CN105115698A - 用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，能够使半导体激光器腔面失效分析更为准确、可靠，具有产业实际意义。该综合测试系统特别包括分光组件、温度控制模块和多种光特性测试模块，温度控制模块用于调节待测半导体激光器的温度，所述多种光特性测试模块包括近场分布测试模块、远场分布测试模块、功率测试模块和光谱成像模块，分光组件将待测半导体激光器输出的光分出多路用以设置不同的光特性测试模块；计算机接收处理所述温度测试模块和多种光特性测试模块输出的测试数据，并与温度测试模块、温度控制模块和多种光特性测试模块连接。

Description

用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统

技术领域

本发明属于光电子激光器技术，涉及一种用于半导体激光器腔面失效分析的测试系统。

背景技术

高功率光纤耦合半导体激光器具有高功率、高亮度、长寿命等优点，广泛应用于固体激光器或光纤激光器泵浦源、材料加工、空间通信、医疗美容、安全防护等领域，随着输出功率和亮度的进一步提高，腔面光学灾变损伤(COMD)已经成为制约光纤耦合半导体激光器输出功率和寿命提升的主要瓶颈。在半导体激光器使用过程中，半导体激光器腔面COMD是由于腔面局部温度过热导致大功率半导体激光器烧毁的失效形式，是导致半导体激光器失效的一种重要形式。了解腔面温度分布及变化是目前研究半导体激光器失效的一种主要手段。

德国的JensW.Tomm等人发表的学术论文中研究了在高电流注入条件下，腔面温度的变化与失效的关系，以及失效后腔面表面的变化。但是，这些方案仅限于单脉冲高电流注入，注入时间为微秒量级，测试所需的红外热像仪要求非常高的时间分辨率，产业上难以推广；而且腔面失效分析所依赖的参数单一，准确性和可靠性有限。

国内的中科院半导体所、吉林大学(夏涛，“快速LD综合参数测量系统”，吉林大学硕士学位论文，2006.4)、大连海事大学(万军华，“大功率半导体激光器阵列光强分布特性测试系统研究”，大连海事大学硕士学位论文，2008.5)等几家单位研制了半导体激光器测试仪器；炬光公司的刘兴胜等人发表的专利：201010591449.1，采用模块集成化的系统，研究了半导体激光器的LIV特性、光谱特性偏振特性、近场光斑特性、远场特性、空间光谱特性等。但是，这些测试系统与腔面失效分析没有联系，只限于对半导体激光器的输出特性的研究。

实际上，半导体激光器使用过程中，一旦发生COMD，腔面烧毁缺陷无法修补，而且缺陷将沿着增益区向芯片内部扩散，导致半导体激光器的输出功率降低，亮度降低，寿命急剧减少。因此，半导体激光器腔面的失效过程不仅是输出功率的变化，还伴随着近场的分布的变化，远场分布的变化，腔面温度的变化及光谱的变化。不过，现有技术中未见研究半导体激光器在工程化的使用过程中腔面发生COMD时，腔面温度与上述这些参数之间的关系。

发明内容

本发明提出一种用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，能够使半导体激光器腔面失效分析更为准确、可靠，具有产业实际意义。

本发明的方案如下：

用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，包括供电模块、温度测试模块和计算机，其中温度测试模块采用红外热像仪以获得待测半导体激光器的腔面温度；与现有技术不同的是，该综合测试系统还包括分光组件、温度控制模块和多种光特性测试模块，所述温度控制模块用于调节待测半导体激光器的温度，所述多种光特性测试模块包括近场分布测试模块、远场分布测试模块、功率测试模块和光谱成像模块，分光组件将待测半导体激光器输出的光分出多路用以设置不同的光特性测试模块；计算机接收处理所述温度测试模块和多种光特性测试模块输出的测试数据，并与温度测试模块、温度控制模块和多种光特性测试模块连接。

在以上方案的基础上，本发明还作了如下具体结构设计及优化：

分光组件将待测半导体激光器输出的光分出四路，一路对应于温度测试模块，一路对应于功率测试模块和光谱成像模块，一路对应于近场分布测试模块，一路对应于远场分布测试模块。

沿待测半导体激光器的输出光路，所述分光组件包括依次设置的红外滤波器、第一分光器和第二分光器；半导体激光器腔面热辐射产生的红外光经红外滤波器反射至红外热像仪，半导体激光器输出的激光透射红外滤波器，在第一分光器处一部分激光反射至积分球、经积分球引出至功率测试模块和光谱成像模块，另一部分激光透射至第二分光器，在第二分光器处再次分光，一部分激光反射至所述近场分布测试模块，另一部分激光透射至衍射屏，衍射屏后方设置所述远场分布测试模块。

在所述红外滤波器与红外热像仪之间的光路上还设置有滤波片，该滤波片对红外光产生全透射作用，半导体激光器输出的激光具有反射作用，以防止经红外滤波器透射的部分光对红外热像仪造成干扰。

