熊偉國,朱元成,2

(1.深圳市酷凌時代科技有限公司,廣東 深圳 518000;2.清華大學(xué)深圳國際研究生院,廣東 深圳 518000)

1 全固態(tài)紫外激光器及其發(fā)展

自1961年梅曼[1]發(fā)明第一臺紅寶石激光器以來,經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究和探索,激光技術(shù)取得了迅猛發(fā)展并廣泛應(yīng)用于工業(yè)、農(nóng)業(yè)、測量、通信、醫(yī)學(xué)、軍事以及科學(xué)研究等各個領(lǐng)域。根據(jù)輸出波長的不同,激光器可分為紅外激光器、可見光激光器、紫外激光器等[2]。

其中,紫外激光器是指輸出波長不大于400 nm的激光器,其波長短、能量集中、分辨率高,根據(jù)泵浦方式不同可分為以下幾種:氣體激光器、準(zhǔn)分子激光器、半導(dǎo)體激光器、燈泵浦的固體激光器和LD泵浦的固體激光器等。其中,LD泵浦的固體激光器也叫全固態(tài)激光器。二十世紀(jì)主要使用的紫外激光器為氣體激光器和準(zhǔn)分子激光器,都存在體積大、效率低、可靠性有限、壽命短、成本高等問題[3]。

全固態(tài)紫外激光器采用激光二極管(LD)作為泵浦,利用激光晶體產(chǎn)生1 μm左右的紅外光,然后經(jīng)非線性光學(xué)晶體的倍頻或和頻效應(yīng)得到紫外激光。國外關(guān)于全固態(tài)紫外激光器的應(yīng)用始于20世紀(jì)90年代。1995年,日本Sony公司的Oka M[4]等人通過KTP倍頻和BBO四倍頻得到了1.5 W的266 nm連續(xù)Nd∶YAG紫外激光。隨后,各國都進行了大量研究,先后制造出了功率為12 W[5]至160 W[6]全固態(tài)紫外激光器。國內(nèi)關(guān)于全固態(tài)紫外激光器的研究起步較晚,水平相對落后。1999年,西安光機所的陳國夫[7]等人利用BBO晶體獲得了266 nm的紫外激光輸出,這是國內(nèi)首次報道的全固態(tài)紫外激光器。此后,我國的紫外激光技術(shù)也進入了高速發(fā)展時期。

全固態(tài)紫外激光器具有體積小、結(jié)構(gòu)緊湊、效率高、壽命長、光束質(zhì)量好以及成本低等優(yōu)點,廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測、醫(yī)學(xué)、通訊以及微加工領(lǐng)域。在環(huán)境監(jiān)測方面,可以利用紫外激光對大氣對流層的底層水汽含量和O3濃度進行監(jiān)測[8-9],也可以對空氣中氣溶膠的分布進行測定[10]；在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域,臨床上可以利用紫外激光的高能量特性直接打斷組織細胞之間的分子鍵,從而避免組織熱損傷[11]；在通訊領(lǐng)域,紫外激光通訊具有低竊聽率、高干擾性及非視距等優(yōu)點[12]；在加工領(lǐng)域,由于紫外激光在加工過程中直接破壞化學(xué)鍵的冷加工特性,因此能夠?qū)崿F(xiàn)精密復(fù)雜結(jié)構(gòu)的加工[13]。近年來,隨著深紫外及真空紫外技術(shù)的興起,全固態(tài)紫外激光器的應(yīng)用越來越廣泛[14]。

2 全固態(tài)紫外激光器溫度控制現(xiàn)狀

全固態(tài)紫外激光器的整體效率較低,在LD抽運及倍頻、和頻過程中都會產(chǎn)生大量熱量。產(chǎn)生的熱量若不及時釋放,就會使激光器溫度升高。溫度對固態(tài)紫外激光器的性能影響很大,主要影響LD泵浦和非線性晶體。溫度變化會引起LD輸出功率不穩(wěn)定,當(dāng)溫度升高時,LD輸出功率隨之增大[15]。溫度不穩(wěn)甚至?xí)l(fā)LD模式跳躍現(xiàn)象。同時,溫度變化還會使激光晶體的折射率、形狀和體積發(fā)生變化,從而引起LD輸出波長的變化,其波長隨溫度的漂移為(0.3～0.4)nm/℃。紫外激光的波長本來就較短,少量的漂移都會引起出光性能的大幅改變。非線性光學(xué)晶體在諧波過程中也會吸收基波能量,會引起晶體通光方向上的局域升溫[16]。溫度上升會使非線性光學(xué)晶體的折射率發(fā)生變化,輸出光束質(zhì)量和倍頻效率都會降低。

