CN105659449A - 用于控制同位多波长调谐激光器的系统和方法 - Google Patents

用于控制同位多波长调谐激光器的系统和方法 Download PDF

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Abstract

公开了一种用于控制多个同位激光器组件的激光束的系统和方法。激光束通过控制每个各自激光器组件的主要电源(用于产生激光束的电流)和辅助电源(加热装置)的输出来最优化。循环并调制电源供应的状态来获得最佳性能。

Description

用于控制同位多波长调谐激光器的系统和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求申请日为2013年10月10日、名称为“用于同位多波长调谐激光器的半导体激光热控制方法”的美国临时专利申请No.61/889,320和申请日为2014年8月11日、名称为“用于控制同位多波长调谐激光器的系统和方法”的美国专利申请No.14/456,738，其全部内容引入这里作为参考。
背景技术
半导体激光器波长可由于器件温度的变化而改变。例如分布式反馈(DFB)和/或脊形波导激光器的半导体激光器经常包含通过向正端和负端施加不同电压和改变激光器电流的电子设备来控制激光器的密度和波长。通过逐渐增加施加的电流，激光器将在更高的光强和增加的波长下操作。只有部分施加的能量被转换为光能，而剩余的能量被转换为热。采用了多种控制方法来减弱热转换以保持要求的标称激光器波长。
用于控制半导体激光器波长的一个方法是向靠近激光器装置的电极施加辅助电流(例如用加热器)以将波长调整到要求的目标波长。施加这个辅助电流将使得热转移到激光器组件(元件)，其会改变激光器元件的性能，包括物理尺寸。能够控制元件的物理尺寸来增加并随后将激光器稳定在目标波长下操作。同时施加稳定的目标激光器驱动电流和加热器电流会得到单个激光器元件的稳定的目标光功率和波长。
多激光器元件可以一起封装在单个封装体内以跨目标操作温度来规范装置；最小化空间/成本并容许通过安装至多元件激光器封装体的引脚插入电子PCB来统一控制。在一些应用中，可迅速打开和关闭安装在单个封装体内的激光器组合。会希望多个临近设置、唯一波长的激光器在长时间操作时具有相同的高稳定性(功率水平和波长)，该多个临近设置、唯一波长的激光器像单个激光器可实现的一样，能以转换开/关状态的模式进行调制。但是，当封装多个空间上彼此靠近的激光器元件并在各种模式(状态)下调制这些激光器时，由临近激光器元件引入的热会产生不需要的空间/时间上的温度变化，这会影响工作激光器在这个状态下的稳定性。相应地，临近激光器的热效应会影响所能获得的光功率和波长，使得它们偏离目标光功率和波长和/或延迟到达给定状态下的稳定操作。除非这些影响是已知的并且能够被补偿，它们还会限制测量所能达到的精确性和精密度，或激光器状态所能达到的改变速率(调制速率)，限制多元件设计的实际效用。
发明内容
本发明的一个实施例涉及将可控主要电流和辅助电流施加给具有多激光器组件的激光器装置的方法。控制主要电流和辅助电流来降低热的临近消散和对光功率以及波长变化的最终影响，并获得激光器的调制状态之间的最小置位时间(settingtime)。这对最优化紧密靠近的多个组件是有用的。
在一个实施例中，提供了控制多个同位激光器的方法，通过在控制器处检测多个临近激光器的配置、确定由多个激光器中的第一激光器对多个临近激光器中的第二激光器造成的热效应以及基于热效应控制主要电源的输出和辅助电源的输出来为多个临近激光器中的第一激光器和多个临近激光器中的第二激光器供电。主要电源的输出和辅助电源的输出可包含将主要电源和辅助电源在关闭状态和打开状态下循环；其中当主要电源处于打开状态时，辅助电源处于关闭状态。由第多个临近激光器中的第一激光器对多个临近激光器中的第二激光器造成的热效应不同于由多个临近激光器中的第二激光器对多个临近激光器中的第三激光器造成的第二热效应；并且还包含控制主要电源的输出和辅助电源的输出来为多个临近激光器中的第三激光器供电。主要电源可提供产生激光束的电流，而辅助电源可提供加热各自激光器的电流。可基于检测到的热力瞬变来改变主要电源和辅助电源的输出。可使用主要电源和辅助电源的输出的关闭状态和打开状态的调制模式。控制临近激光器的电源以优化获得光谱测量的指定波长和光功率。
附图说明
从下面的说明和附图中示出的附属具体实施例将使得本发明的特征、方面和优点将变得明显，附图简要描述如下。
图1是根据具体实施例的激光器组件的示意图。
图2是根据具体实施例的多激光器组件阵列的示意图。
图3A-F是显示出根据具体实施例的图2的激光器组件阵列的状态转变图。
图4是根据具体实施例的图2的激光器组件阵列的调制状态表。
图5是根据具体实施例的控制多个激光器组件的方法。
具体实施方式
为了提供对本发明的完整理解，现在将描述一些说明性实施例，包括用于控制同位多波长调谐激光器的系统和方法。具体来说，描述的系统和方法容许控制临近设置的多个激光器的波长和激光输出。但是，本领域技术人员将明白，只要其适合指出的应用，便可以改变和修改本文描述的系统和方法，并且可在其他合适应用中采用本文描述的系统和方法，并且这些其他附加部分和修改不脱离本文的范围。一般来说，本文描述的系统和方法可涉及控制测量中使用的光和光束，使用一个或多个波长，特别是生物化学测量或其他使用离散波长光谱的测量。虽然本文描述的实施例涉及多个临近激光器，但是该原理可用于单个激光器，例如，在具有开/关转换的调制模式下操作的单个激光器。
