CN102590723A

CN102590723A - 千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统

Info

Publication number: CN102590723A
Application number: CN2011102612969A
Authority: CN
Inventors: 路国光; 黄云; 肖庆中; 雷志锋; 杨少华
Original assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Current assignee: Fifth Electronics Research Institute of Ministry of Industry and Information Technology
Priority date: 2011-09-05
Filing date: 2011-09-05
Publication date: 2012-07-18

Abstract

本发明公开了一种千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，它包括：电流驱动系统，用于提供多工位受测器件的驱动电流；参数测量系统，用于监测寿命试验过程中器件功率或波长随时间的变化信息；温度控制系统，用于对受测器件的稳定温度控制；电路保护系统，用于对半导体激光器阵列寿命试验过程中的工作情况进行检测，当监测到激光器处于非正常工作状态时关断功率输出模块并给计算机控制系统发出异常信号；计算机控制系统，主要用于实现测试参数数据的采集、分析处理、控制、LD安全保护、数据保存。

Description

千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统

技术领域

本发明涉及导体激光器寿命试验系统，尤其涉及一种大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统。

背景技术

随着半导体激光技术的日趋成熟和应用领域的不断扩展，大功率半导体激光器阵列的应用范围已经覆盖了光电子学的诸多领域。大功率半导体激光器阵列及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光打印、激光扫描、激光测距、激光存储、激光显示、照明、激光医疗等民用领域，以及激光制导、激光夜视、激光武器等军用领域得到广泛应用。在这些应用领域中，器件的可靠性是一个重要指标。因此，可靠性和寿命测试的研究成为当前器件实用化和产业化的重点之一，需要对大功率半导体激光器阵列的寿命试验在线监测系统进行研制。

近年来，国外也开展了大功率半导体激光器老化筛选及寿命试验系统的研制，已有产品面世且价格不菲。德国ILX lightwave公司生产的LRS-9550大功率单bar条测试系统可进行温度范围为25℃-85℃、最大电流可到20A的大功率半导体激光器的老化筛选及寿命试验，该系统最多可支持512个单bar器件的在线监测，可同时进行不同温度的多组别的老化及寿命试验，并能够对测试后的试验数据进行分析和处理。美国国家宇航局(NASA)LaRc研究中心在承担激光器风险减少计划(LRRP)项目时，研究和设计了针对100W/bar的组件的老化及寿命试验装置。该装置包括光学和电学测量两部分，分别由一个光学和电学多路开关控制，受测器件采取水冷的方式进行温度控制。该设备每一个受测器件对应一套光学参数采集仪器及一套激光驱动电源，成本很高，难以普及。国内如中国地质大学、山东理工大学等高校及研究机构也有半导体激光器寿命试验系统的相关研究报道，但均是针对小功率器件，对大功率器件难以推广应用。

目前，商用的大功率半导体激光器寿命试验系统均是国外生产的产品，价钱很高。企业引进这些设备的成本高、代价大，且面临仪器设备的快速更新换代所产生的贬值风险。ILX lightwave公司生产的LRS-9550大功率单bar条测试系统，其最大电流只有20A，目前国内已经商品化的单bar条功率范围为40W-120W，按50％的光电转换效率计算，电流约为40A-120A，超出了该系统的电流承受范围。此外，该系统测试夹具均是针对单bar条设计，对大功率半导体激光器阵列不适用。美国宇航局研制的寿命测试系统，每一个受测器件对应一台激光驱动电源和一套参数采集仪器，当进行批量器件的寿命试验时，成本会很高，造成资源的极大浪费。

发明内容

针对现有技术的缺点，本发明的目的是提供一种千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，用于快速、经济的评价大功率半导体激光器阵列的可靠性水平。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：一种千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，它包括：电流驱动系统，用于提供多工位受测器件的驱动电流；参数测量系统，用于监测寿命试验过程中器件功率或波长随时间的变化信息；温度控制系统，用于对受测器件的稳定温度控制；电路保护系统，用于对半导体激光器阵列寿命试验过程中的工作情况进行检测，当监测到激光器处于非正常工作状态时关断功率输出模块并给计算机控制系统发出异常信号；计算机控制系统，主要用于实现测试参数数据的采集、分析处理、控制、LD安全保护、数据保存。

