穩定半導體雷射器工作波長的裝置的製作方法

2024-04-01 16:38:05

專利名稱：穩定半導體雷射器工作波長的裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及雷射，特別是一種用於泵浦固體雷射器的半導體雷射器工作波長穩定裝置。
背景技術：
大功率半導體雷射器泵浦的全固態雷射器，是近幾年發展的一個熱點。與閃光燈泵浦光源相比，半導體雷射器泵浦光源有突出的優點。半導體雷射器的電光轉換效率高、體積小、使用方便。更重要的是其光譜與雷射材料的吸收光譜匹配好，因此產生的熱效應小，十分有利於提高固體雷射器的工作穩定性和光束質量。
但是，半導體雷射器的發光波長隨其工作溫度變化很大。這一溫度關係主要來源於半導體材料禁帶寬度的溫度關係，它可以表示為λP(T)＝λP(T0)+λp′T(T-T0)式中溫度T為半導體雷射器激活區，即半導體P-N結區的溫度，簡稱為結溫。λp′T為雷射器激射波長的溫度係數。對於常用的800nm波段泵浦光源的AlGaAs雷射器，波長溫度係數大約為λ′T＝λP/T≈0.3nm/K。在半導體雷射器工作時，外加注入電流在結區轉化為雷射能量，同時也有相當大的一部分轉化為發熱。半導體結區溫升的大小一般用半導體雷射器的熱阻Rth來描述ATJ＝T-T0＝RthPH式中PH為電流產生的熱功率。電流注入的總功率可以分為熱功率PH和雷射功率PL兩部分P＝I(VJ+VS)＝PL+PH＝ηLP+(1-ηL)P。式中VJ為結電壓，VS為雷射器串聯電阻上的壓降，ηL為發光效率。半導體雷射器的雷射波長也將隨著半導體雷射器的結溫的變化而變化λP(T)＝λP(T0)+λT′TΔTJ為了保證半導體雷射器輸出符合要求的功率和工作波長，要對半導體雷射器進行致冷和溫度控制。常規的致冷溫控系統的框圖如圖1所示。圖中1為半導體雷射器的晶片(Bar)；2為雷射器的熱沉，也是給雷射器供電的正極；3為雷射器的上電極；4為絕緣墊塊；5為熱敏電阻；6為比較器；7為放大器；8為半導體致冷器電源；9為半導體致冷器；10為半導體致冷器的散熱器；11為半導體雷射器驅動電源。致冷溫控系統工作時，通過比較器6設定所需的雷射器熱沉溫度。響應的電阻值與測量得到的熱敏電阻5的電阻值作比較，其差值經過放大器7放大，調整半導體致冷器電源8輸出的工作電流，升高或降低半導體致冷器9的工作點，達到溫度控制的目的。
在這一溫控系統中，工作波長與溫度的關係是事先測定的，再根據測定的關係來設定控制溫度值。並沒有對半導體雷射器的真實工作波長進行實時監控。實際上，工作波長與溫度的關係是會變化的。尤其是隨著半導體雷射器在使用過程中的老化和退化，雷射器的閾值電流、發光效率就會發生變化。使用過程中雷射器工作狀態也可能根據使用要求變化，而不能保持與雷射器安裝前進行特性測量時相同。因此僅僅根據事先測定的波長溫度係數來確定工作狀態，很可能並不是最佳的工作狀態。為此，本發明提出一種直接以工作波長為監控參數的穩定裝置。

發明內容
本發明要解決的技術問題在於克服上述現有技術的不足，提供一種半導體雷射器工作波長穩定裝置，對半導體雷射器工作波長進行即時監控，使半導體雷射器工作在最佳的工作狀態。
本發明的技術解決方案如下一種穩定半導體雷射器工作波長的裝置，該半導體雷射器的晶片置於熱沉上，該熱沉與半導體雷射器驅動電源的正極相連，雷射器的上電極用絕緣墊塊與熱沉隔離並與所述的半導體雷射器驅動電源的負極相連，在所述的熱沉上設有熱敏電阻，一半導體致冷器的一面與所述的熱沉粘在一起，該半導體致冷器的另一面是半散熱器，一半導體致冷器電源對半導體致冷器供電，其特點是在所述的晶片的後腔面設置一集光器，該集光器的輸出端經導光光纖接光纖耦合器，該光纖耦合器的輸出分為兩路一路經濾光片、第二探測器與單片機的第一輸入端相連，另一路經第一探測器與所述的單片機的第二輸入端相連，所述的熱敏電阻的輸出端接所述的單片機的第三輸入端，所述的單片機的第一輸出端與所述的半導體致冷器電源的控制端相連，所述的單片機的第二輸出端與所述的半導體雷射器驅動電源的控制端相連。
