1、毕业设计文献综述电子信息科学与技术基于LABVIEW环境的激光功率与波长调谐研究摘要LABVIEW是不同于传统编程语言的使用图形符号来编写程序的编程环境，结合了图形化编程方式的高性能与灵活性，以及为测试测量与自动化控制应用设计的高性能模块及其配置功能，能够为数据采集、仪器控制、测量分析与数据显示等各种应用提供必要的开发工具。本文介绍在LABVIEW环境下对半导体激光器的功率和波长调谐研究现状及发展趋势，并介绍了LABVIEW界面与控制器的串口交互通信、MSP430F149控制程序、半导体激光器功率与波长的测量的各种方法。关键字LABVIEW；串口通信；半导体激光器；1、背景11半导体激光器的发
2、展与应用1970年美国贝尔实验室研制成功在可以在室温下连续工作的半导体激光器（LASERDIODE），为光通信提供了实用化光源。目前，半导体激光器在通信、医疗、工业、国防军事等众多领域得到非常广泛的应用。在通信上，对于半导体激光器来说，光纤通信是当前主要的应用领域，未来的发展更是一个广阔的领域。其主要原因是相对与传统的电通信具有一下优点通带宽，容量大，可实现波分密集复用（DVDM），传输损耗小，可靠性高，可实现远距离通信2。在医疗领域，激光医疗作为激光应用的一个重要领域，发展非常迅速，逐步走向成熟。半导体激光器因其具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、波长覆盖范围广等特点，特别适用于医疗设备的制
3、造。在工业上，电气传感器一直作为测量物理与机械现象的标准设备发挥着它的作用。尽管它们在测试测量中无处不在，但作为电气化的设备，他们有着与生俱来的缺陷，例如信号传输过程中的损耗，容易受电磁噪声的干扰等等。用半导体激光器产生的光束代替电流，用标准光纤代替铜线作为传输介质，光纤传感器就是针对这些应用挑战相当好的解决方法。在国防军事上，信息战将是未来高技术战争的战略至高点，激光技术是获取和传输信息的重要手段，正面临着前所未有的挑战和机遇，目前军事方面的应用有激光雷达、激光模拟武器、激光警戒、激光制导跟踪等等。12半导体激光器功率和波长半导体激光器的功率和波长是其工作特性的两个非常重要参数，对半导体激光
4、器功率和波长的调谐研究十分必要。半导体激光器的输出功率与注入电流在理想情况下有THPITI,其中为曲线的斜率，THIT为是半导体激光器LD的阈值电流。半导体激光器的阈值电流对温度敏感，可以表示为00EXP/THITITT，其中0I是常数，0T是器件的特征温度，取决于器件的结构和所用材料。文献4由于介质的折射率与温度有关，半导体激光器的发射波长与温度也有联系。理论分析和实验表明，半导体激光器的工作电流发生变化时,激光器不仅输出光强发生变化,峰值（中心）波长也随着工作电流的增加向长波方向移动。所以半导体激光器的输出波长可以表示为温度T和输入电流I的函数12,FTIKTKI。13半导体激光器发展动向
5、和趋势半导体激光器在红光和15UM波段范围以内的技术已十分成熟，大量的商品器件在军、民两用的广大市场上受到欢迎。半导体激光器占有整个激光器市场的最大份额，并广泛应用于各个领域。为了满足下世纪对更高性髓光源需要，它正朝向宽带宽大功率短波长以及中远红外波长发展。量子点激光器作为新一代高性髓器件，正在大力开发当中。2、基于LABVIEW半导体激光器的功率和波长调谐21系统整体框图PCMSP430F149LASERCONTROLLERAD/DA光功率计LDSPI波长计PGPIBRS232图1系统整体框图22LABVIEW用户界面LABVIEW（LABORATORYVIRTUALINSTRUMENTEN
6、GINEERINGWORKBENCH）是一种图形化的编程语言的开发环境。LABVIEW是美国NI公司推出的一种通用虚拟仪器开发软件，它包含了丰富的功能函数库和完备的总线设备驱动程序1。LABVIEW的最大特点是其基于图形GRAPHICS的编程方式LABVIEW采用了框图而非传统的文本方式的编程方法。这种编程方式强调信号处理的实际过程，编程简单，调试方便。LABVIEW虚拟仪器软件是当今世界最流行的一种仪器构成和检测控制方案，目前国内外大量先进的测控系统都采用其作为开发平台。用LABVIEW虚拟仪器软件开发实际的测控系统时，经常会遇到这样的情况测试量庞大，另外还要进行数据分析处理、报表的生成打印
