CN100452580C - 稳定半导体激光器工作波长的装置 - Google Patents

Abstract

一种稳定半导体激光器工作波长的装置，其特点是在激光器芯片的后腔面设置一集光器，该集光器的输出端经导光光纤接光纤耦合器，该光纤耦合器的输出分为两路：一路经滤光片、第二探测器与单片机的第一输入端相连，另一路经第一探测器与所述的单片机的第二输入端相连，测量激光器热沉温度的热敏电阻的输出端接所述的单片机的第三输入端，所述的单片机的第一输出端接半导体致冷器电源的控制端，所述的单片机的第二输出端与半导体激光器驱动电源的控制端相连。本发明通过监控激光波长直接地保证了激光波长的准确性，同时监控激光正向的输出功率，不影响前向激光输出的性能；不影响激光器及其组件的封装结构；控制可靠，价格低廉。

Description

稳定半导体激光器工作波长的装置

技术领域

本发明涉及激光，特别是一种用于泵浦固体激光器的半导体激光器工作波长稳定装置。

背景技术

大功率半导体激光器泵浦的全固态激光器，是近几年发展的一个热点。与闪光灯泵浦光源相比，半导体激光器泵浦光源有突出的优点。半导体激光器的电光转换效率高、体积小、使用方便。更重要的是其光谱与激光材料的吸收光谱匹配好，因此产生的热效应小，十分有利于提高固体激光器的工作稳定性和光束质量。

但是，半导体激光器的发光波长随其工作温度变化很大。这一温度关系主要来源于半导体材料禁带宽度的温度关系，它可以表示为：

λ_p(T)＝λ_p(T₀)+λ′_T(T-T₀)

式中温度T为半导体激光器激活区，即半导体P-N结区的温度，简称为结温。λ′_T为激光器激射波长的温度系数。对于常用的800nm波段泵浦光源的AlGaAs激光器，波长温度系数大约为 ${\mathrm{\λ}}_T^{\′}=\∂{\mathrm{\λ}}_p/\∂T\≈0.3\mathrm{nm}/K.$ 在半导体激光器工作时，外加注入电流在结区转化为激光能量，同时也有相当大的一部分转化为发热。半导体结区温升的大小一般用半导体激光器的热阻R_th来描述：

ΔT_J＝T-T₀＝R_thP_H

式中P_H为电流产生的热功率。电流注入的总功率可以分为热功率P_H和激光功率P_L两部分：P＝I(V_J+V_S)＝P_L+P_H＝η_LP+(1-η_L)P。式中V_J为结电压，V_S为激光器串联电阻上的压降，η_L为发光效率。半导体激光器的激光波长也将随着半导体激光器的结温的变化而变化：

λ_p(T)＝λ_p(T₀)+λ′_TΔT_J

为了保证半导体激光器输出符合要求的功率和工作波长，要对半导体激光器进行致冷和温度控制。常规的致冷温控系统的框图如图1所示。图中1为半导体激光器的芯片(Bar)；2为激光器的热沉，也是给激光器供电的正极；3为激光器的上电极；4为绝缘垫块；5为热敏电阻；6为比较器；7为放大器；8为半导体致冷器电源；9为半导体致冷器；10为半导体致冷器的散热器；11为半导体激光器驱动电源。致冷温控系统工作时，通过比较器6设定所需的激光器热沉温度。响应的电阻值与测量得到的热敏电阻5的电阻值作比较，其差值经过放大器7放大，调整半导体致冷器电源8输出的工作电流，升高或降低半导体致冷器9的工作点，达到温度控制的目的。

在这一温控系统中，工作波长与温度的关系是事先测定的，再根据测定的关系来设定控制温度值。并没有对半导体激光器的真实工作波长进行实时监控。实际上，工作波长与温度的关系是会变化的。尤其是随着半导体激光器在使用过程中的老化和退化，激光器的阈值电流、发光效率就会发生变化。使用过程中激光器工作状态也可能根据使用要求变化，而不能保持与激光器安装前进行特性测量时相同。因此仅仅根据事先测定的波长温度系数来确定工作状态，很可能并不是最佳的工作状态。为此，本发明提出一种直接以工作波长为监控参数的稳定装置。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服上述现有技术的不足，提供一种半导体激光器工作波长稳定装置，对半导体激光器工作波长进行即时监控，使半导体激光器工作在最佳的工作状态。

