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自1961年梅曼^[1]發(fā)明第一臺(tái)紅寶石激光器以來(lái)，經(jīng)過(guò)半個(gè)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(cè)量、通信、醫(yī)學(xué)、軍事以及科學(xué)研究等各個(gè)領(lǐng)域。根據(jù)輸出波長(zhǎng)的不同，激光器可分為紅外激光器、可見(jiàn)光激光器、紫外激光器等^[2]。

  其中，紫外激光器是指輸出波長(zhǎng)不大于400nm的激光器，其波長(zhǎng)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(wèn)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1μm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(guó)外關(guān)于全固態(tài)紫外激光器的應(yīng)用始于二十世紀(jì)九十年代。1995年，日本Sony公司的Oka M^[4]等人通過(guò)KTP倍頻和BBO四倍頻得到了1.5W的266nm連續(xù)Nd：YAG紫外激光。隨后，各國(guó)都進(jìn)行了大量研究，先后制造出了功率為12W^[5]至160W^[6]全固態(tài)紫外激光器。國(guó)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(duì)落后。1999年，西安光機(jī)所的陳國(guó)夫^[7]等人利用BBO晶體獲得了266nm的紫外激光輸出，這是國(guó)內(nèi)首次報(bào)道的全固態(tài)紫外激光器。此后，我國(guó)的紫外激光技術(shù)也進(jìn)入了高速發(fā)展時(shí)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(zhǎng)、光束質(zhì)量好以及成本低等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于環(huán)境監(jiān)測(cè)、醫(yī)學(xué)、通訊以及微加工領(lǐng)域。在環(huán)境監(jiān)測(cè)方面，可以利用紫外激光對(duì)大氣對(duì)流層的底層水汽含量和O₃濃度進(jìn)行監(jiān)測(cè)^[8][9]，也可以對(duì)空氣中氣溶膠的分布進(jìn)行測(cè)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(xì)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(tīng)率、高干擾性及非視距等優(yōu)點(diǎn)^[12]；在加工領(lǐng)域，由于紫外激光在加工過(guò)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(lái)，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(lái)越廣泛^[14]。

全固態(tài)紫外激光器的整體效率較低，在LD抽運(yùn)及倍頻、和頻過(guò)程中都會(huì)產(chǎn)生大量熱量。產(chǎn)生的熱量若不及時(shí)釋放，就會(huì)使激光器溫度升高。溫度對(duì)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(huì)引起LD輸出功率不穩(wěn)定，當(dāng)溫度升高時(shí)，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(shí)，溫度變化還會(huì)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(zhǎng)的變化，其波長(zhǎng)隨溫度的漂移為0.3~0.4nm/℃。紫外激光的波長(zhǎng)本來(lái)就較短，少量的漂移都會(huì)引起出光性能的大幅改變。非線性光學(xué)晶體在諧波過(guò)程中也會(huì)吸收基波能量，會(huì)引起晶體通光方向上的局域升溫^[16]。溫度上升會(huì)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(huì)降低。

全固態(tài)紫外激光器的產(chǎn)熱大，且其性能對(duì)溫度很敏感，因此，如果及時(shí)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(wèn)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(jī)，溫度精度控制通過(guò)熱氣旁通的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)。在熱氣旁通閥切換的過(guò)程中，壓縮機(jī)系統(tǒng)的制冷或制熱都會(huì)有一定的過(guò)沖，因此冷水機(jī)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(lái)吸收熱量或冷量的過(guò)沖，這種冷水機(jī)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(duì)全固態(tài)紫外激光器的溫度控制方法進(jìn)行了研究。

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(guò)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(jī)、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(jìn)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(guò)這種方式，就實(shí)現(xiàn)了激光器的散熱。圖中的壓縮機(jī)為直流變頻壓縮機(jī)，需要借助驅(qū)動(dòng)器將直流電轉(zhuǎn)換成三相交流電之后才能工作。

對(duì)于固定的系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，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(guò)上述的制冷系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，水的加熱可以通過(guò)布置在水箱內(nèi)部的電熱管來(lái)實(shí)現(xiàn)。溫度傳感器將感應(yīng)到的水溫信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換之后反饋給單片機(jī)（MCU），單片機(jī)根據(jù)當(dāng)前實(shí)際水溫和所需目標(biāo)溫度的關(guān)系，通過(guò)輸出電路來(lái)控制壓縮機(jī)和電熱管的工作，以實(shí)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(shí)現(xiàn)人機(jī)對(duì)話。使用者可以通過(guò)控制模塊實(shí)時(shí)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。

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(jī)只能通過(guò)啟停或熱氣旁通的方式來(lái)控制系統(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(jī)，體積小、重量輕、效率高，最重要的是能在很大范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)無(wú)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(jī)型號(hào)為CS-MCQ-19241100（圖2），該壓縮機(jī)重量約850g，直徑56mm，其制冷量和轉(zhuǎn)速的關(guān)系如圖3所示。

圖2  壓縮機(jī)CS-MCQ-19241100

Fig. 2   Compressor CS-MCQ-19241100

圖3  壓縮機(jī)制冷量曲線

Fig.3   Refrigerating capacity of compressor CS-MCQ-19241100

從圖3可以看出，壓縮機(jī)制冷量隨著轉(zhuǎn)速的升高而增大。控制模塊通過(guò)內(nèi)部程序計(jì)算出壓縮機(jī)當(dāng)前所需轉(zhuǎn)速，通過(guò)D/A轉(zhuǎn)換電路將數(shù)字轉(zhuǎn)速信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)，再降該模擬信號(hào)傳輸給壓縮機(jī)驅(qū)動(dòng)器。驅(qū)動(dòng)器根據(jù)轉(zhuǎn)速信號(hào)調(diào)節(jié)其輸出的交流電頻率，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速的控制。