7、等任务。面对如此繁多的任务，无法用一个用户界面（又称为人机界面）来实现，这时可将一个完整的测试系统按完成的具体任务不同分成几个功能模块，每个功能模块分别设计成为不同的子程序（在LABVIEW中称作子VI），并且每个子程序都有自己的用户界面。在测控系统的应用程序中首先提供一个友好的用户界面，在此界面上把上述各功能模块组织起来供用户调用，利用菜单来驱动测控系统的各功能模块，以完成不同的测试任务。这种调用关系，反映到用户界面上，表现为菜单的功能。菜单形式的用户界面设计与实现方法采用子VI动态调用方法来实现和采用数组函数调用子VI的方法来实现设计中所用到几个主要函数说明1OPENVIREFERENCE
8、VI函数2CALLBYREFERENCENODEVI函数3CLOSELVOBJECTREFERENCEVI函数4BUILDARRAYVI函数5SEARCH1DARRAYVI函数6INDEXARRAYVI函数。LABVIEW提供了更强大的灵活性，因为它是基于软件的。LABVIEW用户无法作为仪器的生产者，但是可以定义一起的功能，使用计算机、插入式硬件和LABVIEW能共同组成一个完全可配置的虚拟仪器，以完成用户的任务。使用LABVIEW，用户可以根据需要创建所需的任何类型的虚拟仪器，而其成本仅仅是传统仪器的小部分。当需求变化时，还可以在瞬间修改虚拟仪器4。虚拟仪器VIRTUALINSTRUMEN
9、T是基于计算机的软硬件测试平台，已经在工业控制领域得到广泛的应用。LABVIEW是由美国国家仪器公司NATIONALINSTRUMENTSCO推出的、主要面向计算机测控领域的虚拟仪器软件开发平台，是一种基于图形开发、调试和运行的集成化环境。利用LABVIEW设计多路数据采集系统时，可配备NI公司的数据采集板卡模拟采集多路信号，但是数据采集卡价格较贵。本设计选用MSP430单片机组成的系统作为前端数据采集系统进行多路数据采集，然后通过RS232串口通讯将数据传输至上位机，在LABVIEW开发平台下，对各路数据进行处理、标定和实时显示，从而实现了一种在LABVIEW环境下的单片机多路数据采集系统5
10、。在LABVIEW功能面板的INSTRUMENTIOSERIAL目录下，包含串行通信所需的集成模块。利用这些模块，可以非常方便的设计出基于串行通信的测控系统。需要注意的是，在使用这些模块之前，需安装光盘上的VISA驱动程序；也可从NI公司的网站免费下载最新VISA驱动程序。下面介绍一下本系统要用到的串行通信模块1VISAONFIGURESERIALPORT。用于初始化所选择的串行口。其中VISARESOURCENAME用于选择所用到的串行，PC机中常用到的串口号分别用COML和COM2表示。FLOWCONTROL用于设置握手方式，BUFFERSIZE用于设置缓冲区的大小。BAUDRATE，DA
11、TABITS，STOP,BITS，PARITY分别用于设置串行通信的波特率，数据位长度，停止位长度，校验方式；2VISAWRITE。用于将WRITEBUFFER中的字符写到VISARESOURCENAME指定的串行接口中；3VISAREAD。从VISARESOUREENAME指定的串行接口中读取规定字节数的数据，并将这些数据传递给READBUFFER。BYTECOUNT用于设置要读取的字节数；4VISACLOSE。用于关闭VISARESOURCENAME指定的串行口，让出串行口的使用权。PC机与单片机系统进行串行通信的说明和单片机进行数据通信需要先制订一个简单的通信协议,目的是为了保证数据传送
12、有严格的时序,避免出现错码或漏码6。协议内容包括1单片机待发送的数据已经准备好,申请上传数据,可以由单片机向主机发送一个00H的字节作为申请标志；2PC机串口已经初始化,准备开始接收规定数量的数据,单片机可以上传数据一般来说,串口缓冲器容量大小已经根据实际情况设定好了,可以由PC机向单片机发送一个01H的字节作为开始标志；3PC机已经接收完规定数量的数据,可以向单片机发送一个02H的字节作为结束发送标志；4为了避免数据在传输中出错,可以规定单片机向PC机上传的每点数据连续发两次,并且之后再发送一个字节,为前两个字节的异或值,即每点数据实际用了三个字节,前两个字节为该点数据,后一个字节为两次传送
