CN101672889B - 脉冲式半导体激光器特性的检测装置 - Google Patents

Abstract

脉冲式半导体激光器特性的检测装置，涉及精密仪器与检测技术领域，它解决了现有半导体激光器特性检测装置存在大量热量累积被测激光器所处环境可能存在水蒸气问题。本发明的装置中的硬件控制电路的电流信号输出端输出的电流信号为脉冲式电流信号，所述脉冲式电流信号的步幅a为0.1mA；所述脉冲式电流信号的脉冲宽度b大于等于100ns，并且小于等于20μs；所述脉冲式电流信号的脉冲周期c大于等于200ns，并小于等于20ms；所述脉冲式电流信号的脉冲幅值d大于等于0mA，并小于等于500mA。本发明的装置中还包括氮气源，在检测过程中在被测激光器的环境中充入氮气，使得被测激光器在氮气环境下进行测试，进一步有效的避免水蒸气的生成。

Description

脉冲式半导体激光器特性的检测装置

技术领域

本发明涉及精密仪器与检测技术领域。

背景技术

目前，国内外众多厂家研制出的半导体激光器特性参数检测装置采用的检测方法主要是连续注入的方式。半导体激光器是依靠载流子直接注入工作的，由于其工作电流密度较高，伴随着激光输出的同时，将在器件的有源区产生热量，引起温升。半导体激光器的性能对于温度的变化极其敏感，有源区温度的升高将直接导致增益系数和辐射效率的降低，改变半导体中载流子分布与器件的电学特性及输出的光谱特性，引起模式的不稳定。如果产生的热量无法快速有效的散去，将严重影响器件的寿命，甚至烧毁的严重后果。连续注入式半导体激光器特性检测中，其中连续注入式电流波形参见图1，被测激光器处于连续工作状态，即使对其进行温度控制，但热量传导也需要一定时间，对于散热性能差的激光器件的性能会产生重大影响，甚至损坏。

在半导体激光器变温特性测试中，需要对激光器的热沉进行精密、均匀的温度控制，温度的瞬间变化，激光器所处环境的水蒸气很容易液化，液化后的冷凝水附在激光器引脚上，造成安全隐患，也会影响测试结果。

发明内容

为了解决现有半导体激光器特性检测装置存在大量热量累积使得被测激光器所处环境可能存在水蒸气问题，本发明提供了一种激光器夹具和包含激光器夹具的脉冲式半导体激光器特性的检测装置。

本发明的脉冲式半导体激光器特性检测装置，它包括计算机、硬件控制电路、屏蔽罩、激光器夹具、基座和光输出探测装置，所述屏蔽罩置于基座上，并且与基座形成密闭空间，硬件控制电路和计算机位于所述密闭空间外侧，激光器夹具和光输出探测装置位于密闭空间内侧，所述激光器夹具和光输出探测装置置于基座上，所述光输出探测装置的探测窗口面对着激光器夹具，并且所述光输出探测装置的探测窗口的中心轴线与安装在激光器夹具上的被测激光器输出的激光束的光束中心线重合，光输出探测装置的光电信号输出端连接硬件控制电路的光探测器信号输入端；激光器夹具的光信号输出端连接硬件控制电路的激光器光信号输入端；计算机的USB接口端连接硬件控制电路的USB接口端，所述硬件控制电路的温度采集信号输入端连接激光器夹具的温度信号输出端，所述硬件控制电路的温度控制信号输出端连接激光器夹具的温度控制信号输入端，所述硬件控制电路的电流信号输出端连接激光器夹具的驱动电流信号输入端，所述硬件控制电路的电流信号输出端输出的电流信号为脉冲式电流信号，所述脉冲式电流信号的步幅a为0.1mA；所述脉冲式电流信号的脉冲宽度b大于等于100ns，并且小于等于20μs；所述脉冲式电流信号的脉冲周期c大于等于200ns，并小于等于20ms；所述脉冲式电流信号的脉冲幅值d大于等于0mA，并小于等于500mA。

本发明的硬件控制电路的电流信号输出端输出的脉冲式电流信号使被测激光器处于散热和发热交替的工作状态，减小了热量累积，使被测激光器的散热时间变长，增强了散热效果，减少甚至避免了被测激光器所处环境出现水蒸气的问题，进而达到提高对被测激光器特性检测的精度效果。

