半导体激光器因其发光功率大、探测距离远、方向性强、发散角度小等优点,可以很好地应用于空间交会对接光学敏感器,作为航天器自由往返的合作标志和交会对接的相对状态测量设备。为了保证探测精确,需要半导体激光器工作在确定的功率和固定的非可见光波段,以避免太阳光、星光等杂散光的干扰。然而半导体激光器的一个显著特性就是对温度变化极为敏感,其波长、阈值电流、功率和寿命都会受到温度变化的影响。半导体激光器要长期受到太阳辐射和自身发热的影响,为了保证交会对接的成功必须对半导体激光器采取严格的温控措施。本文应用热电相似性原理,将热电制冷器的热学模型转换为等效电路模型,通过Multisim软件仿真可以很好地分析器件的稳态和动态工作特性。在制冷和制热模式下,分别分析了驱动电流、环境温度、控制端热流量、热沉端温度对控制端温度变化的影响的基本规律,为热电制冷技术的深入研究提供了理论基础。根据热电制冷器等效电路模型,建立了两级耦合式温控模型,该模型把半导体激光器组件的外部环境作为第一级温控对象,通过第一级温控,建立起较稳定的可控环境,在此基础上,再把组件的内部环境作为第二级温控对象,从而实现高稳定的控制。通过分析半导体激光器组件内部结构和传热特性,设计了基于两级耦合式温控结构的半导体激光器恒温控制算法,该算法综合了开关式制冷制热方法和数字增量式PID控制的优点,有效提高了温度的控制范围和稳定性。设计了一套基于两级耦合式温控方法的半导体激光器温控系统,该系统可以实现激光功率分档调节和温度控制,并在硬件系统上得到验证。实验结果分析,温度稳定性达到0.15℃,输出光功率稳定性0.17%,具有很好的工程实用价值。