参考图1，示意性显示了根据具体实施例的半导体激光器组件100，包括激光装置105。半导体激光装置可是例如分布式反馈(DFB)或脊形波导激光器。激光器组件包含用于主要电源110的输入。主要电源将电流提供给激光装置105以产生激光束130。施加的部分能量会转变为光能，而剩余的能量会转变为废热。这个废热会对激光装置的各种性能产生影响(例如物理尺寸)，从而改变激光束输出的特性(例如波长、功率输出等)。激光器组件还可包含用于辅助电源120的输入。辅助电源120(例如加热器)将电流提供给激光装置以引起对激光装置本体的加热。通常，辅助电源120提供热功率，而不是光。
由主要电源110提供给激光装置105的电流可循环开和关。同时，由辅助电源120提供的电流也可循环开和关。在一些实施例中，主要电源110和辅助电源120提供的电流可在不同周期输入，从而当加热器(辅助电源120)在“打开”状态输入电流时，主要电源110可是“关闭”状态，反之亦然。通常，调整周期以将激光装置105保持在归一且平衡功率以维持最佳光束130。当用这些激光装置进行检测时，光束会在最佳功率水平和波长下运转。控制功率和加热器输入能帮助获得最佳性能。
由主要电源110和辅助电源120提供给激光装置105的电流会根据激光器的状态而改变。为了获得标称应用能量，当激光器组件处于“关闭”模式时，主要电流保持在阈值以下(例如激光阈值)而加热器电流保持更高，使得这样组合的整体应用能量(主要加辅助)等于预定常数。当激光器组件转换至“打开”状态时，增加主要电流并降低辅助电流以保持近似常数的能量密度。当激光器组件在打开状态和关闭状态之间转换时，为了最小化激光器组件内的热瞬态需要维持热能量密度。
现在参考图2，示出了作为200的多个激光器组件。激光器组件201、202、203、204可一起耦合到阵列或封装中以最小化空间/成本并容许通过引脚插入PCB安装的统一电子控制。每个激光器组件201、202、203、204可运转来产生单一波长(例如λ1，λ2，λ3，λ4)的激光231、232、233、234。可通过改变单个激光器组件201、202、203、204的开/关状态来在模式上迅速调制单个激光231、232、233、234。用控制器250控制激光器组件201、202、203、204，控制器250改变主要电源210和辅助电源220提供的电流，从而归一化同位激光器组件201、202、203、204间的热临近消散以及对光功率和波长变化的最终影响，并获得激光器调制状态间的最小置位时间，如图3A-F所示。通常，置位时间可是10微秒。也可获得其他置位时间，例如在5-10微秒范围。最佳化瞬时置位时间以提供当从关闭状态循环到打开状态时的净零热瞬态，这样就不会有周围激光器组件的相互热影响或激光器温度控制环。如图3A-F所示，可获得各种波长瞬态响应、输出功率瞬态(outputpowertransients)和激光电流波形。
控制器250配置成施加固定总量电流(主要电流和辅助电流的和)来维持跨封装体内所有临近激光器组件201、202、203、204的标称施加能量分布(例如热)，并且支持所有状态组合的激光调制，如图4所示。如所示，图4显示出了具有打开和关闭状态循环的激光231、232、233、234的状态。
基于激光器组件201、202、203、204的配置和设置，可用各种主要电流和辅助电流来获得最佳激光器性能。例如，因为内部组件202和203会由于具有两个相邻组件而具有增加的热条件，因此外部激光器组件201和204可具有不同于内部激光器组件202和203的电流组合。具有只有并排的一个激光器组件(例如分别是202和203)的外部激光器组件201和204具有不同的热条件。
对于只有一个激光器组件的配置，激光器组件的热特性和封装将影响对合适的主要和辅助电流的选择。
当激光器组件201、202、203、204在打开和关闭状态间转换时，通过改变主要电流和辅助电流，可通过更多连续能量负载来降低多激光器封装的热瞬态。
控制主更和辅助电流还可降低状态间的置位时间并提供在固定检测时间内检测额外状态的可能(提高的信噪比)。
控制主要和辅助电流还可降低各种领域(例如工业、商业、医药、消费者等)中离散波长光谱应用中的测量时间。
控制主要和辅助电流还可归一化热消散，潜在地提高发射激光束的功率稳定性和波长稳定性。
在调制模式，控制主要电流和辅助电流可改善单个激光器组件的稳定化时间并降低跨阵列中的临近激光器的热变化。
在一个具体实施例中，阵列包含多个临近设置的脊形波导激光器，其通过所有状态的置换来被调制。
通过如上描述的控制供应给激光器组件的主要电流和辅助电流，阵列可在10微秒内在调制状态间被稳定。
重点说明的是，在各种具体实施例中显示的激光器组件和控制系统的构造和配置仅是说明性的。虽然在本公开中只详细描述了一些实施例，但是审阅本公开的本领域技术人员将容易理解，在本质上不脱离本文描述的主题的新颖教导和优点下，许多改变是可能的(例如各种元件的尺寸、维度、结构、形状和比例变化，参数值，安装配置，材料使用，颜色，取向等)。例如，示出的一体整体的元件可由多个部件或元件来构造，元件位置可相反或以其他方式来变化，并且离散元件或位置的种类或数目可变化或改变。根据替换实施例，任何工艺或方法步骤的次序或顺序可改变或反过来。在不脱离本发明范围的情况下，可以对各种示意实施例的设计、操作状态和配置做出其他替代、改变、变化或省略。

