本系统采用外层隔热箱、中层恒温舱、核心激光器温控单元的三级嵌套控温设计, 通过物理隔离和逐级温度调节来衰减外部扰动。

2.1.1 一级控温（外层隔热箱）

外层采用多层热隔离材料与机械结构隔热, 形成第一隔离层。外箱壁为铝合金结构, 内部填充50 mm厚聚氨酯泡沫（热导率0.022 W/（m· K））, 外表面经氧化处理以增强散热均匀性。箱内安装可调速轴流风扇和大功率陶瓷PTC加热片, 功率约150 W, 控制精度± 0.5 ℃。通过简易PID逻辑, 当内温高于设定值（例如30 ℃）时, 减小加热功率并增大风扇转速, 将热量向外排散; 当内温低于设定值时, 则加大加热功率并减小风扇转速, 以保证内部温度维持在设定值± 2 ℃范围内。该层主要对抗室外环境大幅波动, 维持箱内环境在相对恒定水平, 为内部控温创造缓冲区。

2.1.2 二级控温（中层恒温舱）

中间层为高精度恒温舱, 使用高精度温度控制器（线性双极输出± 2.5 A, 短时稳定度0.001 2 ℃）。温度传感器采用铂电阻PT 1000（精度± 0.05 ℃, 响应时间0.5 s）, 贴装在恒温腔壁靠近激光器的一端。控制算法采用自适应增量式PID（比例积分微分）算法, 能够在不同扰动条件下快速收敛。本系统通过PID算法控制输出PWM（脉冲宽度调制）信号, 驱动高稳定性的恒流源来精确调节加热或散热功率, 从而在快速达到设定温度（如35 ℃）的同时, 将超调抑制在2%以内, 并实现± 0.1 ℃的稳定控制精度, 显著削弱外界温度波动的影响。

2.1.3 三级控温（核心激光器温控单元）

核心激光器温控单元直接与激光器及其关联系统耦合, 包括半导体制冷片（TEC）、反馈温度传感器和光谱反馈控制电路, 电路设计如图1所示。

图1

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	图1 激光器温控单元控制电路设计

2.1.3.1 半导体制冷片

TEC贴装在激光器封装底座（Cu-W合金, 热导率约200 W/（m· K））下方, 可双向抽热/制热, 实现微小范围内的温度调节。

激光器芯片和TEC自身会产生热负荷, 且周围中层恒温舱温度与目标温度存在差异。假设核心目标温度为30 ℃, 环境最高可达45 ℃, 则最大温差约15 K。以基板与环境间传热通道为例, 保温层热导率0.022 W/（m· K）, 厚度50 mm, 换算有效热阻为2.3 K/W。若激光器与基板间近似以1 cm² 传热, 则稳态热导功率仅几瓦量级, 可由TEC轻松消除。实际测量表明, 当环境温度从25 ℃升至45 ℃时, 核心部件的温度控制误差可维持在± 0.01 ℃以内, TEC模块平均输出功率不超过20~25 W。

2.1.3.2 反馈温度传感器

反馈温度传感器采用热敏电阻固定于激光封装基板, 用于实时检测激光实际温度。控制回路为闭环, 光电探测器监测通过标准气体吸收单元的激光输出谱线, 并将光信号转为电信号后由数采卡传输至计算机; 计算机根据吸收峰和参考点位置, 利用内部PID算法在线计算所需的激光器目标温度（对应的电压信号S3）。该目标温度信号与测得的实际温度电压信号S4（由热敏电阻读出）进行比较, 驱动放大器和开关器件控制TEC工作：当实际温度电压信号低于目标温度（S4< S3）时, 放大器输出正电压, 制冷片工作并按所需幅度抽热; 当实际温度电压信号高于目标温度（S4> S3）时, 输出为0, 停止TEC抽热, 而激光器的驱动电流本身则产生少量热量升温。此闭环方案直接以波长偏移（吸收峰漂移）作为反馈依据, 自适应地进行温度调整, 能有效将激光输出波长锁定到参照目标。

2.1.3.3 光谱反馈控制电路

光谱反馈控制电路的设计不引入额外电路干预, 以减小噪声和复杂度, 仅在控制单元间通过比较器（P5、P6）与开关元件（Q6、Q7）实现阈值控制。

激光经封装发出后, 通过一小段带有标准气体（如CO₂）的小型容器, 再由光电探测器（PD）接收。PD将光信号转换为电信号, 反馈给数据采集卡（DAQ）并上传至计算机; 计算机软件实时拟合吸收光谱, 提取吸收峰位置与目标参考峰之间的偏差, 进而计算出所需的激光频率校正所对应的器件温度。整个过程类似于锁频技术, 将激光波长锁定在参考吸收峰上, 因而无需外部频率标尺。通过此光谱反馈闭环, 可实时抵消激光器的慢漂, 进一步提升波长稳定度。该光谱环路和温度环路协同工作, 形成双重闭环：温度环路快速响应热扰动, 光谱环路保证长期波长精度, 两者共同确保激光输出的高稳定性。

2.1.4 小结

综合上述, 此三级架构利用多个独立控温单元分担任务：外层隔热箱对大幅环境温度扰动提供隔离和预控, 中层恒温舱通过高精度控制器进一步稳温, 核心激光器温控单元则利用实时光谱反馈精细调整。实验验证表明, 与传统单级控温系统相比, 三级温控策略能使温度波动从± 0.5 ℃降至± 0.01 ℃量级, 极大地提高了仪器的环境适应性^{[13, 14]}。