附图说明

图1为现有技术中，在测量激光器性能是采用的连续注入式驱动电流的波形示意图，图中A为采样点，a为步幅；图2为具体实施方式二所述的激光器夹具的立体结构示意图；图3为本发明的脉冲式半导体激光器特性检测装置的结构示意图；图4为脉冲式半导体激光器特性检测装置的电气原理示意图；图5为本发明采用的脉冲式电流信号波形示意图，图中A为采样点，a为步幅，b为脉宽，c为脉冲周期，d为峰值；图6为具体实施方式六所述被测激光器的结构示意图；图7为采用本发明所述的检测方法对一半导体激光器特性进行测试的结果。

具体实施方式

具体实施方式一、本实施方式所述的一种脉冲式半导体激光器特性检测装置由计算机1、硬件控制电路2、屏蔽罩3、激光器夹具4、基座6和光输出探测装置7组成，所述屏蔽罩3置于基座6上，并且与基座6形成密闭空间，硬件控制电路2和计算机1位于所述密闭空间外侧，激光器夹具4和光输出探测装置7位于密闭空间内侧，所述激光器夹具4和光输出探测装置7置于基座6上，所述光输出探测装置7的探测窗口面对着激光器夹具4，并且所述光输出探测装置7的探测窗口的中心轴线与安装在激光器夹具4上的被测激光器输出的激光束的光束中心线重合，光输出探测装置7的光电信号输出端连接硬件控制电路2的光探测器信号输入端；激光器夹具4的光信号输出端连接硬件控制电路2的激光器光信号输入端；计算机1的USB接口端连接硬件控制电路2的USB接口端，所述硬件控制电路2的温度采集信号输入端连接激光器夹具4的温度信号输出端，所述硬件控制电路2的温度控制信号输出端连接激光器夹具4的温度控制信号输入端，所述硬件控制电路2的电流信号输出端连接激光器夹具4的驱动电流信号输入端。

本实施方式中的硬件控制电路2的电流信号输出端输出的电流信号为脉冲式电流信号，所述脉冲式电流信号的步幅a为0.1mA；所述脉冲式电流信号的脉冲宽度b大于等于100ns，并且小于等于20μs；所述脉冲式电流信号的脉冲周期c大于等于200ns，并且小于等于20ms；所述脉冲式电流信号的脉冲幅值d大于等于0mA，并小于等于500mA。

采用脉冲式电流信号作为被测激光器的驱动信号，使被测激光器5在测试过程中处于发热和散热交替的工作状态，能够有效地避免被测激光器始终处于连续工作状态并持续发热的问题，减少了热量累积。

本实施方式中的屏蔽罩3可以采用不透明屏蔽罩，使被测激光器5和光输出探测装置7工作在暗室中，避免了屏蔽罩外界光线对检测的干扰，使测量结果更准确。

具体实施方式二、参见图2说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置的区别在于，所述激光器夹具4由激光器电气连接座4-1、热沉支架4-2、热电制冷器一4-5、热电制冷器二4-6、激光器固定夹4-8、铝盘4-9和热敏电阻4-10组成，激光器电气连接座4-1固定在热沉支架4-2的底面4-2-1上，铝盘4-9固定于热沉支架4-2内，所述铝盘4-9上有激光器安装孔4-7，并且所述激光器安装孔4-7与激光器电气连接座4-1相对应，热电制冷器一4-5和热电制冷器二4-6固定于铝盘4-9的一面，并且所述热电制冷器一4-5和热电制冷器二4-6位于热沉支架4-2的底面4-2-1和铝盘4-9之间，激光器固定夹4-8固定在铝盘4-9的另一面上，并且位于激光器安装孔4-7旁边，热敏电阻4-10固定在铝盘4-9上，并且所述热敏电阻4-10位于热电制冷器一4-5和热电制冷器二4-6之间，所述热敏电阻用于测量所述铝盘4-9的温度。

本实施方式中所述激光器夹具4能够安装TO-5.6型和TO-9.0型的激光器组件。

本实施方式所述的激光器夹具4采用了双热电制冷器，并且用于测量温度的热敏电阻放置于所述两个热电制冷器之间，采用两个热电制冷器对铝盘进行制冷控温，进而对所述固定在铝盘上的被测激光器起到良好的散热效果，使测量效果更准确。

