CN102640368A - 用于对半导体激光器进行供电和冷却的方法和系统 - Google Patents
用于对半导体激光器进行供电和冷却的方法和系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN102640368A CN102640368A CN2010800393161A CN201080039316A CN102640368A CN 102640368 A CN102640368 A CN 102640368A CN 2010800393161 A CN2010800393161 A CN 2010800393161A CN 201080039316 A CN201080039316 A CN 201080039316A CN 102640368 A CN102640368 A CN 102640368A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- semiconductor laser
- diode
- array
- couple
- current
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/04—Processes or apparatus for excitation, e.g. pumping, e.g. by electron beams
- H01S5/042—Electrical excitation ; Circuits therefor
- H01S5/0428—Electrical excitation ; Circuits therefor for applying pulses to the laser
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/022—Mountings; Housings
- H01S5/023—Mount members, e.g. sub-mount members
- H01S5/02325—Mechanically integrated components on mount members or optical micro-benches
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/024—Arrangements for thermal management
- H01S5/02438—Characterized by cooling of elements other than the laser chip, e.g. an optical element being part of an external cavity or a collimating lens
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
- H01S5/4025—Array arrangements, e.g. constituted by discrete laser diodes or laser bar
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/02—Structural details or components not essential to laser action
- H01S5/024—Arrangements for thermal management
- H01S5/02407—Active cooling, e.g. the laser temperature is controlled by a thermo-electric cooler or water cooling
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/062—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes
- H01S5/06209—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium by varying the potential of the electrodes in single-section lasers
- H01S5/06216—Pulse modulation or generation
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/06—Arrangements for controlling the laser output parameters, e.g. by operating on the active medium
- H01S5/068—Stabilisation of laser output parameters
- H01S5/06808—Stabilisation of laser output parameters by monitoring the electrical laser parameters, e.g. voltage or current
-
- H—ELECTRICITY
- H01—ELECTRIC ELEMENTS
- H01S—DEVICES USING THE PROCESS OF LIGHT AMPLIFICATION BY STIMULATED EMISSION OF RADIATION [LASER] TO AMPLIFY OR GENERATE LIGHT; DEVICES USING STIMULATED EMISSION OF ELECTROMAGNETIC RADIATION IN WAVE RANGES OTHER THAN OPTICAL
- H01S5/00—Semiconductor lasers
- H01S5/40—Arrangement of two or more semiconductor lasers, not provided for in groups H01S5/02 - H01S5/30
- H01S5/4018—Lasers electrically in series
Abstract