全固態(tài)紫外激光器的產(chǎn)熱大,且其性能對溫度很敏感,因此,如果及時散出激光器產(chǎn)生的熱量并維持其溫度的穩(wěn)定性就成了激光行業(yè)中必須要解決的問題。傳統(tǒng)的風(fēng)扇散熱效率低且可控性差,不適合作為全固態(tài)紫外激光器的散熱方式。目前常用的方法主要有TEC制冷片散熱和水冷散熱。采用PID控制的TEC散熱方式已經(jīng)可以做到溫控精度±0.01 ℃[17],但是TEC普遍效率很低且穩(wěn)定性差,很難大規(guī)模應(yīng)用。傳統(tǒng)水冷散熱一般都要借助于用蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)制成的冷水機,溫度精度控制通過熱氣旁通的方法來實現(xiàn)。在熱氣旁通閥切換的過程中,壓縮機系統(tǒng)的制冷或制熱都會有一定的過沖,因此冷水機很難做到很高的精度。要做到高精度,就必須采用很大的水箱,利用水的熱容來吸收熱量或冷量的過沖,這種冷水機體積大、成本高。

本文采用變頻蒸氣壓縮式制冷系統(tǒng)和電熱耦合的方式,利用水冷系統(tǒng),對全固態(tài)紫外激光器的溫度控制方法進行了研究。

3 溫度控制原理

全固態(tài)紫外激光器的溫度控制系統(tǒng)原理框圖如圖1所示。

圖1 控制系統(tǒng)原理框圖Fig.1 Schematic diagram of control system

激光器放置在熱沉上,其產(chǎn)生的熱量通過接觸傳導(dǎo)至熱沉。熱沉內(nèi)部有水通道,與水泵、水箱、換熱器構(gòu)成水循環(huán)。換熱器中有2組通道,一組為水通道,一組為冷媒通道,冷媒通道與壓縮機、冷凝器、節(jié)流閥組成制冷系統(tǒng)。水將熱沉吸收的激光器的熱量傳送至換熱器,冷媒和水在換熱器中進行間壁式熱交換,并最終將熱量傳送至冷凝器,冷凝器在風(fēng)扇的作用下將熱量釋放到環(huán)境中去。通過這種方式,就實現(xiàn)了激光器的散熱。圖中的壓縮機為直流變頻壓縮機,需要借助驅(qū)動器將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電之后才能工作。

對于固定的系統(tǒng)來說,只需要保持水溫的穩(wěn)定,就能確保激光器溫度的穩(wěn)定。水的冷卻通過上述的制冷系統(tǒng)來實現(xiàn),水的加熱可以通過布置在水箱內(nèi)部的電熱管來實現(xiàn)。溫度傳感器將感應(yīng)到的水溫信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后反饋給單片機(MCU),單片機根據(jù)當(dāng)前實際水溫和所需目標(biāo)溫度的關(guān)系,通過輸出電路來控制壓縮機和電熱管的工作,以實現(xiàn)水溫的穩(wěn)定。在控制模塊中,還設(shè)置有顯示屏和觸摸感應(yīng)電路,可實現(xiàn)人機對話。使用者可以通過控制模塊實時觀察到水溫以及溫度控制系統(tǒng)的工作情況,也能根據(jù)需要設(shè)定目標(biāo)溫度。

4 硬件選型與功能實現(xiàn)

4.1 制冷系統(tǒng)

蒸氣壓縮式制冷是目前效率最高的制冷方式。常規(guī)的交流壓縮機只能通過啟?；驘釟馀酝ǖ姆绞絹砜刂葡到y(tǒng)的制冷量或加熱量,可控性差且精度不高。本文采用直流變頻壓縮機,體積小、重量輕、效率高,最重要的是能在很大范圍內(nèi)實現(xiàn)無極變速,轉(zhuǎn)速越高,制冷量越大,因此系統(tǒng)的制冷量十分可控。選定的壓縮機型號為CS-MCQ-19241100(圖2),該壓縮機重量約850 g,直徑56 mm,其制冷量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。