优选地，电流驱动系统采用一台激光器恒流源对多只大功率半导体激光器阵列同时驱动。

优选地，参数测量系统包括步进电机、积分球、光谱仪，测试数据由计算机采集、处理并记录，参数测试系统的探测器放置在装有精密调整架的步进电机上，通过调节探测器响应面到激光光斑的间距，实现被测器件与探测器的直接位置锁定。

优选地，温度控制系统包括大功率半导体激光器夹具、微通道水冷热沉、热阻测试仪、多通道控水装置及高功率循环水制冷机，所述多通道控水装置设有有多路分水通道并分别与高功率循环水制冷机连接。

优选地，所述电路保护系统采用瞬态电压抑制器阵列和继电器阵列，从而控制和消除电路瞬态扰动和开、短路因素对试验器件的影响。

进一步地，试验器件样品台及参数测量系统放置在一密封箱内，该密封箱上设有排气口、引线接口、温度控制设备接口、钢化玻璃观察窗口。

与现有技术相比：(1)本发明的参数测量设备安置在步进电机上，步进电机带动下，实现了单个测量设备对10个工位的大功率半导体激光器阵列的自动在线监测，降低了寿命试验系统的成本；微机控制测试数据自动采集，测试程序能自动检测受测器件是否达到失效判据。采用一台大功率半导体激光器电流源驱动10只串联方式连接的大功率半导体激光器列阵，同时辅以精密保护控制电路，将试验过程中达到失效判据的器件短路掉，并防止电路中瞬间电浪涌、反向尖脉冲等异常电侵入对试验器件的损伤，降低了寿命试验系统的成本。(2)试验器件采用水冷的方式进行温度控制，为降低试验系统成本，开发了多通道控水装置，该控水装置具有10路分水通道，与一台高功率水冷机连接，通过调节水流量和水流速度，可实现一台水冷机同时对10个大功率半导体激光器或列阵的稳定温度控制。(3)为防止寿命试验过程中空气中的氧气使激光器腔面发生氧化，导致试验器件发生非正常退化，试验器件样品台及参数测量系统放置在密封箱内，密封箱上设有排气口、引线接口、温度控制设备接口、钢化玻璃观察窗口等装置。寿命试验前将箱内的空气抽掉，再充入氮气，实现了试验器件的氮气保护。

附图说明

下面结合附图对本发明作一进步的详细说明。

图1是本发明的组成框图。

图2是25℃、100A应力条件寿命评价试验结果示意图。

图3是50℃、100A应力条件寿命评价试验结果示意图。

图4是50℃、115A应力条件寿命评价试验结果示意图。

具体实施方式

请参阅图1，本发明的千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统主要由电源驱动系统、参数测量系统、电路保护系统、温度控制系统和计算机控制系统组成，具备电流和温度加速的能力，能够完成不同电流应力或不同温度应力条件下的大功率半导体激光器阵列老化筛选和寿命评价试验。

电流驱动系统用于提供多工位受测器件的驱动电流，要求电流源为恒流源，电压自适应，恒流源可调整且可通过单片机控制实现。

参数测量系统由步进电机、积分球、光谱仪等部件组成，用来监测寿命试验过程中器件功率或波长随时间的变化信息，测试数据由计算机自动采集，处理并记录。单只测试器件的测试等待时间为25秒，测试时间为25秒；相邻2只器件的运行时间为8秒，每次循环10只器件。参数测试系统的探测器放置在装有精密调整架的步进电机上，通过调节探测器响应面到激光光斑的间距，实现被测器件与探测器的直接位置锁定，降低了多次测试之间的误差。

温度控制系统由大功率半导体激光器夹具、微通道水冷热沉、热阻测试仪、多通道控水装置及高功率循环水制冷机等部件构成，其作用是实现对受测器件的稳定温度控制。

电路保护系统主要包括瞬态尖峰或浪涌保护电路、短路保护电路、断路保护电路、过压保护电路等，由瞬态电压抑制器(TVS)阵列和继电器阵列组成。其作用是在对半导体激光器阵列寿命试验过程中的工作情况进行检测，当监测到激光器处于非正常工作状态时关断功率输出模块并给控制系统发出异常信号。