一种半导体激光器系统包括二极管激光器瓦片。该二极管激光器瓦片包括具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的安装夹具,以及耦接到该安装夹具的第一侧的半导体激光泵阵列。该半导体激光器系统还包括热耦接到二极管棒的电脉冲产生器,以及热耦接到二极管棒和电脉冲产生器的冷却构件。
Description
相关申请的交叉引用
本专利要求提交于2009年9月3日,题目为“Method and System forPowering and Cooling Semiconductor Lasers”的美国优先权专利申请第61/239,569号,以及提交于2010年6月11号的题目为“Method andSystem for Powering and Cooling Semiconductor Lasers”的美国申请第12/813,662号的35 U.S.C.$119(e)的利益,该申请的公开通过作为通用系统的它们的整体的引用被结合于此。
联邦政府资助的研究或者开发的发明的权利的声明
依据在美国能源部和劳伦斯-利弗莫尔国家安全有限责任公司间的合同No.DE-AC52-07NA27344,美国政府拥有此发明的权利。
背景技术
高平均功率二极管泵浦激光器当前被用于或者设计在越来越多的激光器系统中。随着这些高平均功率二极管泵浦激光器的光输出功率的增大,从二极管激光机泵需求的输入光功率通常也增大。由于二极管激光器的效率在过去的几年里基本上不变,所以增大光功率伴随着增大电输入功率。在某些应用中,需要几百安培级别的电流以驱动二极管激光泵。因此,使用功率调节电子设备的精确电流调整富有挑战性。
因此,在本领域中需要针对适用于高平均功率二极管泵浦激光器应用的二极管激光泵的改善方法和系统。
发明内容
依据本发明,提供了涉及光系统的技术。更具体地,本发明的实施例提供了具有集成脉冲产生器的半导体激光泵模块。仅举例来说,本发明已经被应用到半导体激光器棒阵列,该半导体激光器棒阵列与脉冲产生器的驱动电子设备共享共同的冷却结构。这里描述的方法和系统对于包括激光器、放大器等的众多光系统也是适用的。
依据本发明的一个实施例,提供了半导体激光器系统。该半导体激光器系统包括二极管激光器瓦片。该二极管激光器瓦片包括具有第一侧和与第一侧相对的第二侧的安装夹具,以及耦接到安装夹具的第一侧的半导体激光泵的阵列。该半导体激光泵的阵列还包括热耦接到二极管激光器瓦片的电脉冲产生器,以及热耦接到二极管激光器瓦片和电脉冲产生器的冷却结构。
依据本发明的另一实施例,提供了半导体激光泵单元。该半导体激光泵单元包括半导体激光源和热耦接到该半导体激光源的散热器。该半导体激光泵单元还包括热耦接到散热器的脉冲产生器。该脉冲产生器包括连接到电源的感测电阻器和接地的场效应晶体管。
依据本发明的另一实施例,提供了一种操作半导体激光泵单元的方法。该方法包括将DC电力施加到电荷存储电容器和电力总线,以及将电流脉冲施加到连接到电流控制FET的驱动放大器。该方法还包括响应于将电流脉冲施加到该驱动放大器,使电流流经电流控制FET,以及使电流流经连接到该电力总线的感测电阻器。该方法还包括使用耦接到感测电阻器的第一端子和感测电阻器的第二端子的感测放大器来感测电流,以及使电流流经半导体激光器以产生泵浦光(pump light)。
比起传统技术,通过本发明取得了众多好处。例如,本系统提供了半导体激光泵和用于驱动该半导体激光泵的电脉冲产生器的部件的被集成的冷却。将电脉冲产生器的部件安装为与被用于冷却半导体激光泵的冷却结构热连通,这降低了系统的尺寸和成本。本发明的实施例通过将脉冲电力电子设备直接集成到二极管激光泵瓦片基板(submount)中,提供了二极管激光泵瓦片,其降低了系统成本并提高了可靠性。仅举例来说,可以将脉冲式电力成本降低大于40倍,并且可以将脉冲发生器电子外壳减小大于20倍。此外,一些实施例结合了用于感测和监控二极管性能的在原位集成的智能,以防止也可以被称为自残(fratricide)的灾难性的连锁损坏。依据本实施例,可以取得这些好处的一个或者多个。本说明书将更详细地以及以下将更具体地描述这些以及其他好处。
附图说明
图1是依据本发明的一个实施例的半导体激光泵单元的简化的示意图;
图2是依据本发明的一个实施例的功率调节电路的简化的示意图;
图3是依据本发明的一个实施例的功率调节电路的简化的示意图;
图4是图2中图示出的功率调节电路的Multisim模型的电路示意;
图5A图示了从图4中示出的Multisim模型输出的模型基准;
图5B图示了图4中示出的Multisim模型的负载特征;
图5C图示了图4中示出的Multisim模型的电源电压和电流特征;
图5D图示了图4中示出的Multisim模型的效率;以及
图6是图示了一种依据本发明的一个实施例的操作半导体激光泵单元的方法的简化流程图。
具体实施方式
通常地,用于高功率二极管激光器(即,半导体激光器)泵的功率调节电子设备是主动冷却的,或者占空比受限。作为一个示例,在劳伦斯利弗莫尔国家实验室(LLNL)的Mercury激光器中使用的用于驱动二极管激光泵的功率调节电子设备是主动冷却的。在其他激光器系统中,热问题需要的功率调节电子设备的占空因数的控制可能限制激光器的工作特征。
本发明的实施例将功率调节系统和二极管监控系统的一个或者多个部件与二极管封装相集成,从而提供了使用传统系统所不能提供的好处。这些好处可能包括:(1)消除了针对功率调节电子设备的单独冷却系统的需要;(2)消除了由于与功率调节电子设备相关联的热约束而导致的占空因数限制;(3)降低了功率调节电子设备的物理尺寸;(4)提高了整体系统效率;(5)将功率调节成本至少降低了一个数量级;(6)使得惯性聚变能(IFE)成为了有竞争力的能源。
将被用于IFE电厂的,用于激光器放大器的泵浦的高平均功率二极管激光器阵列使用功率调节系统,以精确的电流、脉冲速率和占空因数对二极管激光器阵列进行脉冲式驱动。依据本发明的一个实施例,功率调节电子设备和监控系统的一个或者多个部件将从远程电子设备机箱被移动到二极管激光器封装。因为二极管封装已经是主动冷却的,所以功率调节将利用与二极管封装相同的冷却。因此,将高功率部件,驱动电路,监控电路和依据电容器发展的中间能量存储电容器设置为与二极管封装热连通以利用被提供用于二极管激光器封装的冷却能力,从而降低整个功率调节系统的尺寸,并且潜在地将其成本降低一个数量级。