在所述红外滤波器与滤波片之间的光路上还设置有前置镜头，该前置镜头对红外光产生全透射作用，调节该前置镜头的位置，能够实现对半导体激光器腔面放大。

在第一分光器与积分球之间设置有起汇聚作用的透镜。

近场分布测试模块采用CCD探测器，在该CCD探测器与第二分光器之间还设置有透镜，通过调节该透镜的位置，能够对激光器腔面产生放大作用。

衍射屏采用毛玻璃制作。

温度控制模块对待测半导体激光器热传导传热。

本发明具有以下有益效果：

1、建立了综合的表征半导体激光器腔面失效的参数测试系统，测试半导体激光器腔面在失效过程中腔面温度的变化，近场的分布的变化，远场分布的变化，输出功率的变化及光谱的变化；并且可以得出半导体腔面失效过程中上述参数之间的相互关系，为半导体激光器腔面失效提供多重的分析手段。

2、提供的多个半导体激光器输出参数可以用于表征半导体激光器腔面的质量及使用寿命，从而提高分析结果的准确性和可靠性。

3、测试系统响应快，测试简便。

4、本发明可仍然采用单脉冲电流注入，但红外热像仪对时间分辨率要求不高。

附图说明

图1为本发明的系统结构示意图。

具体实施方式

1为温控平台，可以通过计算机控制温度，但是不限于只用计算机控制温度。

2为被测半导体激光器，在外加电流的情况下从端面出光。

L1为红外热像仪镜头，通过调节该镜头的位置，可以实现对半导体激光器腔面放大，该镜头对激光器腔面热辐射的红外光不吸收。

3为表面镀有滤膜的分光器，激光器腔面热辐射产生的红外光入射到表面后发生全反射，对激光器输出的光具有透射作用。

L2为透镜，对激光器输出的光不吸收，起到对半导体激光器出射的光具有汇聚到积分球内9的作用，制作材料通常为SiO₂，但不限于SiO₂。

4和5同为一种分光器，对入射到表面的光起到半反射作用，一部分透射，一部分反射。

L3为透镜，对激光器出射的光透射，通过调节位置，对激光器腔面具有放大作用，制作材料为制作材料通常为SiO₂，但不限于SiO₂。

6为衍射屏，对入射到表面的光具有散射作用，但是不具有吸收作用，是一种半透明介质，材料可以是毛玻璃，也可以是其他半透明介质。

7为CCD，可以探测半导体激光器的输出光，可以测试到衍射屏6表面的光场分布，CCD7测试得到的光场分布用计算机14表征。

8为CCD，可以探测半导体激光器的输出光，结合透镜L3，可以测试得到被测半导体激光器2出光面的光场分布，测试结果通过计算机14表征。

9为积分球，通过透镜L2的作用，收集被测半导体激光器2出射的部分光。

10为功率计，可以测试半导体激光器出射的光能量，测试结果通过计算机14进行运算后得到半导体激光器输出的实际功率。

11为光谱仪，可以测试半导体激光器输出的光谱，测试结果通过计算机14表征。

12为热像仪，可以测试半导体激光器腔面的的温度分布，测试结果通过计算机14表征。

13为滤波片，对激光器腔面热辐射产生的红外光入射到表面后发生全透射，对激光器输出的光具有反射作用，防止分光器3反射的红外光中含有部分激光器发出的激光，对热像仪12造成干扰。

14为计算机，不仅对7、8、10、11、12的测试结果具有表征作用，还起到对7、8、10、11、12控制的作用，并且还控制温控系统1的温度。测试结果包括不同时间内各个测量结果的数值，比如每隔5秒记录一次测试结果,并且能够自动识别并找到上述参数变化时相对应的时间节点,便于进行相应的分析。

本发明的测试系统主要针对半导体激光器在长时间的使用过程中，腔面发生灾变并且灾变区域逐渐变大的过程中，测试半导体激光器以下参数的变化：腔面温度分布的变化，近场分布的变化，远场分布的变化，输出功率的变化及光谱的变化。本发明在研究上述参数关系的基础上，得出腔面灾变与腔面温度分布，近场分布，远场分布，输出功率及光谱之间的关系。从而在分析出腔面灾变时，不仅可以通过腔面温度分布进行判断，还可以通过近场分布，远场分布，输出功率及光谱进行判断，为分析半导体激光器腔面的质量及使用寿命、进而判断半导体激光器的可靠性提供多个参数的支持。

以下我们以980nm半导体激光器为待测半导体激光器2为例，对本发明的测试过程作详细说明。

1)供电。打开计算机及各个测试模块，使得各个测试模块在计算机的控制之下正常工作后，在计算机控制下对被测半导体激光器2施加工作电流，被测半导体激光器2发出980nm的激光，被测半导体激光器2腔面温度上升，腔面的热辐射产生红外光。此时，温控平台1起制冷作用，使工作台的温度处于室温，减小被测半导体激光器2的耗散功率对测试造成影响。一段时间后，激光器的各个输出特性趋于稳定。