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

由于壓縮機(jī)屬于機(jī)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(shí)間才能體現(xiàn)到制冷量上。對(duì)于水箱較小的水冷系統(tǒng)，在熱容不大的情況下，對(duì)壓縮機(jī)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(dòng)，需要通過(guò)加熱裝置對(duì)水溫進(jìn)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(shí)候不工作，這時(shí)溫度控制系統(tǒng)是處于空載待機(jī)狀態(tài)，即使將壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)到最低，水溫還是會(huì)一直下降至目標(biāo)溫度以下，關(guān)閉壓縮機(jī)將會(huì)引起水溫更大的波動(dòng)。

水箱中內(nèi)置的電熱管能完美解決上述問(wèn)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(guò)氧化鎂陶瓷均勻地傳導(dǎo)至電熱管表面。將電熱管浸沒(méi)在水中，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)水的加熱。通過(guò)對(duì)電熱管的輸入電壓進(jìn)行PWM調(diào)節(jié)，可以對(duì)其發(fā)熱功率實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)控制。

全固態(tài)紫外激光器的最佳工作溫度一般在20~30℃之間，實(shí)際測(cè)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(xì)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(shí)阻值為100Ω，在常溫區(qū)間內(nèi)具有很好的線性度。在Pt100兩端加上一個(gè)恒流源，溫度采樣電路在其兩端測(cè)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(cè)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(shí)際溫度。將Pt100浸入水箱中，就能實(shí)時(shí)檢測(cè)水溫，檢測(cè)到的電壓信號(hào)經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后傳輸給MCU進(jìn)行分析和處理。

系統(tǒng)通過(guò)調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電熱管開(kāi)關(guān)的PWM參數(shù)，控制制冷量和加熱量，最終使水溫達(dá)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(duì)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(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試來(lái)確定，因此無(wú)法用一個(gè)精確的數(shù)學(xué)模型來(lái)控制系統(tǒng)的工作。PID算法簡(jiǎn)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(jì)算出比例、積分、微分控制量來(lái)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的工作。PID的工作流程如圖4所示，在每個(gè)時(shí)間步長(zhǎng)內(nèi)，系統(tǒng)先對(duì)水溫誤差進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)誤差進(jìn)行PID計(jì)算，然后得出壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電熱管功率的調(diào)節(jié)量。如此反復(fù)進(jìn)行，直至溫度誤差控制在精度要求范圍內(nèi)，此時(shí)水溫達(dá)到穩(wěn)定。P、I、D參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響很大，工程上一般依靠經(jīng)驗(yàn)并結(jié)合試驗(yàn)的方法對(duì)其進(jìn)行整定。本文采用臨界比例度法進(jìn)行PID參數(shù)整定。

圖4  PID流程

Fig.4   Flow chart of PID

系統(tǒng)控制流程如圖5所示。當(dāng)系統(tǒng)剛開(kāi)機(jī)時(shí)，若水溫高于目標(biāo)溫度1℃以上，則開(kāi)啟制冷系統(tǒng)，使壓縮機(jī)全速運(yùn)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(kāi)啟電熱管，使水溫快速升高。當(dāng)水溫進(jìn)入目標(biāo)溫度±1℃范圍后，采用PID算法對(duì)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速和電熱管功率進(jìn)行實(shí)時(shí)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(zhǎng)的穩(wěn)定時(shí)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(jìn)行精調(diào)，大大縮短了穩(wěn)定時(shí)間。

對(duì)某型號(hào)10W紫外激光器進(jìn)行了溫控試驗(yàn)。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?jī)H1L。設(shè)定目標(biāo)溫度為25℃，激光器和溫控系統(tǒng)同時(shí)開(kāi)啟，圖6記錄了系統(tǒng)從開(kāi)機(jī)到穩(wěn)定的水溫變化全過(guò)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(shí)間較短，僅6分鐘。穩(wěn)定后，水溫維持在25±0.01℃，這說(shuō)明此溫控系統(tǒng)的精度可以達(dá)到了0.01℃。水溫穩(wěn)定后，激光器工作溫度也是穩(wěn)定的。

溫度對(duì)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(duì)該激光器設(shè)計(jì)了一種基于微型直流壓縮機(jī)制冷系統(tǒng)和電熱補(bǔ)償相耦合的溫度控制方法。通過(guò)對(duì)微型直流變頻壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速和輔助電熱設(shè)備的功率進(jìn)行控制，實(shí)現(xiàn)對(duì)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(jī)制冷技術(shù)，制成的溫控系統(tǒng)體積小、重量輕、效率高，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)響應(yīng)速度快，穩(wěn)定時(shí)間短，且溫控精度很高，能達(dá)到0.01℃。

與常規(guī)冷水機(jī)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(shì)，同時(shí)因系統(tǒng)內(nèi)部使用的壓縮機(jī)為直流壓縮機(jī)，非常適合冷卻系統(tǒng)匹配不同國(guó)家的電源制式，其通用性更強(qiáng)。與TEC電子制冷相比，壓縮機(jī)系統(tǒng)制冷能力更大，能效比更高，在長(zhǎng)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(shí)機(jī)器內(nèi)部自帶加熱控制，可在冬季初始使用時(shí)快速預(yù)熱。目前該系統(tǒng)設(shè)計(jì)成本隨著微型壓縮機(jī)成本的降低也已經(jīng)可以和TEC制冷或同制冷量級(jí)別的壓縮機(jī)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(shì)，具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。

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                                               來(lái)源：《激光與紅外》雜質(zhì) 第51卷 第10期

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