本发明的实施例对于多种高平均功率二极管泵浦激光器是有用的。这些激光器可以包括Mercury激光器,诸如定制孔径的陶瓷激光器(TACL)之类的定向能量激光器系统,激光器设计原型,代表额定的飞秒(rep-rated femtosecond),拍瓦(petawatt),二极管泵浦高平均功率激光器,惯性聚变能电厂,定向能量武器系统,代表额定激光器诱导HED物理,激光器加工应用,以及包括高功率二极管泵浦的其他激光器应用。
图1是依据本发明的一个实施例的半导体激光泵单元的简化的示意图。半导体激光泵单元包括二极管瓦片110,其包括二极管激光器棒的阵列。构成该阵列的该二极管激光器棒的特征在于输出功率,例如,每棒100W。如对于本领域技术人员将明显的那样,这些高功率二极管泵适用于激光增益介质的泵浦。电连接器提供在二极管激光器瓦片中的半导体激光器棒的驱动电流。二极管激光器瓦片的典型驱动电流在几百安培的量级。
半导体激光泵单元还包括电力电子设备120,其包括电脉冲产生器的一个或者多个部件。如在整个本说明书中更全面地描述的,电力电子设备120(也称为脉冲控制电子设备)包括感测电阻器和功率控制场效应晶体管(FET),它们是电脉冲产生器的部件。设有冷却组件130以移除由半导体激光泵单元和电力电子设备产生的热。因为二极管激光器棒工作的电光效率小于100%,所以二极管激光器棒的高功率输出伴随着显著的热量产生。冷却组件130准备了对二极管激光器棒的主动冷却。另外,使用冷却组件130从电力电子设备120移除热。因此,二极管激光器棒和冷却电子设备共享一个共同的散热器或冷却结构。
使用由冷却组件提供的共同散热器,将电脉冲产生器的一个或者多个部件冷却以移除由大二极管电流(例如,数百安培)产生的热。如图1中图示的,本发明的实施例将电力电子设备放置在与二极管激光器瓦片相邻的位置,在那里已经存在充足的冷却能力。作为一个示例,使用高密度表面安装技术,将将图2中图示的脉冲驱动电路和性能监控电路安装在二极管激光器瓦片的表面。依据本发明的实施例,所提供的二极管封装输出1,000μs脉宽,~10Hz重复速率的12KW光功率(例如,60个棒,200W/棒)。作为一个示例,二极管激光器可以工作在60%的电光效率。
依据本发明的实施例,二极管激光器瓦片的多种元件的尺寸使得电力部件能够适合二极管瓦片的面积。参考图1和图2,在一个示例性实施例中,电流控制FET 234具有10mm×15mm的额定面积(包括引线)。作为一个示例,电流控制FET 234可以在790A的脉冲电流和200A的连续电流,高达40V下工作,从而工作在高达230W和耗散61.5W下。作为一个示例,外形可以是TO-263轮廓。在该示例性实施例中,感测电阻器232是有额定7mm×13mm面积(包括引线)的0.001Ω的电阻器。作为一个示例,感测电阻器是工作在高达3W和耗散2.25W,有0.5%的容限的1mΩ电阻器。对于19.4mm×12.4mm面积的二极管瓦片,电流控制FET 234和感测电阻器232都可以被附接到彼此相邻的二极管瓦片冷却块以向这些部件提供冷却。在一个实施例中,使用56个二极管激光器瓦片形成了一个更大的二极管激光器阵列。可以将其他的控制电子设备安装在与二极管瓦片有相同或者相似面积的夹板上。
参考图1,因为本发明的实施例提供二极管激光器瓦片模块,该二极管激光器瓦片模块在二极管激光器瓦片的面积以下的位置集成了冷却组件和电力电子设备,所以可以将模块集成在阵列中,该阵列的相邻的瓦片间几乎或完全不需要空间。因此,因为电子设备位于阵列的后面,所以以降低或者消除复杂情况的方式设置了二极管散热。本发明的实施例提供二极管激光器系统,在该系统中将需要被主动冷却的部件(例如,电流控制FET和电流感测电阻器)附接到例如冷却组件130的二极管激光器瓦片冷却块,使得使用用于冷却二极管激光器的同一冷却系统来冷却这些部件。
图2是电脉冲产生器的简化的示意图,依据本发明的实施例,该电脉冲产生器也称为功率调节电路。图2中图示的功率调节电路包括连接到电荷存储电容器的DC电源。该图示的实施例,该电荷存储电容器的额定值为33000μF。附接的IC包括电流感测放大器,驱动放大器和相关联的电阻器和电容器。将一个或者多个部件安装为与冷却组件130热连通。因为这些组件也与二极管激光器瓦片热连通,并且可以被安装在附接在二极管激光器瓦片上的夹具上,所以这些组件被称为瓦片上部件。该瓦片上部件包括电流感测电阻器和电流控制FET。图2中图示的电流感测电阻器具有0.001欧姆的额定值。将该二极管激光器瓦片连接在电流感测电阻器和电流控制FET间,该电流感测电阻器连接到DC电源,该电流控制FET的一个端子接地。该二极管激光器瓦片包括半导体激光器棒阵列。一般地,每一个棒包括以阵列形式配置的大量半导体激光器。
为了从包括电流控制FET的功率控制和功率监控电子设备有效地移除热量,将电脉冲产生器的一个或者多个部件安装到二极管激光器瓦片的表面上。在一个实施例中,将高功率电流控制FET以原始管芯的形式安装为与冷却组件热连通,该冷却组件也与二极管激光器瓦片热连通。将电流控制FET以原始管芯的形式安装,这节省了控件并利用了用来冷却二极管激光器瓦片的冷却容量。除了该电流控制FET以外,电流感测电阻器是可以被安装为与冷却组件热连通的另一高功率部件。因此,使用冷却结构,通过传导或者对流冷却了为电流感测应用设计的电流感测电阻器。
参考图2,在实施例中,也可以被称为中间能量存储系统的电荷存储电容器,被安装为与冷却结构热连通。例如,除了电脉冲产生器的一个或者多个部件以外,还可将电荷存储电容器安装在二极管瓦片的表面上。功率调节部件与二极管激光器瓦片的集成允许了相比传统的方法在尺寸和成本上的显著降低,传统方法中该功能被放置在了远程机箱中。
依据本发明的实施例,图1中图示的半导体激光泵单元使系统设计者相比传统系统能够优化泵单元效率和降低成本。发明者确定依据本发明的实施例提供了三年以上的故障间的平均时间。
依据本发明的实施例,将110瓦传送到在24伏DC工作电压上的二极管激光器。在其他实施例中,工作电压更高,例如,高达100V DC。在电荷存储电容器中的能量存储在6.1焦耳的量级,并且可以高达10焦耳。如图1中所图示的,电脉冲产生器和二极管激光器瓦片可以是具有不可修复部件的集成组件。可以将电脉冲产生器构建到安装二极管的二极管激光器瓦片衬底上。在一个特别的实施例中,将电流控制FET(以管芯的形式)直接安装在二极管衬底上,这相比起其他的安装技术减省了空间。当制造二极管激光泵单元时,通过使用电脉冲产生器输入调谐电阻器可以提供对二极管激光器光输出的控制。
