CN105161974B - 一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法，包括以下步骤：1)根据半导体脉冲激光器的额定工作温度T_s选择热电模块，将热电模块安装在半导体脉冲激光器内并使用可编程直流电源控制其电压；2)半导体脉冲激光器在jt₀时刻释放热量Qc使半导体脉冲激光器内的温度上升，可编程直流电源在jt₀时刻相应地由恒定电压U_s调整为阶梯电压并施加在热电模块上，以使半导体脉冲激光器的实际工作温度降低到T_s±2℃；其中，j为大于零的正整数。本发明通过给热电模块施以合适的阶梯电压，使热电模块冷端温度呈现出衰减振荡过程，能减小过冷温度和增益温度，保证半导体脉冲激光器的温度要求。

Description

一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法

技术领域

本发明涉及半导体脉冲激光器冷却技术领域，尤其涉及一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法。

背景技术

半导体脉冲激光器件在通信系统中有着重要作用,与其他类型的半导体脉冲激光器相比,具有体积小、重量轻、转换效率高、省电等优点。此外在光学测量、气体检测、自动控制等医疗和军事方面也有很广泛的应用。但半导体脉冲激光器件是一个高热流密度的光电设备,其性能和使用寿命均受温度的影响，它的额定工作温度会严重影响光束质量和输出能量。因此半导体脉冲激光器在使用过程中温度控制至关重要,其热管理系统是半导体脉冲激光器的稳定性和可靠性的保障。半导体脉冲激光器的热管理系统要求有较高的单位面积的制冷量,精确的温度控制，脉冲半导体脉冲激光器更是要求及时启停的性能，高热流密度的光电子器件散热问题成为制约光电子器件发展的最大瓶颈。

热电制冷因其结构紧凑、易于集成、无任何机械运动部件、噪音低、无磨损、寿命长，具有高度的可靠性，控制精度高，制冷迅速等优点在半导体脉冲激光器的冷却中有着不可代替的作用。目前，一些学者通过脉冲过冷效应强化热电模块的制冷效果,解决半导体连续半导体脉冲激光器的高热流密度和半导体脉冲激光器的结构封装要求冲突问题。

现有的脉冲过冷冷却方法多是针对特例及特定工况设计,且没有考虑过脉冲过冷后引起的温度升高的脉冲增益效应,而这恰是保证热电制冷系统的温度精度要求中最需要避免或解决的问题。并且对于一定负荷的脉冲半导体脉冲激光器,存在一个临界脉冲宽度,当半导体脉冲激光器的脉冲宽度小于临界脉冲宽度时,可以通过脉冲过冷冷却脉冲半导体脉冲激光器；而当半导体脉冲激光器的脉冲宽度大于临界脉冲宽度时,无法通过脉冲过冷冷却脉冲半导体脉冲激光器。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，根据脉冲过冷效应和脉冲增益效应的温度与时间特征,本发明提供了一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法，当半导体脉冲激光器的脉冲宽度大于临界脉冲宽度时,通过阶梯脉冲过冷冷却脉冲半导体脉冲激光器,利用阶梯电压驱动来抵消脉冲增益温度，保证半导体脉冲激光器的温度精度。

为实现上述目的，按照本发明，提供了一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据半导体脉冲激光器的额定工作温度T_s选择热电模块，将选择的热电模块安装在半导体脉冲激光器内，并通过可编程直流电源控制热电模块上的电压，其中，所述热电模块包括热端和冷端,其用于控制所述半导体脉冲激光器的实际工作温度；

2)初始时，可编程直流电源施加在热电模块的电压为恒定电压U_s，以使半导体脉冲激光器的实际工作温度维持在T_s±2℃；

3)当半导体脉冲激光器在jt₀时刻释放脉冲激光并产生热量Qc，从而使半导体脉冲激光器的实际工作温度大于T_s+2℃时，热电模块上的电压在jt₀时刻开始调整为递减型的阶梯电压并且此时电压值升高，以使热电模块中的冷端温度下降并与所述半导体脉冲激光器换热；另外，jt₀时刻施加的阶梯电压会在jt₀'时刻突变至U_s，此时，半导体脉冲激光器的实际工作温度降低到T_s±2℃；另外，在jt₀'时刻至(j+1)t₀时刻电压会维持在恒定电压U_s，以使半导体脉冲激光器在该时间区域内的实际工作温度维持在T_s±2℃；其中，j为大于零的正整数，jt₀<jt₀'<(j+1)t₀。

优选地，施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的参数包括阶段数N、各阶段内的电压U_pi及各阶段的持续时间t_i，其中，1<i≤N，从而使半导体脉冲激光器的实际工作温度呈现出衰减震荡过程，其中，半导体脉冲激光器内的温度控制过程如下：

