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自1961年梅曼^[1]發明第一臺紅寶石激光器以來，經過半個多世紀的研究和探索，激光技術取得了迅猛發展并廣泛應用于工業、農業、測量、通信、醫學、軍事以及科學研究等各個領域。根據輸出波長的不同，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400nm的激光器，其波長短、能量集中、分辨率高，根據泵浦方式不同可分為以下幾種：氣體激光器、準分子激光器、半導體激光器、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激光器。二十世紀主要使用的紫外激光器為氣體激光器和準分子激光器，都存在體積大、效率低、可靠性有限、壽命短、成本高等問題^[3]。

全固態紫外激光器采用激光二極管（LD）作為泵浦，利用激光晶體產生1μm左右的紅外光，然后經非線性光學晶體的倍頻或和頻效應得到紫外激光。國外關于全固態紫外激光器的應用始于二十世紀九十年代。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1.5W的266nm連續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12W^[5]至160W^[6]全固態紫外激光器。國內關于全固態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266nm的紫外激光輸出，這是國內首次報道的全固態紫外激光器。此后，我國的紫外激光技術也進入了高速發展時期。

全固態紫外激光器具有體積小、結構緊湊、效率高、壽命長、光束質量好以及成本低等優點，廣泛應用于環境監測、醫學、通訊以及微加工領域。在環境監測方面，可以利用紫外激光對大氣對流層的底層水汽含量和O₃濃度進行監測^[8][9]，也可以對空氣中氣溶膠的分布進行測定^[10]；在醫學領域，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]；在通訊領域，紫外激光通訊具有低竊聽率、高干擾性及非視距等優點^[12]；在加工領域，由于紫外激光在加工過程中直接破壞化學鍵的冷加工特性，因此能夠實現精密復雜結構的加工^[13]。近年來，隨著深紫外及真空紫外技術的興起，全固態紫外激光器的應用越來越廣泛^[14]。

全固態紫外激光器的整體效率較低，在LD抽運及倍頻、和頻過程中都會產生大量熱量。產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輸出功率不穩定，當溫度升高時，LD輸出功率隨之增大^[15]。溫度不穩甚至會引發LD模式跳躍現象。同時，溫度變化還會使激光晶體的折射率、形狀和體積發生變化，從而引起LD輸出波長的變化，其波長隨溫度的漂移為0.3~0.4nm/℃。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晶體的折射率發生變化，輸出光束質量和倍頻效率都會降低。

全固態紫外激光器的產熱大，且其性能對溫度很敏感，因此，如果及時散出激光器產生的熱量并維持其溫度的穩定性就成了激光行業中必須要解決的問題。傳統的風扇散熱效率低且可控性差，不適合作為全固態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散熱方式已經可以做到溫控精度±0.01℃^[17]，但是TEC普遍效率很低且穩定性差，很難大規模應用。傳統水冷散熱一般都要借助于用蒸氣壓縮式制冷系統制成的冷水機，溫度精度控制通過熱氣旁通的方法來實現。在熱氣旁通閥切換的過程中，壓縮機系統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和電熱耦合的方式，利用水冷系統，對全固態紫外激光器的溫度控制方法進行了研究。

全固態紫外激光器的溫度控制系統原理框圖如圖1所示。

圖1  控制系統原理框圖

Fig. 1   Schematic diagram of control system

激光器放置在熱沉上，其產生的熱量通過接觸傳導至熱沉。熱沉內部有水通道，與水泵、水箱、換熱器構成水循環。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、節流閥組成制冷系統。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，冷凝器在風扇的作用下將熱量釋放到環境中去。通過這種方式，就實現了激光器的散熱。圖中的壓縮機為直流變頻壓縮機，需要借助驅動器將直流電轉換成三相交流電之后才能工作。

對于固定的系統來說，只需要保持水溫的穩定，就能確保激光器溫度的穩定。水的冷卻通過上述的制冷系統來實現，水的加熱可以通過布置在水箱內部的電熱管來實現。溫度傳感器將感應到的水溫信號經A/D轉換之后反饋給單片機（MCU），單片機根據當前實際水溫和所需目標溫度的關系，通過輸出電路來控制壓縮機和電熱管的工作，以實現水溫的穩定。在控制模塊中，還設置有顯示屏和觸摸感應電路，可實現人機對話。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的工作情況，也能根據需要設定目標溫度。

