CN102062675B - 一种半导体激光器寿命测试装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器寿命测试装置，包括光学平台，光学平台上设有平行导轨和激光器水冷阵列；平行导轨上设有电动平移台，电动平移台上固定着积分球和功率探测PD，积分球通过光纤连接有光谱仪，光谱仪连接至工控机上；功率探测PD通过采集卡与工控机连接；激光器水冷阵列的旁侧设有温度采集模块，温度采集模块连接至工控机；电动平移台通过控制电缆连接平移台控制器，平移台控制器连接到工控机上。该系统可针对不同封装类型、不同功率及数量的激光器产品进行自动参数测试。在工作过程中自动对所测激光器产品的功率及光谱信息进行采集并记录，并可进行自动报表打印数据，形成测试报告，为激光器产品失效分析及研究提供依据。

Description

一种半导体激光器寿命测试装置

技术领域

本发明属于激光器测试技术领域，涉及一种激光器测试装置，尤其是一种用于大功率半导体激光器寿命测试的装置。

背景技术

大功率半导体激光器在通信、军事、医疗等许多领域得到广泛应用。其可靠性作为衡量激光器产品的重要指标越来越为人们所重视。这主要由于：

(1)通过半导体激光器的可靠性研究，可以准确的判断半导体激光器的失效机制。

(2)测试半导体激光器的实际工作寿命时间。

(3)为半导体激光器的老化性研究提供依据。

(4)为改进器件设计和工艺技术来提高半导体激光器的可靠性。

然而，由于大功率半导体激光器的寿命测试往往需要在激光器工作状态下，定时且长期的测量多种激光器性能参数，不但需要测试设备具有较高的稳定性与重复性，而且需要大量的数据统计及分析。多年来，国内外多家单位在半导体激光器寿命测试中做了大量工作。其中，美国ILX Light wave公司2003年开发生产的LRS-9420/LRS9422型激光器可靠性测试系统。这种系统的测试温度范围为40℃-150℃温控准确度为士1℃温度稳定度为士0.5℃，最大驱动电流500mA，所测激光器波长范围是600nm至1800nm，可提供恒定工作电流(ACC、恒定光功率(APC)、光功率--电流--电压参数测试(LIV)三种测试模式。国内激光器产品的寿命测试的手段及方法还处于理论研究阶段。如吉林大学李红岩等提出利用电导数测试法。利用电导数(V～I关系一阶导数与电流I的乘积)可以用来研究半导体激光器结构参数特征，届电压饱和特征等，并依据这些参数预测激光器件的寿命。

然而，现有的激光器寿命测试系统对激光器的测试功率范围一般较低，而国内所开发的激光器寿命测试系统，多数集中在手动测量，或理论推导阶段。这种方式难以保证测试的精确性与稳定性，尤其是针对大功率的激光器测试时，其数据难以反映激光器的真实寿命工作过程。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种半导体激光器寿命测试装置，该装置能够对激光器的整个工作过程进行全程监控，定时对激光器在工作过程中的功率信息与光谱信息进行采集，存储，并实现自动报表，为激光器的长期可靠性研究提供依据。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种半导体激光器寿命测试装置，包括光学平台以及设置在光学平台上的工控机，所述光学平台上还设有平行导轨和激光器水冷阵列，所述激光器水冷阵列与所述平行导轨相互平行；所述平行导轨上设有电动平移台，所述电动平移台上固定着积分球和功率探测PD，所述积分球通过光纤连接有光谱仪，所述光谱仪连接至工控机上；所述功率探测PD通过采集卡与工控机连接；所述激光器水冷阵列的旁侧还设有温度采集模块，所述温度采集模块的输出端连接至工控机的输入端；所述电动平移台通过控制电缆连接有平移台控制器，所述平移台控制器连接到工控机上。