圖2 壓縮機CS-MCQ-19241100Fig.2 Compressor CS-MCQ-19241100

圖3 壓縮機制冷量曲線Fig.3 Refrigerating capacity of compressor CS-MCQ-19241100

從圖3可以看出,壓縮機制冷量隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大?？刂颇K通過內(nèi)部程序計算出壓縮機當(dāng)前所需轉(zhuǎn)速,通過D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字轉(zhuǎn)速信號轉(zhuǎn)換成模擬信號,再降該模擬信號傳輸給壓縮機驅(qū)動器。驅(qū)動器根據(jù)轉(zhuǎn)速信號調(diào)節(jié)其輸出的交流電頻率,這樣就實現(xiàn)了對壓縮機轉(zhuǎn)速的控制。

冷凝器、換熱器等都選用常用的高效率類型,節(jié)流閥可選用毛細管,這樣就制成了完整的制冷系統(tǒng)。

4.2 加熱裝置

由于壓縮機屬于機械裝置,控制程序?qū)ζ涞霓D(zhuǎn)速指令都需要一定的響應(yīng)時間才能體現(xiàn)到制冷量上。對于水箱較小的水冷系統(tǒng),在熱容不大的情況下,對壓縮機轉(zhuǎn)速的調(diào)節(jié)雖然可以將水溫控制在很小的范圍之內(nèi),但還是有可能存在波動,需要通過加熱裝置對水溫進行精調(diào)。另外,激光器的工作并不是一直穩(wěn)定的,甚至有時候不工作,這時溫度控制系統(tǒng)是處于空載待機狀態(tài),即使將壓縮機轉(zhuǎn)速調(diào)到最低,水溫還是會一直下降至目標(biāo)溫度以下,關(guān)閉壓縮機將會引起水溫更大的波動。

水箱中內(nèi)置的電熱管能完美解決上述問題。在中空的不銹鋼管內(nèi)部布置螺旋狀的電阻絲,空隙中填充高溫氧化鎂。電阻絲通電后發(fā)熱,熱量通過氧化鎂陶瓷均勻地傳導(dǎo)至電熱管表面。將電熱管浸沒在水中,這樣就實現(xiàn)了對水的加熱。通過對電熱管的輸入電壓進行PWM調(diào)節(jié),可以對其發(fā)熱功率實現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

4.3 溫度信號的采集

全固態(tài)紫外激光器的最佳工作溫度一般在(20～30)℃之間,實際測量水溫在(0～40)℃范圍內(nèi)。該溫度區(qū)間屬于常溫范圍,大部分的溫度傳感器都能滿足要求。高溫控精度需要溫度傳感器在此區(qū)間內(nèi)有高精度、較大的溫度系數(shù)和較好的線性度。本文選用三線制的不銹鋼封裝的Pt100溫度傳感器,其內(nèi)部由很細的鉑絲繞在云母支架上制成。Pt100的電阻隨溫度而變化,在0 ℃時阻值為100 Ω,在常溫區(qū)間內(nèi)具有很好的線性度。在Pt100兩端加上一個恒流源,溫度采樣電路在其兩端測出電壓差,從而就能得到其電阻,然后再根據(jù)Pt100自身的電阻特性線性插值得到其探測到的溫度。三線制的使用可以排除線上電阻的影響,從而更精確地得到實際溫度。將Pt100浸入水箱中,就能實時檢測水溫,檢測到的電壓信號經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給MCU進行分析和處理。