参考图2,电脉冲产生器的设计相比传统系统提供了大量优点。例如,该设计能很好地外推到更大的阵列,在该更大的阵列中,因为驱动放大器224是参考地的,所以DC功率将比100V大。此外,可以基于二极管功率从齐纳稳压器(Zener regulator)获得驱动放大器224的偏置电压。
作为图2中图示的实施例的替代,另一实施例将二极管激光器瓦片119和电流控制FET 234的位置交换,其中该电流控制FET与电流感测电阻器连接,该二极管激光器瓦片附接到地。在该替代的实施例中,可以从二极管功率当中,通过齐纳稳压器获得驱动放大器224的偏置电压。在该替代的实施例中,二极管激光器是参考地的,这可以提供与二极管激光器的封装相关的好处。
再次参考图1和图2,提供了包括二极管激光器瓦片110的半导体激光器系统,该二极管激光器瓦片110包括安装夹具,该安装夹具具有第一侧和与第一侧相对的第二侧。半导体激光泵阵列被耦接到安装夹具的第一侧(该实施例图示的上侧)。一般地,半导体激光泵阵列的每一半导体激光泵包括半导体激光器阵列。如图1中所示出的,多个微透镜(lenslet)阵列被耦接到半导体激光泵的阵列,以校准通过半导体激光器(也被称为二极管激光器)发出的光。
此外,将通过图1中的电力电子设备120图示的电脉冲产生器热耦接到二极管激光器瓦片100。如图1中所图示的,将电脉冲产生器的一个或者多个部件(例如,管芯形式的FET和感测电阻器)安装到安装夹具的第二侧。将通过冷却组件130图示的冷却结构热耦接到二极管激光器瓦片和电脉冲产生器。
在一些实施例中,将电脉冲产生器的一个或者多个部件安装在安装夹具的第三侧,该安装夹具的第三侧布置在第一侧和第二侧之间。参考图1,第三侧是二极管瓦片110的垂直侧。
依据本发明的另一实施例,所提供的半导体激光泵单元包括半导体激光源(例如,半导体激光器棒阵列,每一导体激光器棒包括半导体激光器阵列),还包括热耦接到半导体激光源的散热器。半导体激光泵单元还包括热耦接到散热器的脉冲产生器。该脉冲产生器包括连接到电源(例如,DC电源)的感测电阻器和连接到地的场效应晶体管。在一些实施例中,将场效应晶体管安装为管芯形式。散热器一般与诸如冷水之类的冷却液热连通。在本实施例中,将感测电阻器的第一端连接到电流感测放大器的第一端子,并且将感测电阻器的第二端连接到电流感测放大器的第二端子。
图3是依据本发明的实施例的电脉冲产生器的简化的示意图。图3中图示的电脉冲产生器与图2中图示的电脉冲产生器共享共同的部件。在图3中图示的该实施例中,包括多个二极管激光器312a,312b等的二极管激光器阵列310连接到DC电源210。还将电荷存储电容器212耦接到DC电源210和二极管激光器阵列310。电流控制FET 320连接到二极管激光器阵列310和具有接地端子的电流感测电阻器330。如图3中所图示的,可以使用冷却组件对功率部件进行主动冷却,该冷却组件被用于冷却在二极管激光器阵列310中的二极管激光器312a,312b等。使用图3中所图示的实施例,通过将脉冲电力电子设备直接集成到二极管激光器瓦片基板中,可以将二极管激光器阵列加工为瓦片的形式,其降低成本和提高可靠性。作为示例,可以将脉冲式电力成本降低大于40倍,并且可以将脉冲电子设备外壳减小大约20倍。
参考图3,电脉冲产生器的设计相比起传统系统提供了大量优势。例如,可以从二极管功率当中,通过齐纳稳压器获取驱动放大器偏置电压。另外,该二极管是参考地的,这便利了封装。该脉冲驱动与图2中图示的被附接的IC 220共享共同的部件。设有性能监控器340,其接收作为输入的电压,驱动和电流,并且该性能监控器可以被用于监控二极管激光器阵列310和其他系统部件的性能。该性能监控器340可以感测和监控二极管激光器性能以防止灾难性连锁故障。
本发明的实施例允许一种底板设计,该底板设计能够并联连接瓦片,以提高可靠性和接近于脉冲发生器。作为一个示例,具有十个串联连接的激光器棒的底板提供了大约20V的工作电压。该配置减小了在大约20V下工作时由于接触或者棒故障导致的灾难性瓦片故障的可能性,其中20V是“高电压”水平以下的工作电压。在该配置中,瓦片的故障将导致受影响的棒的数量的减少,并且增大了可用于安装阵列脉冲发生器硬件的空间。
图4是图2中图示的功率调节电路的Multisim模型的电路示意。可以为图3中图示的电脉冲产生器构建相似的模型。该Multisim模型包括在源电压上提供源电流的电流受限电源。在该模型中包括作为片上部件(OnTile Components)的电路感测电阻器232,二极管激光器瓦片110和电流控制FET 234,表示它们安装在被用于主动冷却二极管激光器的冷却组件上。图4中示出的模型中还图示了电流感测放大器222和驱动放大器224。
图5图示了从图4中示出的Multisim模型输出的模型基准。如图5A中所图示的,画出了所测量的SIMM瓦片电流和使用两种模型(二极管模型L和二极管模型M)预测的电流。二极管模型L表示二极管负载的一个Multisim模型,二极管模型M表示第二二极管负载的Multisim模型。16.8V的阈值电压和0.0215V/A的反斜率都是测量的和建模的结果的特征。
图5B图示了图4中示出的Multisim模型的负载特征。在将电力施加到电路期间内的1ms时间期间内,施加到该负载的电压基本上恒定在近似20V。在接着电力施加的1ms期间的1ms时间期间内,施加到负载的电压基本上以线性速率下降到大约10V。在将电力施加到电路期间内的1ms时间期间内,施加到负载的电流基本上等于150A。
图5C图示了图4中示出的Multisim模型的电源电压和电流特征。在将电力施加到电路的期间内的1ms时间期间内,以及在接下来的8ms内,电源电压基本上在近似6.5A处不变,在每10ms周期内的1ms时间周期,电源电压下降至零。在将电力施加到电路的期间的1ms时间期间,电源电压从大约24V下降到大约21V,接着,在整个接下来的9ms内恢复到24V。
图5D图示了图4中示出的Multisim模型的效率。图5D画出了作为时间的函数的,与由电源传递的能量相关的二极管负载消耗的能量。在将电力施加到电路的期间的1ms时间的期间内,二极管负载消耗的能量从零增大到大约1.25J。在接下来的9ms,二极管负载消耗的能量在下一个脉冲之前保持不变。对于第一个9ms,电源传递的能量线性地增大,其从零增大到大约1.37J,并且接着,在下一个毫秒保持不变。对于第二个脉冲,观察到了相似的行为。在与第二个脉冲相关联的时间周期的末端,电源传递的能量是2.74J,并且二极管负载消耗的能量是24.1J,其产生了88%的效率。
