CN104362509B - 一种用于vcsel激光器的脉冲能量动态补偿系统及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于VCSEL半导体激光器脉冲能量的动态补偿系统，包括温度探测模块、寿命计数模块、控制模块、驱动电源模块、VCSEL激光器模块；其中，温度探测模块与寿命计数模块将测得的数据送至控制模块，控制模块调节电流或者脉宽，由驱动电源模块对电流或者脉宽的信号进行放大后传送至VCSEL激光器模块，由VCSEL激光器模块根输出恒定脉冲能量。本发明在激光器一定的生命周期和特定的温度范围内，对激光器功率的长期衰减和短期波动进行了动态补偿，实现了近似恒定且更加精确的激光能量输出，满足了实际应用的需要。这种方法尤其适合相关激光医疗应用，将使激光医疗更加稳定、精确、安全。
Description
技术领域
本发明涉及一种脉冲能量补偿系统，尤其涉及一种用于VCSEL半导体激光器的脉冲能量动态补偿系统，属于半导体激光器技术领域。
背景技术
垂直腔面发射激光器(Vertical Cavity Surface Emitting Laser，简称VCSEL)是一种出光方向垂直于外延片的半导体激光器。高功率VCSEL激光器则是由成百上千个沿着外延片表面分布的VCSEL发光点构成的二维阵列。如图1所示，它具有很高的光学输出功率。这种高功率VCSEL激光器有着诸多优异的特性，包括极高的可靠性、高温工作稳定性，波长温漂小、工作寿命长等，逐渐成为未来高功率半导体激光器发展的重要方向。VCSEL激光器的具体结构如图2所示。
对于商用的VCSEL激光器而言，目前整体的电光转换效率大概为40％，在恒流状态下工作，一般工作电压1.8～2.5V。特定工作温度下，在阈值电流以上、最大工作电流以下，其斜率效率(dP/dI)基本为一个常数，即光学输出功率随电流增大呈直线上升。这种特性使得半导体激光器的光学输出功率可以通过简单的电流调节进行控制，而一般脉冲工作的VCSEL激光器，其驱动电流为恒流方波，这样每个脉冲的能量，取决于驱动电流的幅度和方波脉冲的宽度。VCSEL激光器的电光特性，如图3所示。
VCSEL激光器最突出的特性在于其极高的可靠性和超长的使用寿命，一般极少出现突然性的故障导致激光器停止工作或者灾难性功率衰减，其激光功率和寿命衰减曲线非常平稳。VCSEL激光器的另外一个特性在于适合高温工作，其激光功率随温度上升而衰减的温漂特性可以通过实验确认出一定的曲线特征，如图4所示。
在实际应用中，一般的半导体激光器采用特定的电流和脉宽进行驱动产生特定能量的激光脉冲，但是随着激光器的功率衰减(永久性不可恢复的退化)，激光器脉冲能量逐步降低。另外，在特定的时期内，即便没有功率衰减，半导体激光器的脉冲能量仍然会随工作温度的变化而产生波动。这两种因素的存在，导致了实际脉冲应用中激光能量的长期衰减和短期波动。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题在于提供一种用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿系统。
为实现上述发明目的，本发明采用下述的技术方案：
一种用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿系统，包括温度探测模块、寿命计数模块、控制模块、驱动电源模块、VCSEL激光器模块；其中，
所述温度探测模块与所述寿命计数模块将测得的数据送至所述控制模块，所述控制模块调节电流或者脉宽，由所述驱动电源模块对所述电流或者脉宽的信号进行放大后传送至所述VCSEL激光器模块，由所述VCSEL激光器模块根输出恒定脉冲能量。
一种用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿方法，用于实现上述的脉冲能量动态补偿系统，包括以下步骤：
(1)采集VCSEL激光器的温度以及寿命参数；
(2)利用经验函数计算脉冲能量补偿量，并调整电流或者脉宽；
(3)根据调整后的电流或者脉宽，输出恒定脉冲能量。
其中较优地，所述控制模块采用经验函数进行数据处理，所述经验函数为：
y＝2E－05x4－0.0071x3+0.9195x2－52.462x+1159.1，
其中，2E－05代表以10为底的－5次幂乘以2，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂。
其中较优地，所述控制模块采用经验函数进行数据处理，所述经验函数为：
y＝－0.0009x3+0.0463x2－1.0508x+103.15，