上述激光器水冷阵列的进水口通过管道和流量计连接至冷水机的出水口上，所述流量计通过巡检仪连接到工控机上。

上述巡检仪、温度采集模块以及平移台控制器通过三个串口连接器相连接。

上述激光器水冷阵列上设置有由多个待测激光器组成的待测激光器阵列，所述待测激光器以等间距的排列方式置于激光器水冷阵列上，所述温度采集模块上安装有多根热电偶或热电阻，所述多根热电偶或热电阻分别固定于待测激光器的热沉处。

上述激光器水冷阵列通过支架固定在所述光学平台上。

上述待测激光器阵列的电源输入端连接有电源组，所述电源组对待测激光器进行分组电连接供电，所述电源组通过GPIB控制器连接至工控机上。

上述电源组是恒流电源或脉冲电源。

以上所述工控机上设有控制系统，所述控制系统包括以下模块：

参数设置模块，用于设置所测激光器产品的基本信息，并将信息录入数据库；

监测模块，用于对激光器阵列中的各激光器产品进行温度及水流量的监测，当产品温度高于所设定的允许产品温度上限或水流量低于所设定的产品工作流量时，自动报警并切断电源以保障待测激光器的安全；

控制模块，用于对承载积分球的平移导轨的进给参数进行控制，同时也对待测激光器功率采集及光谱采集的时机、速度等进行控制；

显示模块，显示待测激光器的功率及光谱曲线，并给出待测激光器工作的中心波长信息；

数据报表模块，给出待测激光器阵列中任意一个待测激光器的工作信息报表。

本发明具有以下有益效果：

本发明以工控机作为总的控制核心，使待测激光器以等间距的排列方式置于激光器水冷阵列及上，通过电源组对待测激光器进行分组电连接提供供电，该装置在待测激光器工作状态下，由平移导轨上的电动平移台带动积分球，按照设定的步长对激光器阵列中的每一个待测激光器件产品进行参数测试，其定时测试时间可以任意设定。这种测试形式不仅可以采用积分球+采集卡+光谱仪的方式进行激光器功率及光谱的批量探测、有效提高半导体激光器的测试效率，而且本发明提供了一个通用的寿命测试系统平台，不仅可以进行功率或谱线的扫描，也可进行LIV产品参数测试，实现了多功能化。

附图说明

图1为本发明的半导体激光器寿命测试装置原理框图；

图2为本发明的寿命测试装置的其中一种实施例的部分结构示意图；

图3为本发明运行在工控机上的控制系统模块框图。

其中：1.光学平台；2.平行导轨；3.积分球；4.激光器水冷阵列；5.支架；6.光谱仪；8.巡检仪；9.GPIB控制器；10.工控机；11.电源组；12.冷水机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细描述：

参见图1和图2，本发明的半导体激光器寿命测试装置，包括光学平台1以及设置在光学平台1上的工控机10等。其中光学平台1上还设有平行导轨2和激光器水冷阵列4，激光器水冷阵列4通过支架5固定在所述光学平台1上。激光器水冷阵列4与平行导轨2相互平行。平行导轨2上设有电动平移台，该电动平移台上固定着积分球3和功率探测PD，积分球3通过光纤连接有光谱仪6，光谱仪6连接至工控机10上；功率探测PD通过采集卡与工控机10连接。激光器水冷阵列4的旁侧还设有温度采集模块，温度采集模块的输出端连接至工控机10的输入端。电动平移台通过控制电缆连接有平移台控制器，平移台控制器连接到工控机10上。激光器水冷阵列4的进水口通过管道和流量计连接至冷水机12的出水口上，流量计通过巡检仪8连接到工控机10上。巡检仪8、温度采集模块以及平移台控制器通过三个串口连接器相连接。本发明的激光器水冷阵列4上设置有由多个待测激光器组成的待测激光器阵列，待测激光器以等间距的排列方式置于激光器水冷阵列4上，温度采集模块上安装有多根热电偶或热电阻，多根热电偶或热电阻分别固定于待测激光器的热沉处。待测激光器阵列的电源输入端连接有电源组11，电源组11对待测激光器进行分组电连接供电，电源组11还通过GPIB控制器9连接至工控机10上。在本发明中，该电源组11可以采用恒流电源或脉冲电源。

