模塊組成，并由交互界面(Interaction Interface)通過單片機(Single Chip Microcomputer，MCS)進行控制及數據顯示。交互界面通過RS232串口控制單片機發送控制指令，以及接收從單片機發過來的數據，對激光器電流、功率和溫度等信號進行控制及實時顯示。單片機根據接收到的上位機指令通過DA控制激光器的驅動電流，恒流驅動電路通過AD將電流值反饋給單片機。溫度傳感器實時反饋激光器的溫度信息，以此判斷TEC進行制冷或是制熱，來實現激光器的恒溫控制。

圖1 系統結構框圖Fig．1 Structure diagram of the system

3 恒流源驅動控制

激光器需由電流源進行驅動，808 nm和635 nm通道恒流源驅動由鑰匙開關和單片機控制繼電器與三級管使能驅動，驅動電流的大小由單片機進行控制。808 nm通道電流驅動電路如圖2所示。單片機AT89S4051控制12位DA輸出控制電壓VOUTA，VOUTA通過運放U7B比例放大，與運放U7A、精密電阻U8和穩壓器U9構成負反饋控制電路，實現對808 nm通道激光的電流大小的閉環控制。此外，精密電阻U8作為采樣電阻將電流信號轉換為電壓信號，經電壓跟隨器U7D和運放U7C比例放大得到電壓VCH0。VCH0通過12位AD，向單片機實時反饋808 nm通道的驅動電流值。其中控制電壓VOUTA和反饋電壓VCH0，都與驅動電流呈線性關系。635 nm通道采用的電流驅動電路的原理與808 nm通道相同。

圖2 808 nm恒流驅動電路原理圖Fig．2 Constant current drive circuit principle diagram of 808nm

驅動電路的電流調節范圍由電位器R12和R15的阻值大小控制，當調節電流驅動電路中的電位器使得808 nm和635 nm通道的電流調節范圍分別為0～3 A和0～1 A時，808 nm和635 nm通道電流分辨率分別為0．73 mA和0．24 mA。

4 溫度控制系統

常用的溫度傳感器有雙金屬片熱電偶、熱敏電阻器、鉑電阻、感溫鐵氧體等，其中負溫度系數(Negative Temperature Coefficient，NTC)熱敏電阻具有價格低廉、精度較高、可靠性好的優點［12］，故采用NTC熱敏電阻(10 K@25℃)作為溫度傳感器對溫度信號進行采集。

半導體激光器采用熱敏電阻作為傳感器，一般多采用電橋法和電壓源法進行溫度采集。橋式電路采用的電阻較多，且可調電阻的精度和溫度系數指標較低，因此溫度控制精度不高;電壓源法由于電壓源常常容易受到噪聲的干擾，導致電壓源自身的電壓不準，從而造成溫度采樣電壓不準，對溫度的計算帶來誤差［13］。如圖3所示，本系統將DA和AD的參考電壓VREF作為電壓源法的電壓源，通過將熱敏電阻的分壓值VCH2經過AD轉化，實時顯示激光器溫度，有效解決了電壓源采樣電壓不準的問題。此外，上述溫度采樣電路的采樣電壓VCH2與VOUTC經精密儀表放大器U15差分放大，構成了以參考電壓VREF作為電壓源的H橋測溫電路［14］。差分放大后的信號低通濾波后，經運放U16B進一步放大后進入比例積分微分(Proportion Integration Differentiation，PID)補償電路。其中VOUTC由單片機控制12位DA輸出控制，用于設置激光器工作溫度。與傳統的H橋測溫電路相比，VOUTC由單片機控制，代替傳統橋式測溫電路中橋臂上兩個固定電阻的分壓值，不僅使得工作溫度的設置更加簡便，而且結構簡單，具有較高的溫控精度。

圖3 溫度采樣電路Fig．3 Temperature sampling circuit

PID調節是自動控制系統中常見而典型的控制策略，其中模擬式PID是基本的實現手段與方式。本系統采用專家智能硬件PID調節電路控制TEC對激光器進行溫度調節，控制電路如圖4所示。PID控制由積分環節、比例環節和微分環節三個部分組成，通過對積分、比例和微分參數的合理選擇，可以達到最佳的綜合控制效果。其中，R34和C14控制積分時間常數;R37和R38控制比例系數;C15、R42和R43控制微分時間常數;R36、R39、R44、R45和U17D組成加法器將積分、比例和微分環節的作用疊加起來以實現PID控制，通過穩壓器U18來實現TEC對激光器進行制冷或制熱;C16能增加控制電路的穩定性。