图6是图示了依据本发明的一个实施例操作半导体激光泵单元的一种方法的简化的流程图。方法600包括将DC电力施加到电荷存储电容器和电力总线(610)。使用如图2中图示的DC电源210,可以将DC电力施加到该电荷存储电容器。该方法还包括将电流脉冲施加到连接到电流控制FET的驱动放大器(612)。通过外部脉冲源可以控制该电流脉冲以提供预定的电流,脉宽和重复率,以及其他参数。该方法还包括响应于将电流脉冲施加到该驱动放大器,使电流流经电流控制FET(614)。在一些实施例中,电流控制FET的一端子是接地的。该方法还包括使电流流经连接到电力总线的感测电阻器(616),以及使用耦接到感测电阻器的第一端子和感测电阻器的第二端子的感测放大器来感测电流(618)。如图2中图示的,将电流控制FET和感测电阻器热耦接到用于主动冷却二极管激光器瓦片的散热器,该二极管激光器瓦片包括半导体激光器阵列。因此,同一冷却源被用于冷却半导体激光器阵列以及电流控制FET和感测电阻器。该方法还包括使电流流经半导体激光器阵列以产生泵浦光(620)。
应明白,图6中图示的特定的步骤提供了依据本发明的实施例操作半导体激光泵单元的特定的方法。依据替代的实施例也可以执行其他的步骤顺序。例如,本发明的替代实施例可以以不同的顺序执行以上概述的步骤。另外,图6中图示的单独的步骤可以包括多个子步骤,可以针对该单独步骤以多种顺序适当地执行该子步骤。此外,依据特定应用,可以添加或者移除更多的步骤。本领域普通技术人员将识别许多改变,修改和替代。
表1图示了依据本发明的实施例的二极管驱动器的规格。在表1中示出的值不意图限制本发明的范围,仅为了图示示例性规格。
特征 | 规格 |
脉冲幅度(安培) | 130-170 |
额定工作点(安培) | 150 |
脉宽(μs) | 360 |
脉冲速率(Hz) | 100 |
面积(mm2) | <19.4×12.4 |
上升时间(μs) | 50 |
下降时间(μs) | 50 |
启动超调量(%) | 5 |
反向偏压(V) | <1 |
工作温度(℃) | 0-30 |
脉冲下降(%) | <2 |
脉动电流(%) | <2 |
还应理解,这里描述的实施例和示例仅为了图解目的,并且将向本领域技术人员建议借助它们的各种修改或者变化,该修改或者变化被包括在了本申请的精神和权限以及所附权利要求的范围中。
Claims (20)
1.一种半导体激光器系统,包括:
二极管激光器瓦片,该二极管激光器瓦片包括:
安装夹具,该安装夹具具有第一侧和与所述第一侧相对的第二侧;以及
导体激光泵阵列,该导体激光泵阵列耦接到所述安装夹具的第一侧;
电脉冲产生器,该电脉冲产生器热耦接到所述二极管激光器瓦片;以及
冷却结构,该冷却结构热耦接到所述二极管激光器瓦片和所述电脉冲产生器。
2.依据权利要求1所述的半导体激光器系统,其中所述安装夹具包括布置在所述第一侧和所述第二侧之间的第三侧。
3.依据权利要求1所述的半导体激光器系统,其中将所述电脉冲产生器的一个或者多个部件安装在所述第三侧。
4.依据权利要求1所述的半导体激光器系统,其中所述半导体激光泵阵列的每一半导体激光泵包括半导体激光器阵列。
5.依据权利要求1所述的半导体激光器系统,还包括耦接到所述半导体激光泵阵列的多个微透镜阵列。
6.依据权利要求1所述的半导体激光器系统,其中将所述电脉冲产生器的一个或者多个部件安装在所述安装夹具的第二侧。
7.依据权利要求6所述的半导体激光器系统,其中所述一个或者多个部件包括管芯形式的FET和感测电阻器。
8.一种半导体激光泵单元,包括:
半导体激光源;
热耦接到所述半导体激光源的散热器;以及
热耦接到所述散热器的脉冲产生器,其中所述脉冲产生器包括:
连接到电源的感测电阻器;以及
接地的场效应晶体管。
9.依据权利要求8所述的半导体激光泵单元,其中所述半导体激光源包括半导体激光器棒阵列。
10.依据权利要求9所述的半导体激光泵单元,其中所述半导体激光器棒包括半导体激光器阵列。
11.依据权利要求8所述的半导体激光泵单元,其中所述散热器与冷却液热连通。
12.依据权利要求8所述的半导体激光泵单元,其中将所述感测电阻器的第一端连接到电流感测放大器的第一端子。
13.依据权利要求12所述的半导体激光泵单元,其中将所述感测电阻器的第二端连接到所述电流感测放大器的第二端子。
14.依据权利要求8所述的半导体激光泵单元,其中将所述场效应晶体管安装为管芯形式。
15.依据权利要求8所述的半导体激光泵单元,其中所述电源包括DC电源。
16.依据权利要求15所述的半导体激光泵单元,还包括耦接到所述DC电源的电容器。
17.一种操作半导体激光泵单元的方法,所述方法包括:
将DC电力施加到电荷存储电容器和电力总线;
将电流脉冲施加到驱动放大器,该驱动放大器连接到电流控制FET;
响应于将所述电流脉冲施加到所述驱动放大器,使电流流经所述电流控制FET;
使电流流经感测电阻器,该感测电阻器连接到所述电力总线;
使用耦接到所述感测电阻器的第一端子和所述感测电阻器的第二端子的感测放大器来感测所述电流;以及
使所述电流流经半导体激光器阵列以产生泵浦光。
18.依据权利要求17所述的方法,其中将所述电流控制FET和所述感测电阻器热耦接到散热器。
19.依据权利要求18所述的方法,其中将所述半导体激光器阵列热耦接到所述散热器。
20.依据权利要求17所述的方法,其中所述电流控制FET的一端子接地。
Applications Claiming Priority (5)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
US23956909P | 2009-09-03 | 2009-09-03 | |
US61/239,569 | 2009-09-03 | ||
US12/813,662 US8660156B2 (en) | 2009-09-03 | 2010-06-11 | Method and system for powering and cooling semiconductor lasers |
US12/813,662 | 2010-06-11 | ||
PCT/US2010/047719 WO2011028932A1 (en) | 2009-09-03 | 2010-09-02 | Method and system for powering and cooling semiconductor lasers |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102640368A true CN102640368A (zh) | 2012-08-15 |