1)设置计时器i＝1；

2)本步骤包括以下子步骤：

2.1)热电模块的工作电压在jt₀时刻由电压值U_s突变为电压值为U_pi，其中U_pi＞U_s，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，在时刻又逐渐上升到温度T_ci；

2.2)设置i＝i+1；

2.3)在时刻，热电模块工作电压由U_p(i-1)突变为U_pi，其中U_pi＜

U_p(i-1)，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，在

时刻又逐渐上升到温度T_ci；

2.4)判断i＝N是否成立，若否，则返回步骤2.2)，若是，进入步骤2.5)；

2.5)在时刻，热电模块工作电压由U_pi突变为U_s,热电模块冷端温度逐渐上升，然后再逐渐下降，最后稳定在T_s±2℃。

优选地，施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的阶段数N、各阶段内的电压U_pi及各阶段的持续时间t_i的确定方法如下：

a)对N、U_pi和持续时间t_i赋值；

b)通过热控制方程获取jt₀'时刻的P型热电臂冷端温度T_cj，获取过程如下：

将热电模块简化为P型热电臂，而P型热电臂的温度场是时间和空间的连续函数；将P型热电臂分别进行空间和时间的离散化以对其瞬态传热方程的数值求解，其中P型热电臂的热控制方程为：

热电模块初始工作时，其温度为环境温度，因此初始条件为：

T(:,0)＝T_a

其边界条件如下：

其中，I＝((U-α_p(T_h-T_a))/R；

α_p为P型热电臂塞贝克系数；k_p为P型热电臂热导率；σ_p为P型热电臂电导率；ρ_p为P型热电臂密度；C_P为P型热电臂比热容；R_h为热端热阻；A_p为P型热电臂截面积；Q_cp为P型热电臂冷端产冷量,T_h为P型热电臂热端温度；Ta为环境温度；L为P型热电臂长度，I为P型热电臂中的电流，R为P型热电臂的总电阻；

另外，采用有限元差分法和Gear算法进行数值计算，对每个阶段的电压进行数值计算，得到jt₀'时刻T_cj值；

c)判断T_cj是否在T_s±2℃范围内，如果是，则进入步骤d)，如果否，则进入步骤a)；

d)利用步骤c)获得N、U_pi和时间t_i的值进行仿真和/或实验进行验证，以判断T_cj是否在T_s±2℃范围内，如果是，则进入步骤e)，如果否，则进入步骤a)；

e)确定N、U_pi和时间t_i的值。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果:

1)本发明通过给热电模块施以合适的阶梯电压，减小脉冲电压和脉冲电压的持续时间，从而减小过冷温度和增益温度，保证半导体脉冲激光器的温度要求。

2)本发明通过阶梯冷却处理高热流密度的冷负荷和焦耳热通过热容引起的迟滞效应，有效解决温度增益过大问题。

3)本发明通过阶梯冷却使高热流密度的半导体脉冲激光器温度呈现出衰减振荡过程，温度精度控制在±2℃。

附图说明

图1是本发明中半导体脉冲激光器冷却方法的流程图；

图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是本发明实施过程中热电模块上的半导体脉冲激光器释放的热量、电压和半导体脉冲激光器内的温度随时间变化的曲线图；

图3是本发明中热电模块简化成的P型热电臂的示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

参照图1～图3，1、一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据半导体脉冲激光器的额定工作温度T_s选择热电模块，将选择的热电模块安装在半导体脉冲激光器内，并通过可编程直流电源控制热电模块上的电压，其中，所述热电模块包括热端和冷端,其用于控制所述半导体脉冲激光器的实际工作温度；

2)初始时，可编程直流电源施加在热电模块的电压为恒定电压U_s，以使半导体脉冲激光器的实际工作温度维持在T_s±2℃；

3)当半导体脉冲激光器在jt₀时刻释放脉冲激光并产生热量Qc，从而使半导体脉冲激光器的实际工作温度大于T_s+2℃时，热电模块上的电压在jt₀时刻开始调整为递减型的阶梯电压并且此时电压值升高，以使热电模块中的冷端温度下降并与所述半导体脉冲激光器换热；另外，jt₀时刻施加的阶梯电压会在jt₀'时刻突变至U_s，此时，半导体脉冲激光器的实际工作温度降低到T_s±2℃；另外，在jt₀'时刻至(j+1)t₀时刻电压会维持在恒定电压U_s，以使半导体脉冲激光器在该时间区域内的实际工作温度维持在T_s±2℃；其中，j为大于零的正整数，jt₀<jt₀'<(j+1)t₀。