为了使热电制冷器与铝盘之间具有良好的导热效果，可以在热电制冷器一4-5和铝盘4-9之间、热电制冷器二4-6和铝盘4-9之间都加有导热硅脂。

具体实施方式三、参见图4说明本实施方式。本实施方式与具体实施方式一或二所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置的区别在于，所述硬件控制电路2由温度控制系统2-1、脉冲驱动电流源2-2、数字控制系统2-3、数据采集系统2-4和精密采样电阻2-5组成；所述数字控制系统2-3的USB接口端连接计算机1的USB接口端；所述数字控制系统2-3的温度控制信号输出端与温度控制系统2-1的温度控制信号输入端相连，所述数字控制系统2-3的温度采集信号输入端与温度控制系统2-1的温度信号输出端相连，所述温度控制系统2-1的温度控制信号输出端为所述硬件控制电路2的温度控制信号输出端，所述温度控制系统2-1的温度采集信号输入端为硬件控制电路2的温度信号输入端；所述数字控制系统2-3的脉冲控制信号输出端与脉冲驱动电流源2-2的脉冲控制信号输入端相连，所述脉冲驱动电流源2-2的脉冲驱动信号输出端连接精密采用电阻2-5的一端连接，所述精密采用电阻2-5的另一端为硬件控制电路2的脉冲驱动信号输出端，并且所述精密采用电阻2-5的另一端还连接数据采集系统2-4的驱动脉冲采样信号输入端；所述数字控制系统2-3的采集数据信号输入端与数据采集系统2-4的采集数据信号输出端相连，所述数据采集系统2-4的两个光电信号输入端为硬件控制电路2的光电信号输入端。

所述脉冲式半导体激光器特性检测装置以计算机1及计算机1的应用程序为控制核心，数字控制系统2-3采用单片机和现场可编程门阵列(FPGA)混合控制的方式，由现成可编程门阵列生成的逻辑控制电路分别控制数据采集系统2-4内的各D/A转换器通道和A/D转换器通道，实现数据采集系统2-4同步数据采集。脉冲驱动电流源2-2引入负反馈控制技术，能分别高稳定度的控制脉冲峰值电流和脉冲峰值光功率。此外，还引入了保护单元，确保被测激光器5的安全。

具体实施方式四、本实施方式与具体实施方式一、二或三所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置的区别在于，所述脉冲式半导体激光器特性检测装置还包括氮气源9，屏蔽罩3上有氮气接口，所述氮气源9的氮气输出口通过屏蔽罩3上的氮气接口与所述屏蔽内连通。

本实施方式中所述的氮气源9中的压缩氮气采用纯净氮气，输出氮气的压力大于等于0.01MPa，并且小于等于0.2MPa。

本实施方式增加了氮气接口，可以在测试过程中往屏蔽罩内充氮气，使得被测激光器在氮气环境中测试，避免空气中的杂质及水蒸气影响测试结果。

具体实施方式五、本实施方式与具体实施方式二或三所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置的区别在于，所述脉冲式半导体激光器特性检测装置还包括氮气源9，屏蔽罩3上有氮气接口，所述激光器夹具4还包括气嘴4-3，所述气嘴4-3固定在热沉支架4-2上，并且使热沉支架内部4-4与外部连通，所述氮气源9的氮气输出口通过屏蔽罩3上的氮气接口与激光器夹具4上的气嘴4-3连通。

本实施方式中在激光器夹具上增加的气嘴，使得氮气源的氮气直接输送至激光器夹具附近，使这里的氮气浓度最高。

具体实施方式六、基于具体实施方式一、二或三所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置的脉冲式半导体激光器特性检测方法的具体步骤包括：

步骤一、将被测激光器5安装在激光器夹具4上；

步骤二、计算机1将温度设定数值通过USB接口传输给硬件控制电路2；

步骤三、硬件控制电路2根据接收到的温度设定数值控制激光器夹具4中被测激光器5的温度，使所述被测激光器5的温度保持在所述温度设定数值；

步骤四、计算机1将设定的驱动脉冲信号条件和采样门信号宽度发送给硬件控制电路2，所述脉冲驱动条件包括脉冲幅值的范围、脉冲幅值的保护上限值、步幅a、脉冲宽度b和脉冲周期c；

步骤五、硬件控制电路2根据接收到的驱动脉冲信号的条件输出驱动脉冲信号给被测激光器5，同时，根据接收到的采样门信号宽度采集被测激光器5和光输出探测装置7的输出的光电信号；

步骤六、硬件控制电路2将采集到的信号通过USB输出给计算机1，所述计算机1将接收到的信号进行保存，并且对所述信息进行拟合、平滑和滤波处理，获得被测激光器5的V-I、L-I、Im-I、dV/dI-I和dL/dI-I曲线，从而得到反映被测激光器5特性的阈值电流Ith、串联电阻Rs和斜率效率η。