Family
ID=43624838
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN2010800393161A Pending CN102640368A (zh) | 2009-09-03 | 2010-09-02 | 用于对半导体激光器进行供电和冷却的方法和系统 |
Country Status (9)
Country | Link |
---|---|
US (1) | US8660156B2 (zh) |
EP (1) | EP2462665B1 (zh) |
JP (1) | JP5740685B2 (zh) |
KR (1) | KR101721282B1 (zh) |
CN (1) | CN102640368A (zh) |
CA (1) | CA2772710C (zh) |
IN (1) | IN2012DN02236A (zh) |
RU (1) | RU2012112805A (zh) |
WO (1) | WO2011028932A1 (zh) |
Cited By (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107210580A (zh) * | 2015-01-29 | 2017-09-26 | 三菱电机株式会社 | 光源装置 |
US10454244B2 (en) | 2017-08-09 | 2019-10-22 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Driver circuitry and systems for high current laser diode arrays |
CN110785634A (zh) * | 2017-06-30 | 2020-02-11 | 法国大陆汽车公司 | 电流传感器 |
Families Citing this family (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN104428879B (zh) * | 2012-05-30 | 2018-01-30 | 应用材料公司 | 用于快速热处理的设备及方法 |
JP6494532B2 (ja) * | 2013-02-28 | 2019-04-03 | ローレンス リバモア ナショナル セキュリティー, エルエルシー | コンパクトな高電流高効率レーザダイオードドライバ |
DE102015203269A1 (de) * | 2015-02-24 | 2016-08-25 | Siemens Aktiengesellschaft | Speichersystem zum Speichern elektrischer Energie |
US11025031B2 (en) | 2016-11-29 | 2021-06-01 | Leonardo Electronics Us Inc. | Dual junction fiber-coupled laser diode and related methods |
US10511142B2 (en) * | 2017-05-03 | 2019-12-17 | Analog Modules, Inc. | Pulsed laser diode drivers and methods |
WO2020036998A1 (en) | 2018-08-13 | 2020-02-20 | Lasertel, Inc. | Use of metal-core printed circuit board (pcb) for generation of ultra-narrow, high-current pulse driver |
DE102019121924A1 (de) * | 2018-08-14 | 2020-02-20 | Lasertel, Inc. | Laserbaugruppe und zugehörige verfahren |
US11296481B2 (en) | 2019-01-09 | 2022-04-05 | Leonardo Electronics Us Inc. | Divergence reshaping array |
US11752571B1 (en) | 2019-06-07 | 2023-09-12 | Leonardo Electronics Us Inc. | Coherent beam coupler |
Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6385226B2 (en) * | 1996-08-06 | 2002-05-07 | Trw Inc. | Smart laser diode array assembly |
US20030161366A1 (en) * | 2002-02-27 | 2003-08-28 | Optrony, Inc. | Reconfigurable laser header |
US20080180075A1 (en) * | 2007-01-29 | 2008-07-31 | Linear Technology Corporation | Current source with indirect load current signal extraction |
Family Cites Families (17)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US3982201A (en) | 1975-01-24 | 1976-09-21 | The Perkin-Elmer Corporation | CW solid state laser |
US4739462A (en) | 1984-12-26 | 1988-04-19 | Hughes Aircraft Company | Power supply with noise immune current sensing |
US4797896A (en) | 1987-05-06 | 1989-01-10 | Light Wave Electronics Co. | Solid state optical ring resonator and laser using same |