半导体脉冲激光器工作时，其释放的是脉冲激光，即其是间断性地发射激光；其在jt₀时刻释放脉冲激光时会产生Qc＝W的热量，而在初始和中间没有发射激光时，Qc＝0，是不产生热量的。虽然Qc＝0时激光器不产生热量，但是此时的环境温度是高于激光器设定工作温度T_s，所以为了抵消环境的热量，使激光器实际工作温度稳定在T_s±2℃，此时热电模块仍然处于工作状态，工作电压为恒定电压U_s。

热电模块的热物性问题可简化为P型热电臂的导热问题，导热问题的温度场是时间和空间的连续函数。优选地，施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的参数包括阶段数N、各阶段内的电压U_pi及各阶段的持续时间t_i，其中，1<i≤N，从而使半导体脉冲激光器的实际工作温度呈现出衰减震荡过程，其中，半导体脉冲激光器内的温度控制过程如下：

1)设置计时器i＝1；

2)本步骤包括以下子步骤：

2.1)热电模块的工作电压在jt₀时刻由电压值U_s突变为电压值为U_pi，其中U_pi＞U_s，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，

在时刻又逐渐上升到温度T_ci；

2.2)设置i＝i+1；

2.3)在时刻，热电模块工作电压由U_p(i-1)突变为U_pi，其中U_pi＜

U_p(i-1)，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，在

时刻又逐渐上升到温度T_ci；

2.4)判断i＝N是否成立，若否，则返回步骤2.2)，若是，进入步骤2.5)；

2.5)在时刻，热电模块工作电压由U_pi突变为U_s,热电模块冷端温度逐渐上升，然后再逐渐下降，最后稳定在T_s±2℃。

优选地，施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的阶段数N、各阶段内的电压U_pi及各阶段的持续时间t_i的确定方法如下：

a)对N、U_pi和持续时间t_i赋值；

b)通过热控制方程获取jt₀'时刻的P型热电臂冷端温度T_cj，获取过程如下：

将热电模块简化为P型热电臂，而P型热电臂的温度场是时间和空间的连续函数；将P型热电臂分别进行空间和时间的离散化以对其瞬态传热方程的数值求解，其中P型热电臂的热控制方程为：

热电模块初始工作时，其温度为环境温度，因此初始条件为：

T(:,0)＝T_a

其边界条件如下：

其中，I＝((U-α_p(T_h-T_a))/R；

α_p为P型热电臂塞贝克系数；k_p为P型热电臂热导率；σ_p为P型热电臂电导率；ρ_p为P型热电臂密度；C_P为P型热电臂比热容；R_h为热端热阻；A_p为P型热电臂截面积；Q_cp为P型热电臂冷端产冷量,T_h为P型热电臂热端温度；Ta为环境温度；L为P型热电臂长度，I为P型热电臂中的电流，R为P型热电臂的总电阻。

另外，采用有限元差分法和Gear算法进行数值计算，对每个阶段的电压进行数值计算，得到jt₀'时刻T_cj值；

c)判断T_cj是否在T_s±2℃范围内，如果是，则进入步骤d)，如果否，则进入步骤a)；

d)利用步骤c)获得N、U_pi和时间t_i的值进行仿真和/或实验进行验证，以判断T_cj是否在T_s±2℃范围内，如果是，则进入步骤e)，如果否，则进入步骤a)；

e)确定N、U_pi和时间t_i的值。

当给定半导体脉冲激光器参数及额定工作温度之后，选择合适的热电模块，反复赋值、计算、仿真、实验验证确定阶梯电压阶段数及脉冲电压数值，达到温度要求。

譬如，半导体脉冲激光器设定额定工作温度T_s后，在t＝jt₀时刻，半导体脉冲激光器释放热量Q_c，而这对于热电模块相当于冷负荷，该冷负荷作用于热电模块并且冷负荷W＝Q_c，t＝jt₀时刻热电模块工作电压由恒定电压U_s调整为阶梯电压。在阶梯电压的一个突变周期内，其共有N个阶段，在第一个阶段，在t＝jt₀时刻，热电模块工作电压由稳态电压U_s突变为脉冲电压U_p，其中U_p大于U_s,热电模块冷端温度迅速下降到最小脉冲过冷温度T_cpmin,然后再逐渐上升，通过脉冲过冷效应抵消脉冲负荷的一部分影响，由于无法完全抵消掉半导体脉冲激光器释放热量Q_c，温度逐渐上升，在jt₀+t₁时刻上升到温度T_c1。

在第二个阶段,jt₀+t₁时刻，电压由U_p1突变为U_p2，其中U_p2小于U_p1,热电模块冷端又与激光器交换热量，抵消一部分热量，使冷端温度呈现出衰减震荡过程。