Claims (14)

1.一种用于控制多个同位激光器的方法，该方法包含：
在控制器处检测多个临近激光器的配置；
确定由多个激光器中的第一激光器对多个临近激光器中的第二激光器引起的热效应；以及
基于热效应控制主要电源的输出和辅助电源的输出来为多个临近激光器中的第一激光器和多个临近激光器中的第二激光器供电。
2.根据权利要求1所述的方法，其中控制主要电源的输出和辅助电源的输出包含将主要电源和辅助电源在关闭状态和打开状态下循环；其中当主要电源处于打开状态时，辅助电源处于关闭状态。
3.根据权利要求1所述的方法，其中由多个临近激光器中的第一激光器对多个临近激光器中的第二激光器引起的热效应不同于由多个临近激光器中的第二激光器对多个临近激光器中的第三激光器引起的第二热效应；并且该方法进一步包含控制主要电源的输出和辅助电源的输出来为多个临近激光器中的第三激光器供电。
4.根据权利要求1所述的方法，其中主要电源包含用于产生激光束的电流，并且辅助电源包含用于加热各自激光器的电流。
5.根据权利要求1所述的方法，进一步包含基于检测到的热瞬态改变主要电源和辅助电源的输出。
6.根据权利要求1所述的方法，进一步包含调制主要电源和辅助电源的输出的关闭状态和打开状态的模式。
7.根据权利要求1所述的方法，进一步包含基于用于获得光谱测量的具体波长和光功率来控制多个临近激光器。
8.一种用于控制多个同位激光器的系统，该系统包含：
多个位置临近的激光器组件，每个各自激光器组件由主要电源和辅助电源来供电；以及
控制器，配置为：
检测多个临近激光器的配置；
确定由多个激光器中的第一激光器对多个临近激光器中的第二激光器引起的热效应；以及
基于热效应控制主要电源和辅助电源的输出来为多个临近激光器中的第一激光器和多个临近激光器中的第二激光器供电。
9.根据权利要求8所述的系统，其中控制主要电源的输出和辅助电源的输出包含将主要电源和辅助电源在关闭状态和打开状态下循环；其中当主要电源处于打开状态时，辅助电源处于关闭状态。
10.根据权利要求8所述的系统，其中由多个临近激光器中的第一激光器对多个临近激光器中的第二激光器引起的热效应不同于由多个临近激光器中的第二激光器对多个临近激光器中的第三激光器引起的第二热效应；并且该方法进一步包含控制主要电源的输出和辅助电源的输出来为多个临近激光器中的第三激光器供电。
11.根据权利要求8所述的系统，其中主要电源包含用于产生激光束的电流，并且辅助电源包含用于加热各自激光器的电流。
12.根据权利要求8所述的系统，进一步包含基于检测到的热瞬态改变主要电源和辅助电源的输出。
13.根据权利要求8所述的系统，进一步包含调制主要电源和辅助电源的输出的关闭状态和打开状态的模式。
14.根据权利要求8所述的系统，进一步包含基于用于获得光谱测量的具体波长和光功率来控制多个临近激光器。
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