所述的集光器是在一段光纖上製作一個或多個劈形凹槽製成的，每一個劈形凹槽與所述的半導體雷射器的條形發光區相對應。
所述的集光器為一段粗細相間的光纖。
所述的集光器是在光纖端面上製作一個45°的反射面構成。
所述的集光器為一條傾斜寫入的長周期光纖光柵。
所述的穩定半導體雷射器工作波長的裝置的使用方法，特徵在於包括下列步驟①設置半導體雷射器的工作點，包括連續工作或脈衝工作、脈衝寬度、重複頻率、驅動電流幅度以及這些參數的可容許範圍；②起動後，熱敏電阻向單片機提供溫度信息，第一探測器和第二探測器向單片機提供波長偏差信號，經單片機匯總處理後，發出指令自動調整半導體致冷器電源的驅動電流和半導體雷射器電源驅動電流，以穩定半導體雷射器的工作波長在所設定的範圍之內。
本發明的技術效果本發明對半導體雷射器工作波長進行即時監控，使半導體雷射器工作在最佳的工作狀態。本發明的特點和優點是一、與常規的監控熱沉溫度相比，監控雷射波長直接地保證了雷射波長的準確性，更適用於由於雷射器工作條件變化(包括脈衝寬度、重複頻率、波形、電流幅度等)時和器件退化情況下激射波長的監控；二、利用雷射器的後向出光，不影響前向雷射輸出的性能；並可同時監控雷射器正向的雷射輸出功率。
三、通過導光光纖傳送到一定間距處進行波長監測，不影響雷射器及其組件的封裝結構。
四、採用的元件具有充分的可行性，價格低廉。


圖1為常規的致冷溫控系統的框2為本發明的半導體雷射器工作波長穩定裝置的結構示意3為本發明的部分結構的側視4為本發明集光器的具體結構之一示意5為本發明集光器的具體結構之二示意圖——用於單條半導體雷射器的集光器的結構圖6為本發明集光器的具體結構之三示意7為本發明集光器的具體結構之四示意8為本發明波長和功率穩定控制的流程圖具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護範圍。
本發明半導體雷射器工作波長穩定裝置的結構如圖2所示。圖中101為集光器；101a為固定集光器101的粘結點；102為導光光纖；103為濾光片；104為探測器；105為單片機。由圖可見，本發明穩定半導體雷射器工作波長的裝置，該半導體雷射器的晶片1置於熱沉2上，該熱沉2與半導體雷射器驅動電源11的正極相連，雷射器的上電極3用絕緣墊塊4與熱沉2隔離並與所述的半導體雷射器驅動電源11的負極相連，在所述的熱沉2上設有熱敏電阻5，一半導體致冷器9的一面與所述的熱沉2粘在一起，該半導體致冷器9的另一面是散熱器10，一半導體致冷器電源8對半導體致冷器9供電，其特點是在所述的晶片1的後腔面設置一集光器101，該集光器101的輸出端經導光光纖102接光纖耦合器106，該光纖耦合器106的輸出分為兩路一路經濾光片103、第二探測器104b與單片機105的第一輸入端相連，另一路經第一探測器104a與所述的單片機105的第二輸入端相連，所述的熱敏電阻5的輸出端接所述的單片機105的第三輸入端，所述的單片機105的第一輸出端與所述的半導體致冷器電源8的控制端相連，所述的單片機105的第二輸出端與所述的半導體雷射器驅動電源11的控制端相連。