如圖3和圖4所示，該電路利用溫差作為調節參考點，即熱敏電阻分壓值與溫度設定電壓值差值ΔU(即VCH2－VOUTC)大于0．0025 V或小于－0．0075 V時，運算放大器U16B運放飽和，消除了PID控制器的微分環節的作用，此時對激光器溫度進行PI控制;當ΔU大于－0．0075 V且小于0．0025 V時，運算放大器U16B正常工作，對激光器溫度則進行PID控制。利用這種調節手段，使得系統硬件PID控制在兩種工作方式下自動轉換，即溫差約大于0．5℃時，對系統進行PI調節，以消除穩態誤差;當溫差調節到0．5℃以內時，轉化成PID補償回路對系統進行溫度控制，以防止過沖或超調。系統溫控精度可達到0．1℃。

圖4 PID控制電路Fig．4 PID control circuit

5 應用測試

為檢測上述雙通道半導體激光器電源控制系統的性能，用某公司生產的雙波長激光模塊對其進行檢測。檢測環境溫度為室溫23℃，激光模塊工作溫度設置為25℃。

5．1 激光功率穩定度

分別設定808 nm通道和635 nm通道的電流值為2200 mA和640 mA，用功率計對10 min內的激光功率進行測量，測量數據分別如圖5(a)和5(b)所示。

圖5 808 nm和635 nm激光功率隨時間變化曲線Fig．5 Power curves of 808 nm and 635 nm laser

808 nm激光0～6 min在風冷的作用下達到工作溫度，激光功率緩慢增大;6～10 min溫度趨于穩定，激光功率也趨于穩定。635 nm激光0～3 min在TEC的作用下達到工作溫度，激光功率緩慢增大;3～10 min溫度趨于穩定，激光功率也趨于穩定。此外，在10 min的持續測量時間內，808 nm通道的功率最大值和最小值分別為1．45 W和1．35 W，功率不穩定度為1．805%;635 nm通道的功率最大值和最小值分別為413 mW和388 mW，功率不穩定度為1．233%。

5．2 激光波長及P/I特性曲線

用光譜儀對808 nm通道(設定驅動電流為500 mA時)和635 nm通道(設定驅動電流為550 mA時)的激光波長光譜進行測量，分別得到如圖6(a)和6(b)所示的光譜圖，測得中心波長分別為806．7 nm和634．3 nm。用光譜儀測量不同驅動電流(100～600 mA)下635 nm通道的激光波長，結果如圖7所示，不同驅動電流下激光峰值波長變化小于等于2 nm，即激光波長隨驅動電流的變化很小。

圖6 808 nm和635 nm通道的光譜圖Fig．6 Spectrum of 808 nm and 635 nm channel

圖7 635 nm通道峰值波長隨驅動電流的變化Fig．7 Peak wavelength of 635 nm channel along with the change of drive current

用功率計分別對808 nm通道和635 nm通道在不同設定驅動電流下的功率進行測量，并對其進行線性擬合，得到P/I特性曲線如圖8所示，兩個通道線性擬合的Adj．R－Square值都大于0．998。

圖8 808 nm和635 nm激光的功率電流特性曲線及其線性擬合曲線Fig．8 Power current characteristic curve and linear curve fitting of 808 nm and 635 nm

6 結論

本文研制的808 nm/635 nm雙通道半導體激光器的驅動電源，主要由恒流源驅動和溫控電路兩部分組成。恒流驅動由運算放大器、精密電阻及穩壓器等形成閉環控制，實現高穩定和低紋波系數的電流源。驅動電流與控制電壓呈線性關系，通過改變驅動電路中的電阻參數可以控制驅動電流的范圍。溫控電路采用硬件智能PID精確控制TEC進行制冷制熱，該方式與數字PID相比具有響應速度快、不受采樣精度影響的優點，適合實時性要求高的場合。實驗結果表明，該驅動電源下的激光器不僅輸出功率和波長穩定性好，而且功率－電流特征曲線的線性擬合度也很高，其輸出參數達到醫學實驗要求。