在控制器稳定输出的基础上, 良好的热设计实现了温度均匀性和快速响应。通过优化热敏电阻的部署位置, 准确反映激光器封装温度分布。本系统在激光器封装基板（Cu-W合金）的四周均匀嵌入间距约5 mm的4个PT 1000传感器, 用于监测局部温度梯度。该布局靠近芯片热源区域, 能够及时捕捉热点温度变化。实验证明, 优化传感器布局后, 测温误差由± 0.05 ℃降低至± 0.02 ℃, 大幅提高了控温精度。

为加速热量传导, 设计了高效的散热路径。针对激光器及TEC产生的热量, 采用厚铜均热板（热导率约2 000 W/（m· K））与激光基板紧密贴合, 将热量快速平铺分散。均热板连接腔壁和第二级散热单元, 同时在关键热流路径上布置多根微型铜热管（直径3 mm, 传热功率约30 W）。热管利用相变循环高效转移热量至腔体外壳。经过8 h满功率运行测试, 热管和均热板的复合散热设计可使系统内积热降低约60%, 显著改善了长时间运行过程中的温度稳定性。

最后, 优化了辅助散热部件（如风扇、铝制散热片等）的布局。风扇的进出风口位置应确保气流覆盖均热板和TEC两侧, 同时避免冷风直接吹击温度传感器。为防止结露对传感器和电路的影响, 整个核心区采用密封设计并填充干燥惰性气体, 所有可能低于露点的表面都包覆闭孔泡沫或密封胶。这样的措施既可保证热管理的高效性, 又避免了冷凝和灰尘对精密元件的损害。

考虑到现场扰动的不确定性, 控制算法层面采用了自适应增量式PID算法, 能够在线调整PID参数, 实现快速响应和零稳态误差, 并结合温度梯度信息进行多点控制, 抑制超调和振荡。据此通过在软件中内置PID模块, 对中层和核心的温度误差进行闭环控制, 以应对快速变化的外界扰动, 系统还支持模型预测（如基于LSTM神经网络的扰动预补偿）和滤波技术, 以提高动态响应速度和抗噪声性能。控制算法仿真和样机验证表明, 该策略使系统在± 5 ℃的阶跃扰动下能于10 s内恢复至稳定区间（超调< 2%）, 确保激光器温度几乎不受短时环境变化影响。

在恒温实验室（25± 0.1 ℃）中对高精度温控系统进行基准测试：将一级控温系统目标温度设定为30 ℃, 将二级控温系统目标温度设定为35 ℃, 记录核心激光器温度和对应光谱稳定度。结果显示（图2）：核心激光器温度可长期维持在37.7± 0.005 ℃, 相应激光波长漂移< 0.002 nm（相当于δ ¹ ³ C误差± 0.2‰ ）。此时系统的总功耗约205 W, 其中TEC及PID控制部分约25 W, 风扇散热等辅助设备约180 W。根据能耗分析, 一级控温系统风扇与PTC根据环境需求动态切换, 核心TEC输出根据微小偏差调节, 使能量效率得到优化。电源转换和控温稳定性符合期望指标, 证明硬件与算法协同设计的有效性。

图2

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	图2 核心激光器温度示意图

下一步开展了环境温度循环与现场模拟测试。首先在环境舱内模拟5、15、25、35 ℃这4种温度环境交替循环（每6 h一个台阶）, 每次温度跃变响应时间< 30 s。测试结果表明, 不论环境如何变化, 核心激光器温度始终在40± 0.03 ℃范围内波动（表1）, 无显著失控现象。重复上述循环10次后, 系统输出的光谱δ ¹ ³ C值测量误差小于± 0.5‰ , 多次测试一致性良好。

表1

表1

表1 多环境模拟测试结果 环境 温度/° C 核心激光器温度波动/° C 激光波长 漂移/nm δ ¹ ³ C测量 误差/‰ 系统 功耗/W 5 ± 0.02 < 0.002 ± 0.4 210 15 ± 0.01 < 0.001 ± 0.2 205 25 ± 0.005 < 0.001 ± 0.2 202 35 ± 0.01 < 0.003 ± 0.5 215

表1 多环境模拟测试结果

将仪器部署于渤海油田钻井平台现场进行长周期测试。在夜间最低温度3 ℃, 白天最高温度38 ℃的现场作业环境下连续运行72 h, 监测各控温层级下的温度波动和CH₄δ ¹ ³ C₁测量误差（表2）。无任何保护时环境温度直接影响激光波长, 温度波动± 10 ℃, CH₄δ ¹ ³ C₁误差高达± 8.5‰ 。单层简单恒温时温度波动缩减至± 0.5 ℃, CH₄δ ¹ ³ C₁误差约± 2.3‰ ; 而三级控温的高精度温控系统温度稳定性达到± 0.01 ℃, CH₄δ ¹ ³ C₁误差降低至± 0.5‰ 。测试同时记录了各控温模式下的功耗情况, 三级控温总功耗205 W, 略高于单级的180 W, 但极大提升了稳定性。稳定运行72 h的结果表明, 系统满足钻井作业的连续使用需求, 为油气成因分析和储层评价提供了可靠数据支撑。

表2

表2

表2 现场温度波动与同位素测量结果 控温方式 核心激光器 温度波动/° C CH4δ ¹ ³ C1 测量误差/‰ 系统 功耗/W 无控温 ± 10 ± 8.5 - 单级控温 ± 0.5 ± 2.3 180 三级控温（本系统） ± 0.01 ± 0.5 205

表2 现场温度波动与同位素测量结果