计算机控制系统由工控机、数据采集卡及VB语言编程的程序软件构成，其作用是实现测试参数数据的采集、分析处理、控制、LD安全保护、数据保存等。

本发明具备电流和温度加速的能力，能够完成不同电流应力或不同温度应力条件下的大功率半导体激光器阵列老化筛选和寿命评价试验。下面例子是利用本发明试验系统完成的某研制单位大功率半导体激光器的寿命评价试验，试验分3组进行，第一组寿命试验条件是温度25℃、电流100A；第二组寿命试验条件是温度50℃、电流100A；第三组寿命试验条件是50℃、电流115A。试验系统正常运行超过13500小时，获得97500器件小时寿命试验数据，采集了577974个数据点，验证了单bar大功率半导体激光器阵列25℃条件下寿命超过2×10⁹次脉冲次数，满足大功率半导体激光器阵列工程化应用寿命大于10⁹次脉冲次数的寿命指标要求。请参阅图2、图3和图4，是利用本发明寿命试验系统进行寿命评价试验的结果，结果表明，本发明试验系统运行稳定，能够满足工呈对大功率半导体激光器阵列的寿命评价需求。

本发明提供了一套经济适用的大功率半导体激光器阵列寿命试验系统，带来的有益效果主要体现在两方面，一方面为大功率半导体激光器寿命的快速评价提供了设备保障，保障了大功率半导体激光器阵列的工程应用；另一方面，利用本发明对大功率半导体激光器进行在线老化筛选，能够暴露器件的薄弱环节，为激光器的可靠性设计提供了技术支持，加速激光器阵列可靠性增长过程。本发明采用步进电机带动参数测量系统解决了多工位大功率半导体激光器阵列的参数自动监测，利用研制的多通道控水装置解决了多工位大功率半导体激光器阵列的温度稳定控制和各工位间温度的一致性控制，实现了快速、经济的对大功率半导体激光器阵列的寿命评价。

Claims

1.一种千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，其特征在于，它包括：

电流驱动系统，用于提供多工位受测器件的驱动电流；

参数测量系统，用于监测寿命试验过程中器件功率或波长随时间的变化信息；

温度控制系统，用于对受测器件的稳定温度控制；

电路保护系统，用于对半导体激光器阵列寿命试验过程中的工作情况进行检测，当监测到激光器处于非正常工作状态时关断功率输出模块并给计算机控制系统发出异常信号；

计算机控制系统，主要用于实现测试参数数据的采集、分析处理、控制、LD安全保护、数据保存。

2.根据权利要求1所述的千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，其特征在于，所述电流驱动系统采用一台激光器恒流源对多只大功率半导体激光器阵列同时驱动。

3.根据权利要求1所述的千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，其特征在于，所述参数测量系统包括步进电机、积分球、光谱仪，测试数据由计算机采集、处理并记录，参数测试系统的探测器放置在装有精密调整架的步进电机上，通过调节探测器响应面到激光光斑的间距，实现被测器件与探测器的直接位置锁定。

4.根据权利要求1所述的千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，其特征在于，所述温度控制系统包括大功率半导体激光器夹具、微通道水冷热沉、热阻测试仪、多通道控水装置及高功率循环水制冷机，所述多通道控水装置设有有多路分水通道并分别与高功率循环水制冷机连接。

5.根据权利要求1所述的千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，其特征在于，所述电路保护系统采用瞬态电压抑制器阵列和继电器阵列，从而控制和消除电路瞬态扰动和开、短路因素对试验器件的影响。

6.根据权利要求1所述的千瓦级大功率半导体激光器阵列寿命试验在线监测系统，其特征在于，试验器件样品台及参数测量系统放置在一密封箱内，该密封箱上设有排气口、引线接口、温度控制设备接口、钢化玻璃观察窗口。