其中，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂。
其中较优地，所述控制模块采用经验函数进行数据处理，所述经验函数为：
y＝－0.019x2+2.2736x－29.459，
其中，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂。
其中较优地，所述步骤(2)中，当电流恒定时，通过调整脉冲宽度实现脉冲能量补偿。
其中较优地，所述步骤(2)中，当脉冲恒定时，在不超过电流上限的情况下，通过增大电流实现脉冲能量补偿。
其中较优地，所述增大电流是指将阈值以上的电流成比例增加，且不超过电流上限值。
与现有技术相比较，本发明具有以下有益效果：
1.系统通过寿命计数、温度探测加上控制系统来实现，原理简单、易于实施；
2.可以在激光器寿命周期里实现近似恒定的激光脉冲能量，实现了近似恒定且更加精确的激光能量输出，使能量输出不受寿命衰减的影响，满足实际应用的需要；
3.使用这种方案不需要对激光器进行恒温控制，对温度可以实时测量和实时补偿，使能量输出不受工作温度的影响，适合激光医疗应用，更加稳定、精确、安全。
附图说明
图1是VCSEL激光器的整体结构示意图；
图2是VCSEL激光器的具体结构示意图；
图3是VCSEL激光器的电光特性示意图；
图4是激光功率和寿命衰减曲线示意图；
图5是激光功率与温度之间的关系曲线示意图；
图6是本发明所提供的脉冲能量动态补偿系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明的技术内容进行详细具体的说明。
激光脉冲能量(Energy，简写E)由四个参数构成的特征函数所确定，如公式(1)所示：
E＝f(S，T，W，I) (1)
1)寿命(Shots，简写S)，即已用脉冲次数，即能量随已用脉冲次数增加而减少；
2)工作温度(Temperature，简称T)，即能量随温度上升而减小；
3)脉冲宽度(Pulse Width，简称W)，即能量随脉宽增大而增大；
4)工作电流(Current，简称I)，即能量随电流增大而增大。
在实际应用中，一般的半导体激光器采用特定的电流和脉宽进行驱动产生特定能量的激光脉冲，但是随着激光器的功率衰减(永久性不可恢复的退化)，激光器脉冲能量逐步降低。另外，特定的时期内，即便没有功率衰减，激光器脉冲能量仍然会随工作温度的变化而产生波动。由于上述两种因素的存在，导致了实际脉冲应用中激光能量的长期衰减和短期波动，从而引起不必要的损失，因此需要对上述因素进行相应处理。
对于特定类型的VCSEL激光器，因寿命衰减是缓慢的且功率温漂是可预见的，我们可以通过实验，如图5所示，得到激光器的寿命衰减以及功率温漂的经验函数，如下式所示：
y＝2E－05x4－0.0071x3+0.9195x2－52.462x+1159.1 (2)
其中，2E－05代表以10为底的－5次幂乘以2，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂。
或者为：
y＝－0.0009x3+0.0463x2－1.0508x+103.15 (3)
其中，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂。
y＝－0.019x2+2.2736x－29.459 (4)
其中，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂。
通过轻微调整脉冲宽度或者工作电流，实现对激光器脉冲能量的动态补偿，在一定的寿命和温度范围内实现了近似恒定且更加精确的激光能量输出。
图6所示为本发明公开的一种用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿系统，包括温度探测模块、寿命计数模块、控制模块、驱动电源模块、VCSEL激光器模块。其中，温度探测模块与寿命计数模块将所测得的数据送至控制模块，控制模块基于经验函数进行处理，根据激光器的功率衰减情况，调节电流或者脉宽，由驱动电源模块对所产生的电流或者脉宽信号进行放大后传送至VCSEL激光器模块，由VCSEL激光器模块根据补偿信号输出恒定脉冲能量。
实施例一：在电流恒定状态下的脉宽补偿
假设VCSEL激光器寿命每一百万次脉冲衰减0.8％，在25～35℃工作温度下的温漂特性近似为每升高1度功率下降1.2％，激光器初始寿命为100W(25℃标定)，电流恒定，脉宽为100ms，初始单脉冲能量为100W*100ms＝10J。则我们可以预测激光器在第五百万次使用寿命时，激光器功率(25℃标定)衰减为100W*(1－0.8％*5)＝96W，假定当时水温为30℃，则实时功率为96W*(1－1.2％*5)＝90.24W。为了实现恒定10J的脉冲能量，我们在不调整电流的情况下，可以通过调整脉宽来实现，即动态调整脉宽为100ms*100/90.24＝110.8ms。