本实施方式中的被测激光器5参见图6所示，由窗口5-1，衬底5-2、热忱5-3、引脚5-4、管芯5-5、外壳5-6和光电探测器5-7组成。测试时，被测激光器5安装在激光器夹具4上，所述被测激光器5由激光器固定夹4-8固定，被测激光器5的热沉4-3与激光器夹具4的铝盘4-9紧密接触，被测激光器5的引脚5-4与激光器夹具4的激光器电气连接座4-1实现电气接触。

具体实施方式七、基于具体实施方式四或五所述的所述脉冲式半导体激光器特性检测装置的脉冲式半导体激光器特性检测方法，其特征在于所述脉冲式半导体激光器特性检测方法的具体步骤包括：

步骤一、将被测激光器5安装在激光器夹具4上，打开氮气源9向屏蔽罩3内输入氮气；

步骤二、计算机1将温度设定数值通过USB接口传输给硬件控制电路2；

步骤三、硬件控制电路2根据接收到的温度设定数值控制激光器夹具4中被测激光器5的温度，使所述被测激光器5的温度保持在所述温度设定数值；然后，氮气源9停止屏蔽罩3内输入氮气内输出氮气；

步骤四、计算机1将设定的驱动脉冲信号条件和采样门信号宽度发送给硬件控制电路2，所述脉冲驱动条件包括脉冲幅值的范围、脉冲幅值的保护上限值、步幅a、脉冲宽度b和脉冲周期c；

步骤五、硬件控制电路2根据接收到的驱动脉冲信号的条件输出驱动脉冲信号给被测激光器5，同时，根据接收到的采样门信号宽度采集被测激光器5和光输出探测装置7的输出的光电信号；

步骤六、硬件控制电路2将采集到的信号通过USB输出给计算机1，所述计算机1将接收到的信号进行保存，并且对所述信息进行拟合、平滑和滤波处理，获得被测激光器5的V-I、L-I、Im-I、dV/dI-I和dL/dI-I曲线，从而得到反映被测激光器5特性的阈值电流Ith、串联电阻Rs和斜率效率η。

本实施方式在检测过程中，向屏蔽罩内输送氮气，使得屏蔽罩内的被测激光器5处于氮气的工作环境中，有效的防止了空气中存在的水蒸气的冷凝水附着被测激光器5的引脚5-4上，带来安全隐患的问题，保证了被测激光器5的工作状态，进而提高测试精度

当采用具体实施方式五所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置实现盖检测方法是，氮气源中的氮气被直接输送到激光器夹具4的腔体中，即被测激光器的管脚处，使得被测激光器的管脚处的氮气浓度最大，效果更佳。

上述具体实施方式六和实施方式七中，步骤四中的脉冲幅值的保护上限值是根据被测激光器的最大输出功率来设定的；步骤五中所述的采样门信号宽度为50ns，并与脉冲式电流信号同步于40％～90％之间。

图7为采用本实施方式所述的方法对激光器的特性进行检测获得的测试结果，其中硬件控制电路2输出的电流信号为脉宽为100ns、周期为20μs的脉冲式电流信号，图中的纵坐标分别为：端电压VF(单位V)、光功率L(单位mW)、背光电流mA、光导数dL/dI(单位W/A)、电导数dV/dI(单位Ω)，图中的五条曲线分别为dv/dI-I曲线、V-I曲线、dL/dI-I曲线、L-I曲线和Im-I曲线，经过对所述测试结果的计算可以得到所述半导体激光器的阈值电流Ith为10.55mA，串联电阻Rs为5.028Ω，斜率效率为0.149W/A，特征温度T₀为148.5℃。

Claims (6)