其中，集光器101的作用是將雷射器晶片1的後向發射雷射收集起來，通過導光光纖102傳輸出來。這是利用了一般雷射器兩個腔面都有雷射輸出的特性。後腔面輸出雖然比正面輸出小得多，但是可以用來作為光波長的監控。濾光片103為一個峰值波長為設定的控制波長的幹涉濾光片。集光器101收集的後向輸出光經過導光光纖102經光纖耦合器106分為兩路，一路直接被第一探測器104a接收，另一路經濾光片103後被第二探測器104b接收。雷射器的雷射波長與其峰值波長一致時，從第一探測器104a和第二探測器104b產生的光電流之比最大；當波長有偏離時，該比值將減小。由此，就可以感知半導體雷射器工作波長的變化。第一探測器104a的信號即時反映雷射輸出功率的大小，因此可以用來作為功率控制的反饋信號。這一變化傳送到單片機105，進行數據處理。單片機105同時接收熱敏電阻5發送過來的溫度信號。經過數據處理判斷，確定半導體致冷器工作電流的調節幅度，通過致冷器電源8，調整對半導體致冷器9(置於半導體雷射器熱沉2的下面，圖2為頂視圖，沒有顯示致冷器)供電的電流，以維持雷射器工作波長在設定的波動幅度之內。另一方面，單片機105根據使用要求，和第一探測器104a接收的反饋信號，確定半導體雷射器的工作電流，通過雷射器驅動電源11給出雷射器的工作電流。圖中3為雷射器上電極，為了顯示安裝在下面的集光器101，用虛線表示。
圖3為本發明部分結構的側視圖，顯示集光器101的安裝位置是在雷射器後腔面的後面。
圖4為本發明中的集光器101的具體結構之一的示意圖。其特點是在光纖上製作多個劈形凹槽101b，其作用是將一部分雷射束反射耦合到光纖的纖芯中去。圖中A為雷射器的前向雷射輸出；B為雷射器的後向輸出；C為在凹槽出反射的光束。一般雷射器晶片，寬度為1釐米，內部包含有數十個條形發光區，條寬為數百微米。每一條區都有前向和後向光束輸出。圖中作為一個示意畫了三個後向輸出光束B和側向反射光束C。正向輸出一般組合使用，僅用一個箭頭表示。集光器101中製備的凹槽101b的個數及其間距，與所用的雷射器晶片的條數和間距相對應。實際應用中也常用僅由一個條區構成的半導體雷射器，特別是單縱模雷射器。此時，集光器只需要製作一個凹槽作為反射器就可以了。或者在光纖端面上製作一個45度角度反射面，就可以作為集光器，如圖5中101c所示。
圖6為本發明集光器的具體結構之三的示意圖。圖中集光器201為一個粗細相間的光纖。後向的雷射束在一系列粗細交界處發生反射或散射，就會有一部分光波從兩個方向耦合進入光纖的纖芯。光纖的兩端的輸出經過導光光纖102傳送到監控單元1034，該單元包含濾光片103和第一探測器104a和第二探測器104b。
圖7為本發明提出的集光器的具體結構之四的示意圖。圖中集光器301為一條傾斜寫入的長周期光纖光柵。根據布拉格衍射的原理，入射的雷射光波經由光柵的衍射，轉換為光纖的纖芯模式，從而可以從導光光纖102輸出，經濾光片103鑑別、第一探測器104a和第二探測器104b接收，實現對雷射波長的監控。
所述的集光器101和集光器101b的製作可以採用光學微加工的方法實現。集光器201的製作可以採用電火花的方法，對光纖進行熔融加工實現；也可以採用化學腐蝕的方法實現。集光器301的製作可以採用在掩模版下進行紫外輻照的方法實現。
本發明的波長穩定控制流程如圖8所示。系統使用時，設置雷射器的工作點，主要包括連續工作或脈衝工作、脈衝寬度、重複頻率、驅動電流幅度(對應的輸出功率事先測定)以及這些參數的可容許範圍。起動後，熱沉2的溫度檢測器件熱敏電阻5和本發明的波長檢測器件同時開始工作，提供波長偏差信號和溫度信息。本發明的波長檢測器件構成為該集光器101的輸出端經導光光纖102接光纖耦合器106，該光纖耦合器106的輸出分為兩路一路經濾光片103、第二探測器104b與單片機105的第一輸入端相連，另一路經第一探測器104a與所述的單片機105的第二輸入端相連，。經單片機匯總處理後，判斷波長和輸出功率是否在設定範圍之內？偏差超過設定範圍，自動調整致冷器工作電流和雷射器驅動電流，以維持在所設定的範圍之內。