这样，我们就实现了和实际结果及其接近的，近似恒定的激光脉冲能量输出。
实施例二：在脉宽恒定状态下的电流补偿
实施例一的补偿也可以通过增大电流来实现(前提是增大后的电流不能超过激光器的电流上限)。假定激光器阈值电流为10A，初始工作电流为80A，电流上限为110A，在脉宽不变的情况下，根据半导体激光器的电光特性，为了补偿激光能量，需要将阈值以上电流成比例增加。即提高工作电流到10A+(80A－10A)*100W/90.24W＝87.57A(这个电流未超过上限，安全有效)。这样便实现了相同的激光脉冲能量。
为实现上述脉冲能量动态补偿系统，本发明还公开了一种用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿方法，包括：
(1)采集VCSEL激光器的温度以及寿命参数；
(2)利用经验函数计算脉冲能量补偿量，并调整输出电流或者脉宽；
(3)根据调整后的输出电流或者脉宽输出恒定脉冲能量。
本发明采用简单、单向、开环的控制系统，无须复杂的探测与反馈调整系统，适用于具有平稳寿命衰减特征且适合高温工作的VCSEL激光器。其中，激光器的寿命衰减和温度漂移是可预见的，可以通过实验拟合出经验函数。本发明的系统在一定的寿命和温度范围内，实施依赖于寿命计数和温度探测、寿命－功率、温度－功率的经验函数，通过激光驱动电源的脉宽调整或电流调整(或二者同时调整)来实现，可以预见和预测的工作状态，实现恒定的激光脉冲能量输出。
以上对本发明所提供的用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿系统及其方法进行了详细的说明。对本领域的一般技术人员而言，在不背离本发明实质精神的前提下对它所做的任何显而易见的改动，都将构成对本发明专利权的侵犯，将承担相应的法律责任。
Claims (5)
1.一种用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿系统，其特征在于包括：温度探测模块、寿命计数模块、控制模块、驱动电源模块、VCSEL激光器模块；其中，
所述温度探测模块与所述寿命计数模块将测得的数据送至所述控制模块，所述控制模块采用结合寿命计数和温度探测的经验函数调节电流和/或脉宽，由所述驱动电源模块对所述电流或者脉宽的信号进行放大后传送至所述VCSEL激光器模块，由所述VCSEL激光器模块输出恒定脉冲能量；
所述经验函数为：
y＝2E－05x4－0.0071x3+0.9195x2－52.462x+1159.1，
或者是
y＝－0.0009x3+0.0463x2－1.0508x+103.15，
或者是
y＝－0.019x2+2.2736x－29.459，
其中，2E－05代表以10为底的－5次幂乘以2，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂。
2.一种用于VCSEL激光器的脉冲能量动态补偿方法，用于实现权利要求1所述的脉冲能量动态补偿系统，其特征在于包括以下步骤：
(1)采集VCSEL激光器的温度以及寿命参数；
(2)采用结合寿命计数和温度探测的经验函数计算脉冲能量补偿量，并调整电流和/或脉宽；
所述经验函数为：
y＝2E－05x4－0.0071x3+0.9195x2－52.462x+1159.1，
或者是
y＝－0.0009x3+0.0463x2－1.0508x+103.15，
或者是
y＝－0.019x2+2.2736x－29.459，
其中，2E－05代表以10为底的－5次幂乘以2，变量y代表寿命衰减，自变量x代表功率温漂；
(3)根据调整后的电流和/或脉宽，输出恒定脉冲能量。
3.如权利要求2所述的脉冲能量动态补偿方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，当电流恒定时，通过调整脉冲宽度实现脉冲能量补偿。
4.如权利要求2所述的脉冲能量动态补偿方法，其特征在于：
所述步骤(2)中，当脉宽恒定时，在不超过电流上限的情况下，通过增大电流实现脉冲能量补偿。
5.如权利要求4所述的脉冲能量动态补偿方法，其特征在于：
所述增大电流是指将阈值以上的电流成比例增加，且不超过电流上限值。
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