2)被测半导体激光器2出射的980nm的光及产出的腔面热辐射产生的红外光一起到达表面镀有滤膜的分光器3表面，该分光器使得980nm激光透过，而热辐射产生的红外光则被反射进入具有放大作用的透镜L1，为了防止经过分光器3反射后残余的980nm波长的光沿热像仪12光路进入热像仪影响热像仪对腔面热辐射的探测精度，在透镜L1和热像仪12之间增加一个滤波片13，该滤波片能够阻止980nm的光通过而允许热辐射产生的红外光透过进入热像仪12。通过连接在热像仪上的计算机14得到被测样品的腔面温度。

3)透过表面镀有滤膜的分光器3的980nm的光到达分光器4表面后部分发生透射，部分发生反射。发生反射的光经过透镜L2聚焦，进入积分球9，功率计10和光谱仪11分别表征出积分球内的激光能量和光谱分布，进而通过计算机14的分析，得到被测半导体激光器2的实际输出能量及光谱。

4)透过分光器4的光到达分光器5表面，同样产生部分的透射和反射，反射的光经过具有放大作用的凸透镜后，到达CCD8表面，通过连接在CCD8上的计算机表征出被测半导体激光器2的腔面光场分布。

5)透过分光器5的光到达衍射屏6表面后形成光斑，通过CCD7测试得到衍射屏6表面的光斑大小及光场分布，并且通过计算机14表征输出光的远场分布。

在激光器使用过中，腔面温度分布、输出功率、输出光谱、腔面光场分布和远场分布都是同时存在，具有对应关系。在腔面发生灾变的过程中，腔面温度分布变化，输出功率变化，输出光谱变化，腔面光场分布变化，远场分布变化也都是同时发生变化，变化后的上述参数同样具有对应关系。腔面灾变的发生是一个渐变过程，该系统通过测试腔面灾变过程中上述参数的变化，进而根据上述参数的变化，总结出上述参数之间的关系(例如函数关系、标准曲线等)，从而分析判定半导体激光器腔面的质量及使用寿命。

Claims (9)

1.用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，包括供电模块、温度测试模块和计算机，其中温度测试模块采用红外热像仪以获得待测半导体激光器的腔面温度；其特征在于：该综合测试系统还包括分光组件、温度控制模块和多种光特性测试模块，所述温度控制模块用于调节待测半导体激光器的温度，所述多种光特性测试模块包括近场分布测试模块、远场分布测试模块、功率测试模块和光谱成像模块，分光组件将待测半导体激光器输出的光分出多路用以设置不同的光特性测试模块；计算机接收处理所述温度测试模块和多种光特性测试模块输出的测试数据，并建立有对温度测试模块、温度控制模块和多种光特性测试模块的控制连接。

2.根据根据权利要求1所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：分光组件将待测半导体激光器输出的光分出四路，一路对应于温度测试模块，一路对应于功率测试模块和光谱成像模块，一路对应于近场分布测试模块，一路对应于远场分布测试模块。

3.根据权利要求2所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：沿待测半导体激光器的输出光路，所述分光组件包括依次设置的红外滤波器、第一分光器和第二分光器；半导体激光器腔面热辐射产生的红外光经红外滤波器反射至红外热像仪，半导体激光器输出的激光透射红外滤波器，在第一分光器处一部分激光反射至积分球、经积分球引出至功率测试模块和光谱成像模块，另一部分激光透射至第二分光器，在第二分光器处再次分光，一部分激光反射至所述近场分布测试模块，另一部分激光透射至一衍射屏，衍射屏后方设置所述远场分布测试模块。

4.根据权利要求3所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：在所述红外滤波器与红外热像仪之间的光路上还设置有滤波片，该滤波片对红外光产生全透射作用，半导体激光器输出的激光具有反射作用，以防止经红外滤波器反射的部分光入射到红外热像仪后对其造成干扰。

5.根据权利要求4所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：在所述红外滤波器与滤波片之间的光路上还设置有前置镜头，该前置镜头对红外光产生全透射作用，调节该前置镜头的位置，能够实现对半导体激光器腔面放大。

6.根据权利要求3所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：在第一分光器与积分球之间设置有起汇聚作用的透镜。

7.根据权利要求3所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：所述近场分布测试模块采用CCD探测器，在该CCD探测器与第二分光器之间还设置有透镜，通过调节该透镜的焦距，能够对激光器腔面产生放大作用。

8.根据权利要求3所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：所述衍射屏采用毛玻璃制作。

9.根据权利要求1所述的用于半导体激光器腔面失效分析的综合测试系统，其特征在于：所述温度控制模块对待测半导体激光器热传导传热。