本发明的技术解决方案如下：

一种稳定半导体激光器工作波长的装置，该半导体激光器的芯片置于热沉上，该热沉与半导体激光器驱动电源的正极相连，激光器的上电极用绝缘垫块与热沉隔离并与所述的半导体激光器驱动电源的负极相连，在所述的热沉上设有热敏电阻，一半导体致冷器的一面与所述的热沉粘在一起，该半导体致冷器的另一面是半散热器，一半导体致冷器电源对半导体致冷器供电，其特点是在所述的芯片的后腔面设置一集光器，该集光器的输出端经导光光纤接光纤耦合器，该光纤耦合器的输出分为两路：一路经滤光片、第二探测器与单片机的第一输入端相连，另一路经第一探测器与所述的单片机的第二输入端相连，所述的热敏电阻的输出端接所述的单片机的第三输入端，所述的单片机的第一输出端与所述的半导体致冷器电源的控制端相连，所述的单片机的第二输出端与所述的半导体激光器驱动电源的控制端相连。

所述的集光器是在一段光纤上制作一个或多个劈形凹槽制成的，每一个劈形凹槽与所述的半导体激光器的条形发光区相对应。

所述的集光器为一段粗细相间的光纤。

所述的集光器是在光纤端面上制作一个45°的反射面构成。

所述的集光器为一条倾斜写入的长周期光纤光栅。

所述的稳定半导体激光器工作波长的装置的使用方法，特征在于包括下列步骤：

①设置半导体激光器的工作点，包括连续工作或脉冲工作、脉冲宽度、重复频率、驱动电流幅度以及这些参数的可容许范围；

②起动后，热敏电阻向单片机提供温度信息，第一探测器和第二探测器向单片机提供波长偏差信号，经单片机汇总处理后，发出指令自动调整半导体致冷器电源的驱动电流和半导体激光器电源驱动电流，以稳定半导体激光器的工作波长在所设定的范围之内。

本发明的技术效果：

本发明对半导体激光器工作波长进行即时监控，使半导体激光器工作在最佳的工作状态。本发明的特点和优点是：

一、与常规的监控热沉温度相比，监控激光波长直接地保证了激光波长的准确性，更适用于由于激光器工作条件变化(包括：脉冲宽度、重复频率、波形、电流幅度等)时和器件退化情况下激射波长的监控；