13、数据的异或值,当传送正确时,第三个字节数据为00H；5当PC机接收到每点数据的第三个异或字节不为零时,向单片机发送03H作为出错标志,单片机收到该命令后重发数据或进入其他处理。激光器斜率效率自动测量系统，将原来需要繁琐手工操作和记录的工作由计算机控制完成，得到比较准确的结果该系统充分利用了实验室现成的设备资源，设计简单、成本低廉、使用方便在需要更高测量精度的时候，还可以改用更高位分辨率的AD芯片，或者也可以改用带有RS232或GPIB接口的高档激光功率计直接同计算机连接进行控制该系统还可以自动测量半导体激光器的输出光通过各种光学元件的输出效率，在激光的实验研究中有比较好的应用和推广价值7。文献
14、8介绍了VISA是虚拟仪器软件体系结构，实质上是一个I/O口软件库及其规范的总称。一般情况下，就将这个I/O接口软件库称为VISA库。在以往的虚拟器开发过程中，I/O接口设备（或称仪器I/O，通常是带有不同的总线接口的仪器、仪器模块或数据采集卡）驱动控制软件的开发没有制订统一的规范，仪器厂商按照各自的标准开发I/O接口设备驱动控制软件出售给用户。由于没有统一的规范约束，只能专用而没有通用性，因此不同类型的或不同厂家生产的I/O接口设备都必须专门来设计它的驱动程序。由于这种不可互换性的，因而造成用户在集成、使用和维护虚拟仪器系统时重复投入了大量的资金。为了推动虚拟仪器软件标准化的进程，VXIPL
15、UG工作电流大时的波长红移比电流小时明显13。文献14介绍了一种波长调制光谱技术中DFB半导体激光控制电路，该控制电路包括波长调制电路、波长扫描电路和TEC控制电路。通过使用晶振、二进制计数器、带通滤波器以及程控衰减器产生波长调制信号，使用D/A转换器产生波长扫描信号，并且使用NLD0531BPQ芯片对激光器内置TEC进行控制，最后通过CO二次谐波谱线测量。激光器控制电路的参数全部采用数字控制，并且可以通过单片机进行调整。实验表明，该控制电路具有较高的稳定性，其控制精度达到了001。系统地介绍了用于实现波长调制光谱技术的激光控制器设计方法，包括波长调制及扫描电路和TEC控制电路的设计。由于采用
16、D/A转换器、数字电位器以及NLD0531BPQ芯片，波长调制光谱的参数全部使用数字量控制，参数调整较为方便。通过CO的二次谐波谱线测量实验证明，所设计的激光控制器能够达到实现波长调制光谱技术的要求，且具有较高的稳定性。文献15提出了LD的输出波长与其管芯温度有密切关系，当温度升高时，输出光波的波长向长波方向移动；反之，当温度降低时，输出光波的波长向短波方向移动。一般地，LD管芯温度每变化1，波长变化约03NM。因此，对于要求LD输出波长准确、稳定的应用领域，必须严格控制LD的温度。温度控制对稳定LD的输出特性具有重要的作用，本文设计了一种基于微控制器的半导体激光器温度控制系统。实验结果表明，
17、在1040温度范围内的控温稳定度优于02，有效地抑制了LD波长的漂移。该系统动态响应速度快，控温效果好，非常适合中小功率LD的温度控制，具有较高的实际应用价值。文献16介绍了一种基于计算机控制的半导体激光器波长调谐控制系统。该系统向半导体激光器的调谐区提供扫描电流，测量出激光器的输出光谱，生成激光器的“波长电流”数据查询表；通过调用该数据查询表，控制驱动单元的输出电流，快速、准确地实现电调谐半导体激光器输出波长的调谐控制。我们利用该控制系统，生成了DBR激光器的“波长一电流”数据查询表，并实现了对该DBR激光器输出波长的精确控制，波长控制误差不超过002NM。此外，对诸如取样光栅SAMPLED
18、GRATINGDBR激光器之类的其他半导体激光器，我们也利用该控制系统对其输出波长进行了调谐控制，也获得很高的波长控制精度。文献17介绍了数字控制式半导体激光器驱动电路的设计，包括温度控制系统和光功率控制系统。该系统以单片机为核心，结合外围电路，以数字控制技术代替以往的模拟电路，易于控制，精度高。对光功率控制系统也以单片机为核心，配合外围的功率采样电路和电流驱动电路同时使用PD控制算法，控制电源电流，从而控制激光器光功率输出。在PD参数整定时，采用了工程实验法多次实验调试确定参数。建立数学模型，从而实现软件控制。为了提高控制的精度，把功率范围分为9段，对每一段都整定了一组参数，从而将光功率误差
