摘要：半导体激光器在各个领域的应用越来越广泛，具有很好的应用前景。但是半导体激光器的阈值电流、输出功率和输出光波长都很容易受到温度的影响，所以，半导体激光器的使用一般都伴随着对其温度的控制。就目前诸文献显示表明，对半导体激光器的温度控制一般使用的执行器件是半导体制冷器（TEC），半导体制冷器是一种集制冷与制热于一体的电流驱动温度控制装置。对于半导体激光器的温度控制就是实现对 TEC 的精确控制。
关键词：半导体；激光器波；分复用合束技术
近几十年来，随着中国航空航天事业的迅猛发展，光固化壳体成型技术以其压倒性的优势已成为当今世界的主流技术，欧美等发达国家都已相继研制出大型的壳体铺放设备并已投入工业、国防等相关领域。本次研究，采用一种全新的技术－激光固化壳体成型技术取代了传统的电加热式壳体成型技术，使成型效率更高、产品质量更高。在激光固化成型技术中，激光光束的整形和准直技术是研究重点，激光光束所形成的光斑能否达到技术要求，直接影响着产品的质量和生产速率。本文对激光光束的整形和准直系统进行了设计和实验，以解决了激光加热固化壳体成型技术中的关键难题。
1 激光器的选择和参数
1.1激光器的选择
通过对复合材料的熔点和激光器本身的优劣势等诸多分析，最终选用3个bar条的半导体激光器，每个bar条的长度为1cm，宽度为10μm，最高功率可以达到500W。
1.2 参数要求
经过准直聚焦后快轴发散角小于光斑尺寸参数为：12~20mm × 6~10mm；激光光束快轴发散角为4°~5°、慢轴发散角为3°~4°。
2 天基网络接入选择器设计原理
天基网络环境具有复杂性和多样性，其需要较高的通信质量。本文面向天基网络下多颗地球同步轨道卫星覆盖下中低轨卫星的接入场景实施分析 。
2. 1 天基网络接入流程
天基网络的接入流程用图 1 描述。
图 1 天基网络接入流程
从图 1 中可以看出，中低轨的卫星提出接入申请，该申请由地球同步轨道卫星网络端获取，天基网络端对有价值的接入点进行判断，通过激光混合链路时获取有效的接入点，并向发起端反馈消息，最终接入中低轨卫星同选取的地球同步轨道卫星实现接入。地球同步轨道卫星组成的接入侧天基网的激光器接入算法，并通过激光混合链路实现信息的交互，同时在接入决策点内加入天基网络自身的状态信息，接入决策点采用激光混合链路法通过有效的接入点实现接入。
2.2激光位移传感器下接入天基网络次序点选择
接入天基网络问题是一个整数线性规划过程，由于激光器数以及接入次序点数的不断提升，使得传统遗传算法进行遍历检索的复杂度逐渐提升。因此，采用基于激光位移传感器的次优算法，解决传统遗传算法按照局部情况对特定优化目标实施最佳选择时，未全面分析全局最佳解的弊端，也解决了传统遗传算法遍历全部状态检索最佳解时存在的耗时高的问题。采用基于激光位移传感器，阶段选择局部状态，将求解接入天基网络次序优化方案的问题变换成小规模问题，获取最佳加入方案。
3模糊控制方法
模糊控制器中，大多数是选取偏差值 e 以及它的偏差变化率 de/dt 作为模糊控制器的输入变量，而把控制量 u 作为模糊控制器的输出变量，因此，它是一个二维模糊控制器，其结构如图 2：
图 2 模糊控制结构图
这样就确定了模糊控制器的基本结构，由图 2 可知，经采样获得的输入量与期望得到的输出量，由此得到偏差信号 e 和偏差变化率de/dt，这两种信号是准确量，它们作为两个输入信号送入模糊控制器，经过模糊化，两个输入信号变成模糊量集合 E 和 EC，再根据专家经验建立的模糊规则求出模糊关系，然后，再由模糊关系依据输入给出相应的输出 U，这就是推理合成。最后，再模糊判决得到精确的控制量。
模糊控制技术应用于家电产品已是很普遍的现象，但半导体激光器的温度控制使用这种方法还很少见，目前的文献中没有发现做出实物系统的，大多都是基于 simulink 进行的仿真。相关研究中将这种控制方法使用 simulink 进行了仿真，单纯的模糊控制与控制目标没有超调，达到稳态的时间较短，响应时间大约为 4s，稳态误差大约为 1.5%。相关研究中将同样对这种控制方法进行了仿真，结论同样是没有超调，响应时间 3s，稳态误差大约为 1.5%。
模糊控制不存在 PID 方法存在的积分饱和现象。实验调节过程表明，模糊控制较 PID 控制不仅被控对象参数变化适应能力强，具有更快的响应、更小的超调和很强的鲁棒性，而且在对象模型发生较大改变的情况下，也能获得较好的控制效果。
4温度控制策略
4.1当半导体激光器初始工作温度较低或冷却至较高目标温度时，PID控制算法优于模糊控制算法，实验时响应时间小于60 s，误差小于10C;而当半导体激光器被冷却至较低温度例如50C时，模糊控制算法响应时间较快，仅为95 s，此时模糊控制策略效果更好。
4.2当半导体激光器初始工作温度或冷却目标温度适中，如将半导体激光器从30℃冷却至10℃时，PID控制和模糊控制响应时间均在60 s左右，虽然模糊控制算法精度较小，为一0.29、 1.65℃，但模糊控制会出现超调现象，因此两种控制策略效果相当;
4.3当半导体激光器初始工作温度达到40℃或
更高时，PID控制和模糊控制策略均可，此时应适当增加热电片制冷量以保证激光器能正常工作。
4.4基于自抗扰控制器 (ADRC) 的控制方法
自抗扰控制器（ADRC）采取了 PID 误差反馈控制的核心理念。自抗扰控制器主要由三部分组成：跟踪微分器，扩展状态观测器和非线性状态误差反馈控制律。自抗扰控制器（ADRC）作为一种非线性操控，能实时估量出目标模型摄动和不确定外扰，并选用特别的非线性反应结构予以主动补偿，是“不变性原理”和“内模原理”的进一步开展，具有实用性强，精度高，鲁棒性强等特色，能较好地处理非线性体系的操控问题。
4.5分段控制模式
相关研讨中提到了一种新的操控办法，来完成半导体激光器的温度操控。运用分段操控的形式，将悉数操控空间划分为三个部分，分别是极限操控区域、份额操控区域和自适应操控区域。在自适应过程中选用二级计数器自行调整操控参数，然后大大提高了操控精度。这种操控形式不需要对操控对象及外界环境树立杂乱的数学模型，使规划难度大大下降，操控精度大大提高，使规划的可移植性得到改进。操控精度可达 ± 0.1℃，超调量小，呼应速度快。
从目前相关研究人员设计的半导体激光器的温度控制系统来看，对于半导体激光器的温度控制已经达到很高的控制精度和很快的响应速度，但是随着技术的发展，对于控制要求越来越高，半导体激光器温度控制仍有研究的必要，以满足新环境下的技术要求。
参考文献
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论文作者:武鹏
论文发表刊物:《电力设备》2018年第19期
论文发表时间:2018/10/14
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