二、利用激光器的后向出光，不影响前向激光输出的性能；并可同时监控激光器正向的激光输出功率。

三、通过导光光纤传送到一定间距处进行波长监测，不影响激光器及其组件的封装结构。

四、采用的元件具有充分的可行性，价格低廉。

附图说明

图1为常规的致冷温控系统的框图

图2为本发明的半导体激光器工作波长稳定装置的结构示意图

图3为本发明的部分结构的侧视图

图4为本发明集光器的具体结构之一示意图

图5为本发明集光器的具体结构之二示意图——用于单条半导体激光器的集光器的结构

图6为本发明集光器的具体结构之三示意图

图7为本发明集光器的具体结构之四示意图

图8为本发明波长和功率稳定控制的流程图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

本发明半导体激光器工作波长稳定装置的结构如图2所示。图中：101为集光器；101a为固定集光器101的粘结点；102为导光光纤；103为滤光片；104为探测器；105为单片机。由图可见，本发明稳定半导体激光器工作波长的装置，该半导体激光器的芯片1置于热沉2上，该热沉2与半导体激光器驱动电源11的正极相连，激光器的上电极3用绝缘垫块4与热沉2隔离并与所述的半导体激光器驱动电源11的负极相连，在所述的热沉2上设有热敏电阻5，一半导体致冷器9的一面与所述的热沉2粘在一起，该半导体致冷器9的另一面是散热器10，一半导体致冷器电源8对半导体致冷器9供电，其特点是在所述的芯片1的后腔面设置一集光器101，该集光器101的输出端经导光光纤102接光纤耦合器106，该光纤耦合器106的输出分为两路：一路经滤光片103、第二探测器104b与单片机105的第一输入端相连，另一路经第一探测器104a与所述的单片机105的第二输入端相连，所述的热敏电阻5的输出端接所述的单片机105的第三输入端，所述的单片机105的第一输出端与所述的半导体致冷器电源8的控制端相连，所述的单片机105的第二输出端与所述的半导体激光器驱动电源11的控制端相连。

其中，集光器101的作用是将激光器芯片1的后向发射激光收集起来，通过导光光纤102传输出来。这是利用了一般激光器两个腔面都有激光输出的特性。后腔面输出虽然比正面输出小得多，但是可以用来作为光波长的监控。滤光片103为一个峰值波长为设定的控制波长的干涉滤光片。集光器101收集的后向输出光经过导光光纤102经光纤耦合器106分为两路，一路直接被第一探测器104a接收，另一路经滤光片103后被第二探测器104b接收。激光器的激光波长与其峰值波长一致时，从第一探测器104a和第二探测器104b产生的光电流之比最大；当波长有偏离时，该比值将减小。由此，就可以感知半导体激光器工作波长的变化。第一探测器104a的信号即时反映激光输出功率的大小，因此可以用来作为功率控制的反馈信号。这一变化传送到单片机105，进行数据处理。单片机105同时接收热敏电阻5发送过来的温度信号。经过数据处理判断，确定半导体致冷器工作电流的调节幅度，通过致冷器电源8，调整对半导体致冷器9(置于半导体激光器热沉2的下面，图2为顶视图，没有显示致冷器)供电的电流，以维持激光器工作波长在设定的波动幅度之内。另一方面，单片机105根据使用要求，和第一探测器104a接收的反馈信号，确定半导体激光器的工作电流，通过激光器驱动电源11给出激光器的工作电流。图中3为激光器上电极，为了显示安装在下面的集光器101，用虚线表示。

图3为本发明部分结构的侧视图，显示集光器101的安装位置是在激光器后腔面的后面。

图4为本发明中的集光器101的具体结构之一的示意图。其特点是在光纤上制作多个劈形凹槽101b，其作用是将一部分激光束反射耦合到光纤的纤芯中去。图中A为激光器的前向激光输出；B为激光器的后向输出；C为在凹槽出反射的光束。一般激光器芯片，宽度为1厘米，内部包含有数十个条形发光区，条宽为数百微米。每一条区都有前向和后向光束输出。图中作为一个示意画了三个后向输出光束B和侧向反射光束C。正向输出一般组合使用，仅用一个箭头表示。集光器101中制备的凹槽101b的个数及其间距，与所用的激光器芯片的条数和间距相对应。实际应用中也常用仅由一个条区构成的半导体激光器，特别是单纵模激光器。此时，集光器只需要制作一个凹槽作为反射器就可以了。或者在光纤端面上制作一个45度角度反射面，就可以作为集光器，如图5中101c所示。

图6为本发明集光器的具体结构之三的示意图。图中集光器201为一个粗细相间的光纤。后向的激光束在一系列粗细交界处发生反射或散射，就会有一部分光波从两个方向耦合进入光纤的纤芯。光纤的两端的输出经过导光光纤102传送到监控单元1034，该单元包含滤光片103和第一探测器104a和第二探测器104b。

图7为本发明提出的集光器的具体结构之四的示意图。图中集光器301为一条倾斜写入的长周期光纤光栅。根据布拉格衍射的原理，入射的激光光波经由光栅的衍射，转换为光纤的纤芯模式，从而可以从导光光纤102输出，经滤光片103鉴别、第一探测器104a和第二探测器104b接收，实现对激光波长的监控。