如此继续下去，热电模块逐渐抵消半导体脉冲激光器释放的热量，直至热电模块工作电压在时刻又降为电压U_s，此时热电模块已经基本上抵消了半导体脉冲激光器释放的热量Q_c，然后U_s会恒定一段时间，以使激光器的实际工作温度维持在T_s±2℃，直至下一次在(j+1)t₀时半导体脉冲激光器又释放的热量Q_c，然后电压又会在(j+1)t₀时由U_s调整为递减型阶梯电压，开始下一次循环。

另外，所述阶梯电压在一个突变周期内的阶段数N、各阶段内的维持时间t_i和电压峰值U_pi(i＝1,2,…N)根据半导体脉冲激光器冷负荷、脉冲时间和热电模块性能变化相应改变。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)根据半导体脉冲激光器的额定工作温度T_s选择热电模块，将选择的热电模块安装在半导体脉冲激光器内，并通过可编程直流电源控制热电模块上的电压，其中，所述热电模块包括热端和冷端,其用于控制所述半导体脉冲激光器的实际工作温度；

2)初始时，可编程直流电源施加在热电模块的电压为恒定电压U_s，以使半导体脉冲激光器的实际工作温度维持在T_s±2℃；

3)当半导体脉冲激光器在jt₀时刻释放脉冲激光并产生热量Qc，从而使半导体脉冲激光器的实际工作温度大于T_s+2℃时，热电模块上的电压在jt₀时刻开始调整为递减型的阶梯电压并且此时电压值升高，以使热电模块中的冷端温度下降并与所述半导体脉冲激光器换热；另外，jt₀时刻施加的阶梯电压会在jt₀'时刻突变至U_s，此时，半导体脉冲激光器的实际工作温度降低到T_s±2℃；另外，在jt₀'时刻至(j+1)t₀时刻电压会维持在恒定电压U_s，以使半导体脉冲激光器在该时间区域内的实际工作温度维持在T_s±2℃；其中，j为大于零的正整数，jt₀<jt₀'<(j+1)t₀；

施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的参数包括阶段数N、各阶段内的电压U_pi及各阶段的持续时间t_i，其中，1<i≤N，从而使半导体脉冲激光器的实际工作温度呈现出衰减震荡过程，其中，半导体脉冲激光器内的温度控制过程如下：

1)设置计时器i＝1；

2)本步骤包括以下子步骤：

2.1)热电模块的工作电压在jt₀时刻由电压值U_s突变为电压值为U_pi，其中U_pi＞U_s，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，

在时刻又逐渐上升到温度T_ci；

2.2)设置i＝i+1；

2.3)在时刻，热电模块工作电压由U_p(i-1)突变为U_pi，其中U_pi＜U_p(i-1)，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，在时刻又逐渐上升到温度T_ci；

2.4)判断i＝N是否成立，若否，则返回步骤2.2)，若是，进入步骤2.5)；

2.5)在时刻，热电模块工作电压由U_pi突变为U_s,热电模块冷端温度逐渐上升，然后再逐渐下降，最后稳定在T_s±2℃；

施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的阶段数N、各阶段内的电压U_pi及各阶段的持续时间t_i的确定方法如下：

a)对N、U_pi和持续时间t_i赋值；

b)通过热控制方程获取jt₀'时刻的P型热电臂冷端温度T_cj，获取过程如下：

将热电模块简化为P型热电臂，而P型热电臂的温度场是时间和空间的连续函数；将P型热电臂分别进行空间和时间的离散化以对其瞬态传热方程的数值求解，其中P型热电臂的热控制方程为：

热电模块初始工作时，其温度为环境温度，因此初始条件为：

T(:,0)＝T_a

其边界条件如下：

其中，I＝((U-α_p(T_h-T_a))/R；

α_p为P型热电臂塞贝克系数；k_p为P型热电臂热导率；σ_p为P型热电臂电导率；ρ_p为P型热电臂密度；C_P为P型热电臂比热容；R_h为热端热阻；A_p为P型热电臂截面积；Q_cp为P型热电臂冷端产冷量,T_h为P型热电臂热端温度；Ta为环境温度；L为P型热电臂长度，I为P型热电臂中的电流，R为P型热电臂的总电阻；

另外，采用有限元差分法和Gear算法进行数值计算，对每个阶段的电压进行数值计算，得到jt₀'时刻T_cj值；

c)判断T_cj是否在T_s±2℃范围内，如果是，则进入步骤d)，如果否，则进入步骤a)；

d)利用步骤c)获得N、U_pi和时间t_i的值进行仿真和/或实验进行验证，以判断T_cj是否在T_s±2℃范围内，如果是，则进入步骤e)，如果否，则进入步骤a)；

e)确定N、U_pi和时间t_i的值。