LD泵浦Nd-YAG激光器控制系统设计
目录
目录
1绪论 (1)
1.1课题研究背景及意义 (1)
1.2国内外研究进展 (3)
1.2.1激光器温度稳定控制国内外研究现状 (3)
1.2.2激光器功率稳定控制国内外研究现状 (4)
1.3论文主要研究内容 (5)
2LD泵浦Nd:YAG激光器控制系统的方案设计 (7)
2.1LD泵浦Nd:YAG激光器基本工作原理 (7)
2.1.1LD泵浦Nd:YAG激光器结构 (7)
2.1.2LD泵浦Nd：YAG激光器原理 (8)
2.2激光功率稳定性分析 (11)
2.2.1LD工作特性 (11)
2.2.2Nd:YAG晶体工作特性 (13)
2.3控制系统方案设计 (14)
2.3.1控制系统方案 (14)
2.3.2控制系统可行性分析 (15)
2.4本章小结 (16)
3控制系统硬件设计 (17)
3.1LD驱动电源设计 (17)
3.1.1单片机控制部分 (17)
3.1.2恒流源电路 (19)
3.1.3LD保护电路 (22)
3.2温度稳定控制系统设计 (23)
3.2.1温度稳定控制 (23)
3.2.2温度采集系统 (23)
3.2.3温度控制系统 (27)
3.3功率稳定控制系统设计 (31)
3.4显示电路设计 (32)
3.5JTAG调试 (33)
3.6串口通讯 (33)
3.7本章小结 (34)
4控制系统软件设计 (35)
4.1主程序模块 (35)
4.2子程序模块 (36)
I
西安理工大学硕士学位论文
II
4.2.1电流源模块 (36)
4.2.2温度采集和控制模块 (37)
4.2.3功率采集和控制模块 (38)
4.3控制算法 (38)
4.3.1PID控制 (39)
4.3.2数字PID控制及参数整定 (39)
4.4本章小结 (42)
5控制系统实验研究 (43)
5.1恒流源实验分析 (43)
5.1.1恒流源可行性分析 (43)
5.1.2电流源测试分析 (44)
5.2温度控制结果分析 (46)
5.2.1LD温度稳定控制 (46)
5.2.2实验结果分析 (47)
5.3本章小结 (48)
6总结与展望 (49)
致谢 (51)
参考文献 (53)
附录1：电流检测设置程序 (57)
附录2：温度检测及控制程序 (60)
绪论
1绪论
1.1课题研究背景及意义
50多年来，激光以其方向性好、亮度高和相干性好的显著特性而获得迅速发展和广泛应用[1]。激光器种类有很多，按工作物质划分有气体激光器（He-Ne、Ar+、CO2等）、半导体激光器（GaAs、InGaAsP/InP等）、固体激光器（Nd:YAG、Nd玻璃、红宝石等）、自由电子激光器等。世界上第一台激光器——红宝石激光器就是固体激光器。
固体激光器输出光的光束质量比较高，且有很好的相干性，光谱线宽和光束发散角都比半导体激光器小。同时还具有结构紧凑、可靠耐用、能量大和功率高的优点，因而得到了广泛应用。固体激光器是以掺杂离子的绝缘晶体或玻璃作为工作物质，通过半导体激光器阵列、灯、其它激光器光照泵浦激发工作物质得到激光。传统固体激光器采用气体放电灯（连续氪灯或脉冲氙灯）作为外部泵浦源，虽然放电灯有制作工艺简单、使用范围广等优点，但也有如下缺点：
（1）泵浦效率很低，其主要原因是气体放电灯的光谱线很宽，而激光工作物质的吸收谱线又很窄，大量的泵浦光不能被激光工作物质所吸收。
（2）激光器可靠性差，寿命变短。使用一段时间后，放电灯管壁会发黑、龟裂，输出会下降，可靠性变差，不能正常启动，对生产很不利。
后来发展的全固态激光器是以半导体激光二极管（LD）或激光二极管阵列作为泵浦源，弥补了灯泵浦的缺点[2]，分为如下3点描述：
（1）半导体激光二极管具有体积小、重量轻、转换效率高、输入电压小和寿命长等优点，在性能稳定和结构紧凑的全固态激光器中作为泵浦，能实现长寿命工作和高光束质量、高稳定性、高功率输出。
（2）泵浦源的光谱线很窄，可以与固体激光介质的吸收光谱相匹配，显著提高了泵浦和激光器的效率。已经成为了固体激光器发展研究的一个方向，具有非常广阔的应用前景。
（3）全固态激光器一般由泵浦源、耦合光学系统、激光谐振腔和固体激光介质等部分组成，该类型激光器具有高效率、稳定性好、长寿命、体积小和光束质量好的优点，在军事、医疗和科学研究等领域具有广泛的用途，还常用于测距、跟踪、大气检测和激光传感等方面。
LD泵浦固体激光器的研究从上世纪六十年代就已开始。1962年GaAs二极管激光器问世不久，R.Newman就提出了LD泵浦的固体激光器，也就是全固态激光器的思想。在1963年他用砷化镓（GaAs）发光二极管泵浦掺钕离子钨酸钙晶体（Nd:CaWO4），发现了1064nm的受激荧光。之后在1964年，美国林肯实验室展示了第一台LD泵浦固体激光器，工作物质是GaF2:U3+，输出波长是2.613μm。
Nd：YAG晶体是70年代初普遍采用的Nd3+激光基质。1968年麦道宇航公司的Ross
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