所述的集光器101和集光器101b的制作可以采用光学微加工的方法实现。集光器201的制作可以采用电火花的方法，对光纤进行熔融加工实现；也可以采用化学腐蚀的方法实现。集光器301的制作可以采用在掩模版下进行紫外辐照的方法实现。

本发明的波长稳定控制流程如图8所示。系统使用时，设置激光器的工作点，主要包括连续工作或脉冲工作、脉冲宽度、重复频率、驱动电流幅度(对应的输出功率事先测定)以及这些参数的可容许范围。起动后，热沉2的温度检测器件热敏电阻5和本发明的波长检测器件同时开始工作，提供波长偏差信号和温度信息。本发明的波长检测器件构成为：该集光器101的输出端经导光光纤102接光纤耦合器106，该光纤耦合器106的输出分为两路：一路经滤光片103、第二探测器104b与单片机105的第一输入端相连，另一路经第一探测器104a与所述的单片机105的第二输入端相连，。经单片机汇总处理后，判断波长和输出功率是否在设定范围之内？偏差超过设定范围，自动调整致冷器工作电流和激光器驱动电流，以维持在所设定的范围之内。

实验和分析表明：本发明对半导体激光器工作波长进行即时监控，使半导体激光器工作在最佳的工作状态。通过监控激光波长直接地保证了激光波长的准确性，同时监控激光正向的输出功率，不影响前向激光输出的性能，不影响激光器及其组件的封装结构，控制可靠，价格低廉。

Claims (5)

1、一种稳定半导体激光器工作波长的装置，该装置包括半导体激光器、热沉(2)、绝缘垫块(4)、热敏电阻(5)、一半导体致冷器电源(8)、一半导体致冷器(9)、散热器(10)、半导体激光器驱动电源(11)、一集光器(101)、导光光纤(102)、滤光片(103)、第一探测器(104a)、第二探测器(104b)、单片机(105)和光纤耦合器(106)，该半导体激光器的芯片(1)置于所述的热沉(2)上，该热沉(2)与所述的半导体激光器驱动电源(11)的正极相连，该半导体激光器的上电极(3)用所述的绝缘垫块(4)与所述的热沉(2)隔离并与所述的半导体激光器驱动电源(11)的负极相连，在所述的热沉(2)上设置所述的热敏电阻(5)，所述的半导体致冷器(9)的一面与所述的热沉(2)粘在一起，该半导体致冷器(9)的另一面是所述的散热器(10)，所述的半导体致冷器电源(8)对所述的半导体致冷器(9)供电，在所述的芯片(1)的后腔面的后面设置所述的集光器(101)，该集光器(101)的输出端经所述的导光光纤(102)接所述的光纤耦合器(106)，该光纤耦合器(106)的输出分为两路：一路依次经所述的滤光片(103)和所述的第二探测器(104b).后与所述的单片机(105)的第一输入端相连，另一路经所述的第一探测器(104a)后与所述的单片机(105)的第二输入端相连，所述的热敏电阻(5)的输出端接所述的单片机(105)的第三输入端，所述的单片机(105)的第一输出端与所述的半导体致冷器电源(8)的控制端相连，所述的单片机(105)的第二输出端与所述的半导体激光器驱动电源(11)的控制端相连。

2、根据权利要求1所述的稳定半导体激光器工作波长的装置，其特征在于：所述的集光器(101)是在一段光纤上制作一个或多个劈形凹槽(101b)制成的，每一个劈形凹槽(101b)与所述的半导体激光器的条形发光区相对应。

3、根据权利要求1所述的稳定半导体激光器工作波长的装置，其特征在于：所述的集光器为一段粗细相间的光纤。

4、根据权利要求1所述的稳定半导体激光器工作波长的装置，其特征在于：所述的集光器是在光纤端面上制作一个45°的反射面构成。

5、根据权利要求1所述的稳定半导体激光器工作波长的装置，其特征在于所述的集光器为一条倾斜写入的长周期光纤光栅。

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