用于SERF原子磁力仪的DFB激光器温度控制系统

陈晨; 秦佳男; 张雪; 林君; 王言章

doi:10.3788/IRLA201645.1205004

用于SERF原子磁力仪的DFB激光器温度控制系统

doi: 10.3788/IRLA201645.1205004

陈晨^1,2,
秦佳男^1,2,
张雪^1,2,
林君^1,2,
王言章^1,2, ,

1.
吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春 130061;
2.
吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室,吉林长春 130061

基金项目:

国家自然科学基金（61403160）;第55批中国博士后面上基金（2014M551194）;吉林省科技厅项目（20150414052GH，20140520118JH）;地球信息探测仪器教育部重点实验室基本科研业务费（450060521038）

详细信息

作者简介:
陈晨(1983-),男,副教授,博士,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:cchen@jlu.edu.cn

通讯作者: 王言章(1979-),男,教授,博士生导师,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:yanzhang@jlu.edu.cn

中图分类号: TP271.5

Temperature controller for DFB laser utilized in SERF atomic magnetometer

Chen Chen^1,2,
Qin Jianan^1,2,
Zhang Xue^1,2,
Lin Jun^1,2,
Wang Yanzhang^{1,2
, ,}

1.
College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061,China;
2.
Key Laboratory for Geophysical Instrumentation of Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130061,China

摘要: 由于分布反馈式（DFB）激光器的工作温度会影响其激射波长，降低无自旋交换弛豫（SERF）原子磁力仪的磁场测量灵敏度，以TMS320LF2812为核心控制器，采用数字比例-积分-微分（PID）控制技术，设计并研制了一种高精度、高稳定性DFB激光器温度控制系统。在硬件电路设计方面，由温度控制前向通路和温度采集后向通路组成，构成完整的闭环温度控制结构。软件设计中，采用Ziegler-Nichols工程整定方法，实现对P、I和D三个参数的整定。以中心波长为852 nm的DFB激光器为被控对象，利用该温度控制系统对其进行了温度控制实验。实验结果表明：系统的有效控温范围为5～60℃，控温精度为0.02℃，稳定时间为20 s。并且在长时间（220 min）测试中，DFB激光器工作温度稳定性优于7.910-4（RMS），为其在SERF原子磁力仪的实用化方面提供了性能保障。
- 分布反馈式激光器 /
- 数字比例-积分-微分(PID)控制技术 /
- Ziegler-Nichols工程整定方法 /
- 温度控制系统
Abstract: As the working temperature can affect emitting wavelength of distributed feedback(DFB) laser and reduce measurement sensitivity of magnetic field of Spin-Exchange-Relaxation-Free(SERF) atomic magnetometer, a DFB lasers' temperature controller with high-precision and high stability was designed and developed by using digital proportional-integral-differential(PID) control technology, which is based on TMS320LF2812 core controller. In terms of hardware design, the temperature controller consists of temperature control forward pathway and temperature acquisition backward pathway to form a complete closed-loop temperature control structure. In consideration of software design, the three parameters P, I and D are determined by using Ziegler-Nichols engineering setting method. Using the aforementioned temperature controller, a temperature controlling test was performed on a DFB laser with a center wavelength at 852 nm. Experimental results indicate that, the control scale is 5-60℃, the accuracy is 0.02℃, and the control procedure is 20 s. Meanwhile, the stability of working temperature is better than 7.910-4(RMS) during long term(220 min) running, which provides performance guarantee for SERF atomic magnetometer in practical application.