4.4 PID控制系統(tǒng)

系統(tǒng)通過調(diào)節(jié)壓縮機轉(zhuǎn)速和電熱管開關(guān)的PWM參數(shù),控制制冷量和加熱量,最終使水溫達到穩(wěn)定。由于激光器的工作并不是穩(wěn)定的,且環(huán)境因素的不確定性對制冷系統(tǒng)的影響很大,系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和參數(shù)必須依靠經(jīng)驗和現(xiàn)場調(diào)試來確定,因此無法用一個精確的數(shù)學(xué)模型來控制系統(tǒng)的工作。PID算法簡單、魯棒性好、可靠性高,是最適合本系統(tǒng)的控制策略之一,它根據(jù)系統(tǒng)的誤差,計算出比例、積分、微分控制量來調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作。PID的工作流程如圖4所示,在每個時間步長內(nèi),系統(tǒng)先對水溫誤差進行計算,再對誤差進行PID計算,然后得出壓縮機轉(zhuǎn)速和電熱管功率的調(diào)節(jié)量。如此反復(fù)進行,直至溫度誤差控制在精度要求范圍內(nèi),此時水溫達到穩(wěn)定。P、I、D參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響很大,工程上一般依靠經(jīng)驗并結(jié)合試驗的方法對其進行整定。本文采用臨界比例度法進行PID參數(shù)整定。

圖4 PID流程Fig.4 Flow chart of PID

5 系統(tǒng)控制流程

系統(tǒng)控制流程如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)剛開機時,若水溫高于目標(biāo)溫度1 ℃以上,則開啟制冷系統(tǒng),使壓縮機全速運行,將水溫快速降低；若水溫低于目標(biāo)溫度1 ℃以上,則滿功率開啟電熱管,使水溫快速升高。當(dāng)水溫進入目標(biāo)溫度±1 ℃范圍后,采用PID算法對壓縮機轉(zhuǎn)速和電熱管功率進行實時調(diào)控,最終使水溫穩(wěn)定。

圖5 系統(tǒng)控制流程Fig.5 Flow chart of system control

PID算法控制精度高,但需要較長的穩(wěn)定時間。本文所采用的控制策略,先將水溫快速控制在目標(biāo)溫度附近,再用PID算法進行精調(diào),大大縮短了穩(wěn)定時間。

6 實驗結(jié)果與分析

對某型號10 W紫外激光器進行了溫控試驗。采用了前文所述的制冷系統(tǒng)、電熱器件等功能單元及控制算法,系統(tǒng)循環(huán)水量僅1 L。設(shè)定目標(biāo)溫度為25 ℃,激光器和溫控系統(tǒng)同時開啟,圖6記錄了系統(tǒng)從開機到穩(wěn)定的水溫變化全過程。

圖6 溫度控制系統(tǒng)響應(yīng)圖Fig.6 Response graph of temperature control system

從圖中可以看出,系統(tǒng)穩(wěn)定時間較短,僅6 min。穩(wěn)定后,水溫維持在(25±0.01)℃,這說明此溫控系統(tǒng)的精度可以達到了0.01 ℃。水溫穩(wěn)定后,激光器工作溫度也是穩(wěn)定的。

7 結(jié) 語

溫度對全固態(tài)紫外激光器的輸出特性起著至關(guān)重要的作用,本文針對該激光器設(shè)計了一種基于微型直流壓縮機制冷系統(tǒng)和電熱補償相耦合的溫度控制方法。通過對微型直流變頻壓縮機的轉(zhuǎn)速和輔助電熱設(shè)備的功率進行控制,實現(xiàn)對激光器冷卻系統(tǒng)水溫的精確調(diào)控。用該方法采用微型變頻壓縮機制冷技術(shù),制成的溫控系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高,實驗結(jié)果表明,系統(tǒng)響應(yīng)速度快,穩(wěn)定時間短,且溫控精度很高,能達到0.01 ℃。

與常規(guī)冷水機相比,該系統(tǒng)具有體積小、重量輕、制冷精度高的突出優(yōu)勢,同時因系統(tǒng)內(nèi)部使用的壓縮機為直流壓縮機,非常適合冷卻系統(tǒng)匹配不同國家的電源制式,其通用性更強。與TEC電子制冷相比,壓縮機系統(tǒng)制冷能力更大,能效比更高,在長期持續(xù)使用中能大大降低用戶的能耗,降低使用成本。同時機器內(nèi)部自帶加熱控制,可在冬季初始使用時快速預(yù)熱。目前該系統(tǒng)設(shè)計成本隨著微型壓縮機成本的降低也已經(jīng)可以和TEC制冷或同制冷量級別的壓縮機想抗衡。隨著紫外激光器在打標(biāo)、精密切割等行業(yè)的大量應(yīng)用,該方法兼具體積小、重量輕、精度好、能效高、成本低等諸多優(yōu)勢,具有很高的實用價值和推廣意義。