1.一种脉冲式半导体激光器特性检测装置，其特征在于所述脉冲式半导体激光器特性检测装置包括计算机(1)、硬件控制电路(2)、屏蔽罩(3)、激光器夹具(4)、基座(6)和光输出探测装置(7)，所述屏蔽罩(3)置于基座(6)上，并且与基座(6)形成密闭空间，硬件控制电路(2)和计算机(1)位于所述密闭空间外侧，激光器夹具(4)和光输出探测装置(7)位于密闭空间内侧，所述激光器夹具(4)和光输出探测装置(7)置于基座(6)上，所述光输出探测装置(7)的探测窗口面对着激光器夹具(4)，并且所述光输出探测装置(7)的探测窗口的中心轴线与安装在激光器夹具(4)上的被测激光器输出的激光束的光束中心线重合，光输出探测装置(7)的光电信号输出端连接硬件控制电路(2)的光探测器信号输入端；激光器夹具(4)的光信号输出端连接硬件控制电路(2)的激光器光信号输入端；计算机(1)的USB接口端连接硬件控制电路(2)的USB接口端，所述硬件控制电路(2)的温度采集信号输入端连接激光器夹具(4)的温度信号输出端，所述硬件控制电路(2)的温度控制信号输出端连接激光器夹具(4)的温度控制信号输入端，所述硬件控制电路(2)的电流信号输出端连接激光器夹具(4)的驱动电流信号输入端，所述硬件控制电路(2)的电流信号输出端输出的电流信号为脉冲式电流信号，所述脉冲式电流信号的步幅a为0.1mA；所述脉冲式电流信号的脉冲宽度b大于等于100ns，并且小于等于20μs；所述脉冲式电流信号的脉冲周期c大于等于200ns，并小于等于20ms；所述脉冲式电流信号的脉冲幅值d大于等于0mA，并小于等于500mA。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲式半导体激光器特性检测装置，其特征在于，所述激光器夹具(4)包括激光器电气连接座(4-1)、热沉支架(4-2)、热电制冷器一(4-5)、热电制冷器二(4-6)、激光器固定夹(4-8)、铝盘(4-9)和热敏电阻(4-10)，激光器电气连接座(4-1)固定在热沉支架(4-2)的底面(4-2-1)上，铝盘(4-9)固定于热沉支架(4-2)内，所述铝盘(4-9)上有激光器安装孔(4-7)，并且所述激光器安装孔(4-7)与激光器电气连接座(4-1)相对应，热电制冷器一(4-5)和热电制冷器二(4-6)固定于铝盘(2-9)的一面，并且所述热电制冷器一(4-5)和热电制冷器二(4-6)位于热沉支架(4-2)的底面(4-2-1)和铝盘(4-9)之间，激光器固定夹(4-8)固定在铝盘(4-9)的另一面上，并且位于激光器安装孔(4-7)旁边，热敏电阻(4-10)固定在铝盘(4-9)上，并且所述热敏电阻(4-10)位于热电制冷器一(4-5)和热电制冷器二(4-6)之间，所述热敏电阻用于测量所述铝盘(4-9)的温度。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲式半导体激光器特性检测装置，其特征在于所述热电制冷器一(4-5)和铝盘(4-9)之间有导热硅脂，热电制冷器二(4-6)和铝盘(4-9)之间有导热硅脂。

4.根据权利要求1所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置，其特征在于所述硬件控制电路(2)由温度控制系统(2-1)、脉冲驱动电流源(2-2)、数字控制系统(2-3)、数据采集系统(2-4)和精密采样电阻(2-5)组成；所述数字控制系统(2-3)的USB接口端连接计算机(1)的USB接口端；所述数字控制系统(2-3)的温度控制信号输出端与温度控制系统(2-1)的温度控制信号输入端相连，所述数字控制系统(2-3)的温度采集信号输入端与温度控制系统(2-1)的温度信号输出端相连，所述温度控制系统(2-1)的温度控制信号输出端为所述硬件控制电路(2)的温度控制信号输出端，所述温度控制系统(2-1)的温度采集信号输入端为硬件控制电路(2)的温度采集信号输入端；所述数字控制系统(2-3)的脉冲控制信号输出端与脉冲驱动电流源(2-2)的脉冲控制信号输入端相连，所述脉冲驱动电流源(2-2)的脉冲驱动信号输出端与精密采样电阻(2-5)的一端连接，所述精密采样电阻(2-5)的另一端为硬件控制电路(2)的脉冲驱动信号输出端，并且所述精密采样电阻(2-5)的另一端还连接数据采集系统(2-4)的驱动脉冲采样信号输入端；所述数字控制系统(2-3)的采集数据信号输入端与数据采集系统(2-4)的采集数据信号输出端相连，所述数据采集系统(2-4)的两个光电信号输入端为硬件控制电路(2)的光电信号输入端。

5.根据权利要求2或3所述的脉冲式半导体激光器特性检测装置，其特征在于所述脉冲式半导体激光器特性检测装置还包括氮气源(9)，屏蔽罩(3)上有氮气接口，所述氮气源(9)的氮气输出口通过屏蔽罩(3)上的氮气接口与所述屏蔽罩内连通。

6.根据权利要求5所述的一种脉冲式半导体激光器特性检测装置，其特征在于所述激光器夹具(4)还包括气嘴(4-3)，所述气嘴(4-3)固定在热沉支架(4-2)上，并且使热沉支架内部(4-4)与外部连通，屏蔽罩(3)上的氮气接口与所述激光器夹具(4)上的气嘴(4-3)连通。

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