US5040187A (en) * | 1990-01-03 | 1991-08-13 | Karpinski Arthur A | Monolithic laser diode array |
US5444728A (en) | 1993-12-23 | 1995-08-22 | Polaroid Corporation | Laser driver circuit |
US5463648A (en) | 1994-08-01 | 1995-10-31 | Litton Systems, Inc. | Pulse forming network for diode laser |
US5715270A (en) * | 1996-09-27 | 1998-02-03 | Mcdonnell Douglas Corporation | High efficiency, high power direct diode laser systems and methods therefor |
JP3456121B2 (ja) * | 1997-09-09 | 2003-10-14 | 三菱電機株式会社 | レーザダイオード用電源制御装置 |
US6744800B1 (en) * | 1998-12-30 | 2004-06-01 | Xerox Corporation | Method and structure for nitride based laser diode arrays on an insulating substrate |
US6999491B2 (en) | 1999-10-15 | 2006-02-14 | Jmar Research, Inc. | High intensity and high power solid state laser amplifying system and method |
US7042631B2 (en) | 2001-01-04 | 2006-05-09 | Coherent Technologies, Inc. | Power scalable optical systems for generating, transporting, and delivering high power, high quality, laser beams |
EP2604215B1 (en) | 2003-02-25 | 2017-10-11 | Tria Beauty, Inc. | Eye-safe dermatologic treatment apparatus and method |
JP4138604B2 (ja) * | 2003-07-25 | 2008-08-27 | 日本電信電話株式会社 | 光モジュールおよびそれを用いた光通信用送受信回路 |
US6954706B2 (en) | 2003-08-20 | 2005-10-11 | Hewlett-Packard Development Company, L.P. | Method for measuring integrated circuit processor power demand and associated system |
JP4285338B2 (ja) * | 2004-06-14 | 2009-06-24 | トヨタ自動車株式会社 | スターリングエンジン |
JP2009064932A (ja) * | 2007-09-06 | 2009-03-26 | Sony Corp | レーザアレイ用冷却装置、レーザモジュール及びレーザ光源装置 |
CN101614761B (zh) | 2008-06-25 | 2012-03-14 | 鸿富锦精密工业(深圳)有限公司 | 电流侦测电路 |
-
2010
- 2010-06-11 US US12/813,662 patent/US8660156B2/en active Active
- 2010-09-02 EP EP10814512.9A patent/EP2462665B1/en active Active
- 2010-09-02 RU RU2012112805/28A patent/RU2012112805A/ru not_active Application Discontinuation
- 2010-09-02 IN IN2236DEN2012 patent/IN2012DN02236A/en unknown
- 2010-09-02 CA CA2772710A patent/CA2772710C/en active Active
- 2010-09-02 JP JP2012528057A patent/JP5740685B2/ja active Active
- 2010-09-02 WO PCT/US2010/047719 patent/WO2011028932A1/en active Application Filing
- 2010-09-02 KR KR1020127008584A patent/KR101721282B1/ko active IP Right Grant
- 2010-09-02 CN CN2010800393161A patent/CN102640368A/zh active Pending
Patent Citations (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6385226B2 (en) * | 1996-08-06 | 2002-05-07 | Trw Inc. | Smart laser diode array assembly |
US20030161366A1 (en) * | 2002-02-27 | 2003-08-28 | Optrony, Inc. | Reconfigurable laser header |
US20080180075A1 (en) * | 2007-01-29 | 2008-07-31 | Linear Technology Corporation | Current source with indirect load current signal extraction |