實驗和分析表明本發明對半導體雷射器工作波長進行即時監控，使半導體雷射器工作在最佳的工作狀態。通過監控雷射波長直接地保證了雷射波長的準確性，同時監控雷射正向的輸出功率，不影響前向雷射輸出的性能，不影響雷射器及其組件的封裝結構，控制可靠，價格低廉。
權利要求
1.一種穩定半導體雷射器工作波長的裝置，該半導體雷射器的晶片(1)置於熱沉(2)上，該熱沉(2)與半導體雷射器驅動電源(11)的正極相連，雷射器的上電極(3)用絕緣墊塊(4)與熱沉(2)隔離並與所述的半導體雷射器驅動電源(11)的負極相連，在所述的熱沉(2)上設有熱敏電阻(5)，一半導體致冷器(9)的一面與所述的熱沉(2)粘在一起，該半導體致冷器(9)的另一面是散熱器(10)，一半導體致冷器電源(8)對半導體致冷器(9)供電，其特徵是在所述的晶片(1)的後腔面設置一集光器(101)，該集光器(101)的輸出端經導光光纖(102)接光纖耦合器(106)，該光纖耦合器(106)的輸出分為兩路一路經濾光片(103)、第二探測器(104b)與單片機(105)的第一輸入端相連，另一路經第一探測器(104a)與所述的單片機(105)的第二輸入端相連，所述的熱敏電阻(5)的輸出端接所述的單片機(105)的第三輸入端，所述的單片機(105)的第一輸出端與所述的半導體致冷器電源(8)的控制端相連，所述的單片機(105)的第二輸出端與所述的半導體雷射器驅動電源(11)的控制端相連。
2.根據權利要求1所述的穩定半導體雷射器工作波長的裝置，其特徵在於所述的集光器(101)是在一段光纖上製作一個或多個劈形凹槽(101b)製成的，每一個劈形凹槽(101b)與所述的半導體雷射器的條形發光區相對應。
3.根據權利要求1所述的穩定半導體雷射器工作波長的裝置，其特徵在於所述的集光器為一段粗細相間的光纖。
4.根據權利要求1所述的穩定半導體雷射器工作波長的裝置，其特徵在於所述的集光器是在光纖端面上製作一個45°的反射面構成。
5.根據權利要求1所述的穩定半導體雷射器工作波長的裝置，其特徵在於所述的集光器為一條傾斜寫入的長周期光纖光柵。
6.權利要求1所述的穩定半導體雷射器工作波長的裝置的使用方法，特徵在於包括下列步驟①設置半導體雷射器的工作點，包括連續工作或脈衝工作、脈衝寬度、重複頻率、驅動電流幅度以及這些參數的可容許範圍；②起動後，熱敏電阻(5)向單片機(105)提供溫度信息，第一探測器(104a)和第二探測器(104b)向單片機(105)提供波長偏差信號，經單片機(5)匯總處理後，發出指令自動調整半導體致冷器電源(8)的驅動電流和半導體雷射器電源(11)驅動電流，以穩定半導體雷射器的工作波長在所設定的範圍之內。
全文摘要
一種穩定半導體雷射器工作波長的裝置，其特點是在雷射器晶片的後腔面設置一集光器，該集光器的輸出端經導光光纖接光纖耦合器，該光纖耦合器的輸出分為兩路一路經濾光片、第二探測器與單片機的第一輸入端相連，另一路經第一探測器與所述的單片機的第二輸入端相連，測量雷射器熱沉溫度的熱敏電阻的輸出端接所述的單片機的第三輸入端，所述的單片機的第一輸出端接半導體致冷器電源的控制端，所述的單片機的第二輸出端與半導體雷射器驅動電源的控制端相連。本發明通過監控雷射波長直接地保證了雷射波長的準確性，同時監控雷射正向的輸出功率，不影響前向雷射輸出的性能；不影響雷射器及其組件的封裝結構；控制可靠，價格低廉。
文檔編號H01S5/00GK101017957SQ20071003738
公開日2007年8月15日 申請日期2007年2月9日 優先權日2007年2月9日
發明者方祖捷, 瞿榮輝, 陳高庭, 辛國鋒, 程燦 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所