以上对本发明的各部分间联系关系进行了详细描述，以下通过各功能区的工作原理及作用来进一步介绍本发明的各组成部分：

1)激光器水冷阵列4：激光器水冷阵列4是由若干个激光器水冷块组成的，在本发明的较佳实施例中，如图2所示，激光器水冷阵列4是固定设置在支架5上的，支架5用于将各水冷块并联并固定住，各水冷块之间并联后有一对公用的进水口和出水口用于给各制冷块提供循环的冷却液。该激光器水冷阵列4主要为工作中的待测激光器提供制冷。

2)水冷机构。包括冷水机、流量计和巡检仪三部分。其中冷水机12用于供应对激光器阵列在工作状态下的冷却水，即制冷水机为激光器水冷阵列4提供循环冷却水，其水路采用汇流排方式为激光器阵列中的每一个激光器进行并联式水路冷却，从而确保每个待测激光器的工作温度保持一致。流量计则安装于冷水机12回水的总水路上，通过巡检仪8与工控机10通信，进行实时水流量监测。

3)控制机构。包括GPIB控制器9和平移台控制器两部分。其中GPIB控制器9用于对激光器电源组11的控制，平移台控制器则通过控制电缆对平行导轨2上的电动平移台的运动方式进行控制，使电动平移台能够沿着平行导轨2直线滑动。

4)采集机构。包括功率探测PD、光谱仪6、采集卡和温度采集模块四部分。功率探测PD置于积分球3上，用于探测待测激光器工作状态下所发出的光功率。通过功率探测PD光电转换，将功率信号送入采集卡中，从而实现实时功率采集。光谱仪6则通过连接在积分球3上的光纤对激光器的光谱信息进行采集。温度采集模块则用于待测激光器阵列中的每一个待测激光器热沉的温度的探测。其通过多个安装在待测激光器热沉处的热电偶或热电阻实现每一个待测激光器工作状态下的温度探测。

5)执行机构。包括电源组11、平移导轨2、积分球3三部分。电源组11用于对激光器阵列提供激励。平移导轨2上的电动平移台安装积分球3，由平移台控制器控制电动平移台进行二维平动，对激光器阵列中的每一个待测激光器进行功率信息及光谱信息的获取。

本发明以工控机10作为控制核心，因此，除了以上硬件设备为，还需要在工控机10上配备相应的软件系统，即在工控机10上设有用于检测、采集、处理和显示测试中各种数据的控制系统，该控制系统如图3所示。主要包括参数设置模块、监测模块、控制模块、显示模块和数据报表模块五大部分。以下详细说明各部分的具体作用：

参数设置模块用于设置所测激光器产品的基本信息，并将信息录入数据库。监测模块用于对激光器阵列中的各激光器产品进行温度及水流量的监测，当产品温度高于所设定的允许产品温度上限或水流量低于所设定的产品工作流量时，系统将自动报警并切断电源以保障产品安全。控制模块用于对承载积分球的平移导轨的进给参数进行控制，同时也对激光器功率采集及光谱采集的时机、速度等进行控制。显示模块则可通过鼠标点击的方式选择所需显示的激光器产品的功率及光谱曲线，并通过软件处理给出激光器工作的中心波长信息。数据报表模块则通过一个可选择所需激光器报表的选择窗，给出激光器阵列中任意一个激光器产品的工作信息报表。