[1]	Shan Xiaonan, Liu Yun, Cao Junsheng. 808 nm kW-output high-efficiency diode laser sources[J]. Opt Precision Eng, 2011, 19(2):452-456. (in Chinese)
[2]	Chen Chen, Dang Jingmin, Huang Jianqiang, et al. DFB laser temperature control system with high stability and strong robustness[J]. Journal of Jilin University Engineering and Technology Edition, 2013, 43(4):1004-1010.(in Chinese)
[3]	Xia Jinbao, Liu Zhaojun, Zhang Sasa, et al. Design of semiconductor laser quick temperature control system[J]. Infrared and Laser Engineering, 2015, 44(7):1991-1995. (in Chinese)
[4]	Li Jianglan, Shi Yunbo, Zhao Pengfei, et al. High precision thermostat system with TEC for laser diode[J]. Infrared and Laser Engineering, 2014, 43(6):1745-1748. (in Chinese)
[5]	Chen Chen, Newcomb Robert W, Wang Yiding. A trace methane gas sensor using mid-infrared quantum cascaded laser at 7.5m[J]. Applied Physics B:Lasers and Optics, 2013, 113(4):491-501.
[6]	Zou Wendong, Ye Qin, Xie Haihe, et al. LD temperature control based on TMS320F2812[J]. Infrared and Laser Engineering, 2008, 37(4):642-645. (in Chinese)
[7]	Chen Chen, Wang Biao, Li Chunguang, et al. A trace gas sensor using mid-infrared quantum cascaded laser at 4.8m to detect carbon monoxide[J]. Spectroscope and Spectral Analysis, 2014, 34(3):838-842. (in Chinese)
[8]	Tian Xiaojian, Shang Zuguo, Gao Bo, et al. Control system for 980 nm high stability laser pump source[J]. Optics and Precision Engineering, 2015, 23(4):982-987. (in Chinese)
[9]	Cong Menglong, Li Li, Cui Yansong, et al. Design of high stability digital control driving system for semiconductor laser[J]. Optics and Precision Engineering, 2010,18(7):1629-1636. (in Chinese)
[10]	Tong Cunzhu, Wang Lijie, Tian Sicong, et al. Study on Bragg reflection waveguide diode laser[J]. Chinese Optics, 2015, 8(3):480-498.
[11]	Tian Zhenhua, Sun Chenglin, Cao Junsheng, et al. Junction temperature measurement of high power diode lasers[J]. Optics and Precision Engineering, 2011, 19(6):1244-1249. (in Chinese)
[12]	Fu Xihong. Diode-pumped all-solid-state sum-frequency mixing laser at 608.1 nm[J]. Chinese Optics, 2015, 8(5):794-799. (in Chinese)

[1]	乔志刚, 高德辛, 张牧子, 赵姗姗, 巫佳利, 苏娟, 陈胜功, 景超, 刘海玲, 杨博, 吴锜. 用于温度传感器原位在线校准的水三相点自动复现控制系统 . 红外与激光工程, 2024, 53(4): 20240096-1-20240096-4. doi: 10.3788/IRLA20240096
[2]	姜炎坤, 朴亨, 王鹏, 李恒宽, 李峥, 王彪, 白晖峰, 陈晨. 采用线性自抗扰技术的高精度温度控制系统研制 . 红外与激光工程, 2023, 52(2): 20210813-1-20210813-6. doi: 10.3788/IRLA20210813
[3]	郭兰杰, 马文坡, 王淳, 林喆, 王浩. 傅里叶光谱仪平动式光程扫描控制系统设计 . 红外与激光工程, 2020, 49(1): 0105002-0105002(7). doi: 10.3788/IRLA202049.0105002
[4]	侯月, 黄克谨. 用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制 . 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20190525-1-20190525-7. doi: 10.3788/IRLA20190525
[5]	许绘香, 孔国利. 采用Ziegler-Nichols-PID算法的激光红外多通池压强控制系统研制 . 红外与激光工程, 2020, 49(9): 20190551-1-20190551-6. doi: 10.3788/IRLA20190551
[6]	杜亚雯, 董全林, 蒲小琴, 李黎明, 张春熹. 基于模糊滑模的激光导引头伺服控制系统仿真分析 . 红外与激光工程, 2019, 48(S2): 31-37. doi: 10.3788/IRLA201948.S213003
[7]	穆叶, 胡天立, 陈晨, 宫鹤, 李士军. 采用模拟PID控制的DFB激光器温度控制系统研制 . 红外与激光工程, 2019, 48(4): 405001-0405001(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0405001
[8]	孔国利, 苏玉. 用于激光气体同位素探测的多通池温度控制系统研制 . 红外与激光工程, 2019, 48(8): 805006-0805006(7). doi: 10.3788/IRLA201948.0805006
[9]	邓永停, 李洪文, 王建立. 提高大口径望远镜控制系统闭环带宽的方法 . 红外与激光工程, 2018, 47(12): 1237001-1237001(9). doi: 10.3788/IRLA201847.1237001
[10]	吕世良, 刘金国, 周怀得, 梅贵. 星载红外探测器快速反射镜控制系统设计 . 红外与激光工程, 2017, 46(9): 904005-0904005(6). doi: 10.3788/IRLA201746.0904005
[11]	刘小强, 任高辉, 邢军智, 寿少峻, 张惠菁. 交互式多模型算法在光电跟踪控制系统中应用的仿真 . 红外与激光工程, 2016, 45(9): 917003-0917003(7). doi: 10.3788/IRLA201645.0917003
[12]	于德洋, 郭立红, 陈飞, 孟范江, 杨贵龙, 邵明振. 高功率TEA CO₂激光器控制系统设计 . 红外与激光工程, 2016, 45(7): 705002-0705002(6). doi: 10.3788/IRLA201645.0705002
[13]	李营营, 江志坤, 王安琪. 用于稳定激光功率的数字控制系统 . 红外与激光工程, 2016, 45(4): 406004-0406004(5). doi: 10.3788/IRLA201645.0406004
[14]	李永倩, 孟祥腾, 安琪, 吕安强, 王跃, 王宇. 电光调制器自适应偏振控制系统设计与实现 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1854-1858.
[15]	夏金宝, 刘兆军, 张飒飒, 邱港. 快速半导体激光器温度控制系统设计 . 红外与激光工程, 2015, 44(7): 1991-1995.
[16]	战俊彤, 付强, 段锦, 张肃, 高铎瑞, 姜会林. 利用位置式数字PID 算法提高DFB 激光器驱动电源稳定性 . 红外与激光工程, 2015, 44(6): 1757-1761.
[17]	张佩杰, 宋克非. 极光成像仪滤光片高精度温度控制系统设计 . 红外与激光工程, 2014, 43(S1): 177-182.
[18]	曹辉, 杨一凤, 刘尚波, 徐金涛, 赵卫. 用于光纤电流传感器SLD光源的温度控制系统 . 红外与激光工程, 2014, 43(3): 920-926.
[19]	戴俊珂, 姜海明, 钟奇润, 谢康, 曹文峰. 基于自整定模糊PID算法的LD温度控制系统 . 红外与激光工程, 2014, 43(10): 3287-3291.
[20]	张亦男, 谈宜东, 张书练. 用于全内腔微片激光器稳频的温度控制系统 . 红外与激光工程, 2012, 41(1): 101-106.