19、控制在002W内。这种半导体激光器驱动电路的光功率控制系统是数字控制式的。以单片机为核心，配合外围的功率采样电路和电流驱动电路，电路结构简单。在软件控制时采用了分段的PD控制，效果较好，光功率控制精度都在002W内，功率在0199W范围内可调，达到了设计要求。同时，程序运行速度较快，实时性较好。文献18介绍了激光二极管温度控制的高精度数字伺服回路够把激光的温度波动降低到低于正负20UK在变换电桥和运放器的热稳定性低于40MK的条件下能够容易地获得一个商业上的温度控制器。3总结本文对基于LABVIEW环境的激光功率与波长调谐研究的相关文献作了评述，对课题的研究历史、研究现状等进行分析与归纳，说明
20、了材料来源情况。在实际应用中，半导体激光器的发射波长和功率对温度和电流的变化敏感，半导体激光器作为光纤通信的光源，对激光的功率和波长的精度和稳定性都有很高的要求，这就要求设计精准的温度控制器和精密的恒流源。可调谐激光器具有窄线宽、高稳定性、低幅度噪声、低频率噪声、震动不敏感、波长调谐范围宽，体积小、功耗低、可多路集成等特点，是精密光学测量、分布式光纤传感、微波频率合成、光学雷达及相干光通信系统的理想光源。单频可调谐激光器是物联网传感器网络的关键器件，在石油、天然气勘探，陆地、水下声波检测，油气传输管道检测，科学研究精密测量，相干光通信等运用中需求量越来越大,研究半导体激光器的调谐特性和波长稳定
21、技术是一个很有意义且有很大市场价值的课题。主要参考文献1谢启,温晓行,高琴妹,顾启民LABVIEW软件中菜单形式的用户界面设计与实现J微计算机信息，2005，21（9）88902阎吉祥，崔小虹，高春清王茜蒨于常青激光原理与技术M高等教育出版社,20043林静林振宇郑福仁基于LABVIEW虚拟仪器程序设计从入门到精通M人民邮电出版社,20104李玉权，朱勇，王江平光通信原理与技术M科学出版社,20065顾亚雄朱翠英许方华基于LABVIEW的单片机多路数据采集系统的设计J自动化技术与应用,2009,281047486阎世栋在虚拟仪器LABVIEW平台中串行通信模块的应用J国外电子测量技术,2004
22、,增刊39407黄剑平基于LABVIEW的激光器斜率效率自动测试系统J光电技术应用，2007，224148GUOJIE,WANGZHAOBADESIGNANDREALIZATIONOFSERIALCOMMUNICATIONINTERFACEBASEDONLABVIEWMSHANXI,NORTHUNIVERSITYOFCHINA,2007172517279楚现知，吴吉祥，李锦忠基于LABVIEW的监控界面设计与单片机的串行通信J工业控制计算机，2005，18（7）697010张帅，徐伟，王克家，曹巍巍基于MSP430和LABVIEW的温度控制系统设计J哈尔滨商业大学学报自然科学版,2010,26
23、447247411李峻灵半导体激光器功率稳定性的研究D哈尔滨理工大学,200716012谢建平,王沛,许立新,章江英,吴云霞,明海半导体激光器的波长调谐和波长稳定技术J量子电子学报,2004,1929910313李成仁，宋昌烈，李淑凤，姚文雄半导体激光器输出波长随工作电流变化的实验研究J红外与激光工程，2003，32（2）14414714赵建华，高明亮，武秀娟波长调制光谱技术中的激光控制器设计J激光与红外，2010，40（5）53754115焦明星，邢俊红，刘芸，范吉中，安龙华半导体激光器温度控制系统的设计J激光与红外，2006，36（4）26126416邓小波，赵华凤，俞涛，何熙，周开军电调谐半导体激光器波长控制系统J半导体光电，2005，26（6）57057217伏燕军，邹文栋，肖慧荣，甘月红半导体激光器驱动电路的光功率控制的研究J2004,34562663018BARONEFABRIZIO,CALLONIENRICO,GRADOANIELLOHIGHACCURACYDIGITALTEMPERATURECONTROLFORALASERDIODEJREVIEWOFSCIENTIFICINSTRUMENTS,1995,66840514054