Cited By (7)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN107210580A (zh) * | 2015-01-29 | 2017-09-26 | 三菱电机株式会社 | 光源装置 |
CN107210580B (zh) * | 2015-01-29 | 2019-07-30 | 三菱电机株式会社 | 光源装置 |
US10539280B2 (en) | 2015-01-29 | 2020-01-21 | Mitsubishi Electric Corporation | Light-source device |
CN110785634A (zh) * | 2017-06-30 | 2020-02-11 | 法国大陆汽车公司 | 电流传感器 |
CN110785634B (zh) * | 2017-06-30 | 2022-05-13 | 法国大陆汽车公司 | 电流传感器 |
US11410544B2 (en) | 2017-06-30 | 2022-08-09 | Continental Automotive France | Sensor having duplicate detection lines |
US10454244B2 (en) | 2017-08-09 | 2019-10-22 | Lawrence Livermore National Security, Llc | Driver circuitry and systems for high current laser diode arrays |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
IN2012DN02236A (zh) | 2015-08-21 |
US8660156B2 (en) | 2014-02-25 |
JP2013504214A (ja) | 2013-02-04 |
RU2012112805A (ru) | 2013-10-10 |
WO2011028932A1 (en) | 2011-03-10 |
KR20120099004A (ko) | 2012-09-06 |
KR101721282B1 (ko) | 2017-03-29 |
EP2462665A4 (en) | 2017-08-09 |
CA2772710C (en) | 2018-08-07 |
EP2462665B1 (en) | 2021-11-03 |
EP2462665A1 (en) | 2012-06-13 |
CA2772710A1 (en) | 2011-03-10 |
JP5740685B2 (ja) | 2015-06-24 |
US20110051759A1 (en) | 2011-03-03 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102640368A (zh) | 用于对半导体激光器进行供电和冷却的方法和系统 | |
TW419869B (en) | Power source control device for a laser diode | |
CN100531493C (zh) | Led模块和具有多个led模块的led照明设备 | |
US10141706B2 (en) | Distributed laser power architecture for laser diode arrays | |
US6725669B2 (en) | Thermoelectric cooler temperature control | |
CN103022868B (zh) | 一种脉冲光纤激光器 | |
EP2562935B1 (en) | High-efficiency, dual current sink laser diode driver | |
JP2016512652A (ja) | コンパクトな高電流高効率レーザダイオードドライバ | |
US10454244B2 (en) | Driver circuitry and systems for high current laser diode arrays | |
CN209571180U (zh) | 一种低功耗led显示屏 | |
EP2193691B1 (en) | Scalable power distributor | |
CN116540814A (zh) | 一种光纤激光器线性恒流源 | |
JP2016046424A (ja) | 半導体装置 | |
Wolff et al. | Reliability of high-power diode laser bars in industrial applications | |
EP2772121B1 (en) | Smart fet circuit | |
EP0887868B1 (en) | Energy conversion system with heat recovery | |
Müller et al. | CW to QCW power scaling of high-power laser bars | |
Matin et al. | Numerical modeling and simulation of laser diode diamond microcoolers | |
KR200387787Y1 (ko) | 열전모듈을 갖는 열전장치 | |
JP2024050009A (ja) | 駆動回路及び駆動回路の制御方法 | |
Fiebig et al. | Stable and compact mounting scheme for> 1kW QCW diode laser stacks at 940nm | |
CN203734882U (zh) | 线状光源装置以及led驱动电路 | |
KR20060105863A (ko) | 직류전원을 이용한 발열장치 | |
Yankov | High-power laser diodes safety operation area | |
Gago Calderón et al. | Variable impedance LED matrix control system for lamps in PV applications |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120815 |