［1］ Nikele Nadur－Andrade，Stella R Zamuner，Elaine F Toniolo，et al．Analgesic effect of Light－Emitting Diode(LED)therapy at wavelengths of 635 and 945 nm on bothropsmoojeni venom－induced hyperalgesia［J］．Photochemistry and Photobiology，2014，90:207－213．

［2］ Hyun－Ju Lim，Man－Seok Bang，Hye－Min Jung，et al．A 635 nm Light－Emitting Diode(LED)therapy inhibits bone resorptive osteoclast formation by regulating the actin cytoskeleton［J］．Lasers Med Sci，2014，29:659－670．

［3］ Hideyuki Murayama，Kei Sadakane，Banri Yamanoha，et al．Low－power 808 nm laser orradiation inhibits cell proliferation of a human－derived glioblastoma cell line in vitro［J］．Lasers Med Sci，2012，27:87－93．

［4］ Metin Gungormus，Utkan Akyol．The effect of gallium－aluminum－arsenide 808 nm low－level laser therapy on healing of skin incisions made using a diode laser［J］．Photomedicine and Laser Surgery，2009，27(6):895－899．

［5］ YANG Jichun，LI Yingxin，LIU Tiegen，et al．Effects of low intensity laser irradiation with combination of 635 and 808 nanometers on surgery wound healing［J］．Opto－Electronic Engineering，2012，39(4):121－124．

［6］ PAN Zhenhua，LI Yingxin，WANG Xing，et al．Effects of low level laser therapy on cutaneous wound healings with three doses［J］．Chinese J．Lasers，2010，37(2):599－603．(in Chinese)潘振華，李迎新，王興，等．3種劑量弱激光對大鼠皮膚創傷愈合的影響［J］．中國激光，2010，37(2):599－603．

［7］ ZHANG Guoxiong，HUANG Chunhui．Continously adjustable semiconductor laser diode driver with high stability［J］．Laser＆Infrared，2011，41(2):160－163．(in Chinese)張國雄，黃春暉．一種高穩定連續可調半導體激光器驅動源［J］．激光與紅外，2011，41(2):160－163．

［8］ LI Jianglan，LAN Xuyang，CHEN Haiyang，et al．Design of current supply for high power laser diode［J］．Laser＆Infrared，2014，44(3):309－312．(in Chinese)李江瀾，蘭旭陽，陳海洋，等．大功率半導體激光器用電流源設計［J］．激光與紅外，2014，44(3):309－312．

［9］ Jason Z G．Rainbow three－dimensional camera:new concept of high－speed three－dimensional vision systems［J］．Optical Engineering，1996，35(2):376－383．

［10］LI Jianglan，SHI Yunbo，ZHAO Pengfei，et al．High precision thermostat system with TECfor laser diode［J］．Infrared and Laser Engineering，2014，43(6):599－603．(in Chinese)李江瀾，石云波，趙鵬飛，等．TEC的高精度半導體激光器溫控設計［J］．紅外與激光工程，2014，43(6):1745－1749．

［11］YU Fusheng，SHEN Xiaoqin，LENG Changlin，et al．Finite element analysis of laser－diode heat emission and design of PI fuzzy cooling system［C］//SPIE，2005，5628．189－195．

［12］WANG Enxin，JING Yulan．Status quo and trend of NTC thermistors［J］．Electron Compon Mater，1997，16(4):1－9．(in Chinese)王恩信，荊玉蘭．NTC熱敏電阻器的現狀與發展趨勢［J］．電子元件與材料，1997，16(4):1－9．

［13］WU Zhong．Optimization design for auto temperature control system of semiconductor laser diode［J］．Journal of Anhui Vocational College of Electronics＆Information Technology，2011，10(3):8－11．(in Chinese)吳仲．半導體激光器自動溫度控制系統優化設計［J］．安徽電子信息職業技術學院學報，2011，10(3):8－11．

［14］HU Yang，ZHANG Yajun，YU Jinquan．Design of temperature control circuit for laser diode［J］．Infrared and Laser Engineering，2010，39(5):839－842．(in Chinese)胡楊，張亞軍，于錦泉．用于半導體激光器的溫控電路設計［J］．紅外與激光工程，2010，39(5):839－842．