蒸氣壓縮式制冷是目前效率最高的制冷方式。常規的交流壓縮機只能通過啟停或熱氣旁通的方式來控制系統的制冷量或加熱量，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實現無極變速，轉速越高，制冷量越大，因此系統的制冷量十分可控。選定的壓縮機型號為CS-MCQ-19241100（圖2），該壓縮機重量約850g，直徑56mm，其制冷量和轉速的關系如圖3所示。

圖2  壓縮機CS-MCQ-19241100

Fig. 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速的升高而增大。控制模塊通過內部程序計算出壓縮機當前所需轉速，通過D/A轉換電路將數字轉速信號轉換成模擬信號，再降該模擬信號傳輸給壓縮機驅動器。驅動器根據轉速信號調節其輸出的交流電頻率，這樣就實現了對壓縮機轉速的控制。

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

由于壓縮機屬于機械裝置，控制程序對其的轉速指令都需要一定的響應時間才能體現到制冷量上。對于水箱較小的水冷系統，在熱容不大的情況下，對壓縮機轉速的調節雖然可以將水溫控制在很小的范圍之內，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。另外，激光器的工作并不是一直穩定的，甚至有時候不工作，這時溫度控制系統是處于空載待機狀態，即使將壓縮機轉速調到最低，水溫還是會一直下降至目標溫度以下，關閉壓縮機將會引起水溫更大的波動。

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

全固態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。該溫度區間屬于常溫范圍，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間內有高精度、較大的溫度系數和較好的線性度。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100Ω，在常溫區間內具有很好的線性度。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A/D轉換后傳輸給MCU進行分析和處理。

系統通過調節壓縮機轉速和電熱管開關的PWM參數，控制制冷量和加熱量，最終使水溫達到穩定。由于激光器的工作并不是穩定的，且環境因素的不確定性對制冷系統的影響很大，系統的結構和參數必須依靠經驗和現場調試來確定，因此無法用一個精確的數學模型來控制系統的工作。PID算法簡單、魯棒性好、可靠性高，是最適合本系統的控制策略之一，它根據系統的誤差，計算出比例、積分、微分控制量來調節系統的工作。PID的工作流程如圖4所示，在每個時間步長內，系統先對水溫誤差進行計算，再對誤差進行PID計算，然后得出壓縮機轉速和電熱管功率的調節量。如此反復進行，直至溫度誤差控制在精度要求范圍內，此時水溫達到穩定。P、I、D參數對系統性能的影響很大，工程上一般依靠經驗并結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參數整定。

圖4  PID流程

Fig.4   Flow chart of PID

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

圖5  系統控制流程

Fig.5   Flow chart of system control

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

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

圖6  溫度控制系統響應圖

Fig.6   Response graph of temperature control system

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

溫度對全固態紫外激光器的輸出特性起著至關重要的作用，本文針對該激光器設計了一種基于微型直流壓縮機制冷系統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速和輔助電熱設備的功率進行控制，實現對激光器冷卻系統水溫的精確調控。用該方法采用微型變頻壓縮機制冷技術，制成的溫控系統體積小、重量輕、效率高，實驗結果表明，系統響應速度快，穩定時間短，且溫控精度很高，能達到0.01℃。

與常規冷水機相比，該系統具有體積小、重量輕、制冷精度高的突出優勢，同時因系統內部使用的壓縮機為直流壓縮機，非常適合冷卻系統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，壓縮機系統制冷能力更大，能效比更高，在長期持續使用中能大大降低用戶的能耗，降低使用成本。同時機器內部自帶加熱控制，可在冬季初始使用時快速預熱。目前該系統設計成本隨著微型壓縮機成本的降低也已經可以和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、精密切割等行業的大量應用，該方法兼具體積小、重量輕、精度好、能效高、成本低等諸多優勢，具有很高的實用價值和推廣意義。

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                                               來源：《激光與紅外》雜質 第51卷 第10期

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