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用于SERF原子磁力仪的DFB激光器温度控制系统

doi: 10.3788/IRLA201645.1205004

作者简介:
陈晨(1983-),男,副教授,博士,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:cchen@jlu.edu.cn

通讯作者: 王言章(1979-),男,教授,博士生导师,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:yanzhang@jlu.edu.cn

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用于SERF原子磁力仪的DFB激光器温度控制系统

doi: 10.3788/IRLA201645.1205004

1. 吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春 130061;

2. 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室,吉林长春 130061

作者简介:
陈晨(1983-),男,副教授,博士,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:cchen@jlu.edu.cn

通讯作者: 王言章(1979-),男,教授,博士生导师,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:yanzhang@jlu.edu.cn

English Abstract

Temperature controller for DFB laser utilized in SERF atomic magnetometer

1. College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061,China;

2. Key Laboratory for Geophysical Instrumentation of Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130061,China

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作者简介: 陈晨(1983-),男,副教授,博士,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:cchen@jlu.edu.cn

通讯作者: 王言章(1979-),男,教授,博士生导师,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:yanzhang@jlu.edu.cn

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用于SERF原子磁力仪的DFB激光器温度控制系统

doi: 10.3788/IRLA201645.1205004

1. 吉林大学 仪器科学与电气工程学院,吉林 长春 130061; 2. 吉林大学 地球信息探测仪器教育部重点实验室,吉林 长春 130061

作者简介: 陈晨(1983-),男,副教授,博士,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:cchen@jlu.edu.cn

通讯作者: 王言章(1979-),男,教授,博士生导师,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:yanzhang@jlu.edu.cn

English Abstract

Temperature controller for DFB laser utilized in SERF atomic magnetometer

1. College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061,China; 2. Key Laboratory for Geophysical Instrumentation of Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130061,China

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陈晨(1983-),男,副教授,博士,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:cchen@jlu.edu.cn

1. 吉林大学仪器科学与电气工程学院,吉林长春 130061;

2. 吉林大学地球信息探测仪器教育部重点实验室,吉林长春 130061

作者简介:
陈晨(1983-),男,副教授,博士,主要从事弱磁检测系统技术及应用方面的研究。Email:cchen@jlu.edu.cn

1. College of Instrumentation & Electrical Engineering,Jilin University,Changchun 130061,China;

2. Key Laboratory for Geophysical Instrumentation of Ministry of Education,Jilin University,Changchun 130061,China