本发明中设备采用二维平移系统，另外在本发明的变换方案中，也可采用三维或四维移动装置对设备中的待测激光器进行多维探测。本发明中设备采用积分球+采集卡+光谱仪的方式进行激光器功率及光谱的探测，也可采用功率探测器进行功率探测。同时，本发明是提供了一个通用的寿命测试系统平台，不仅可以进行功率或谱线的扫描，也可进行LIV产品参数测试。在此基础上，平移系统安装远场测试装置或近场测试装置或偏振测试装置后，则可分别进行激光器在长时间工作过程中的远场、近场和偏振参数功能测试。在水路连接方式上，本发明中设备的激光器水冷支架的水冷并联方式，也可采用分组并联方式，或串联水路方式，其水路连接方式主要由激光器的散热需求而确定。在温度测量方式中，本发明中设备的激光器阵列的温度探测采用热电偶探测的方式，也可采用热电阻探测的方式。在电源的选用上，本发明中激光器电源组采用恒流电源，也可采用脉冲电源。具体采用哪一种电源仅取决于激光器产品本身的工作方式。

综上所述，本发明提供了一套用于激光器寿命测试的自动控制系统。该系统可针对不同封装类型、不同功率及数量的激光器产品进行长时间自动参数测试。在工作过程中自动对所测激光器产品的功率及光谱信息进行采集并记录，并可进行自动报表打印数据，形成测试报告，为激光器产品失效分析及研究提供依据。

Claims (7)

1.一种半导体激光器寿命测试装置，包括光学平台（1）以及设置在光学平台（1）上的工控机（10），其特征在于：所述光学平台（1）上还设有平行导轨（2）和激光器水冷阵列（4），所述激光器水冷阵列（4）与所述平行导轨（2）相互平行；所述平行导轨（2）上设有电动平移台，所述电动平移台上固定着积分球（3）和功率探测PD，所述积分球（3）通过光纤连接有光谱仪（6），所述光谱仪（6）连接至工控机（10）上；所述功率探测PD通过采集卡与工控机（10）连接；所述激光器水冷阵列（4）的旁侧还设有温度采集模块，所述温度采集模块的输出端连接至工控机（10）的输入端；所述电动平移台通过控制电缆连接有平移台控制器，所述平移台控制器连接到工控机（10）上；

所述工控机（10）上设有控制系统，所述控制系统包括以下模块：

参数设置模块，用于设置待测激光器产品的基本信息，并将信息录入数据库；

监测模块，用于对待测激光器阵列中的各激光器产品进行温度及水流量的监测，当产品温度高于所设定的允许产品温度上限或水流量低于所设定的产品工作流量时，自动报警并切断电源以保障待测激光器的安全；

控制模块，用于对承载积分球的平行导轨的进给参数进行控制，同时也对待测激光器功率采集及光谱采集的时机、速度进行控制；

显示模块，显示待测激光器的功率及光谱曲线，并给出待测激光器工作的中心波长信息；

数据报表模块，给出待测激光器阵列中任意一个待测激光器的工作信息报表。

2.根据权利要求1所述的半导体激光器寿命测试装置，其特征在于：所述激光器水冷阵列（4）的进水口通过管道和流量计连接至冷水机（12）的出水口上，所述流量计通过巡检仪（8）连接到工控机（10）上。

3.根据权利要求2所述的半导体激光器寿命测试装置，其特征在于：所述巡检仪（8）、温度采集模块以及平移台控制器通过三个串口连接器相连接。

4.根据权利要求1所述的半导体激光器寿命测试装置，其特征在于：所述激光器水冷阵列（4）上设置有由多个待测激光器组成的待测激光器阵列，所述待测激光器以等间距的排列方式置于激光器水冷阵列（4）上，所述温度采集模块上安装有多根热电偶或热电阻，所述多根热电偶或热电阻分别固定于待测激光器的热沉处。

5.根据权利要求1或4所述的半导体激光器寿命测试装置，其特征在于：所述激光器水冷阵列（4）通过支架（5）固定在所述光学平台（1）上。

6.根据权利要求4所述的半导体激光器寿命测试装置，其特征在于：所述待测激光器阵列的电源输入端连接有电源组（11），所述电源组（11）对待测激光器进行分组电连接供电，所述电源组（11）通过GPIB控制器（9）连接至工控机（10）上。

7.根据权利要求6所述的半导体激光器寿命测试装置，其特征在于：所述电源组（11）是恒流电源或脉冲电源。

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