CN107093839B - 一种半导体激光器波长稳定系统和实现方法 - Google Patents
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Abstract
本发明具体涉及一种使半导体激光器波长稳定的方法及系统。该半导体激光器波长稳定系统，包括控制单元、驱动电源、热沉以及用于检测热沉温度的温度传感器；所述驱动电源为可调节正向偏置电流的脉冲电流源；半导体激光器和温度传感器均设置于热沉上，控制单元内置有表达偏置电流与热沉温度之间关系的数学模型，用于根据检测得到的热沉温度值计算出需要加载的直流偏置电流值；本发明通过间接测量半导体激光器所在热沉的温度，基于调节驱动电源的偏置直流电流值实现激光器的波长稳定输出，系统结构简单，不需要额外的加热或制冷元器件，也不需要额外的光学元件。
Description
技术领域
本发明属于半导体激光器泵浦领域，具体涉及一种使半导体激光器波长稳定的方法及系统。
背景技术
半导体激光器的波长受工作温度和电流的影响具有显著的漂移，例如对一般的808nm或9xx半导体激光器，具有0.2～0.3nm/℃的漂移系数，波长的漂移会影响半导体激光器的应用。例如半导体激光器用于固体激光器泵浦时，波长漂移会造成与固体激光器增益介质吸收谱的不匹配，导致泵浦效率的下降。
目前常用的波长稳定技术包括以下三种方法，但均存在问题，以泵浦应用举例：
1)使用体布拉格光栅(VBG)锁定波长：VBG波长锁定技术尽管可以将温度漂移系数控制在约0.01nm/℃，但在技术实现时需要使用光学准直透镜(例如快轴准直透镜FAC)和VBG元件，总体积较大，限制了其在高功率侧泵模块中的应用；
2)使用DFB(Distributed Feedback)或DBR(Distributed Bragg Reflector)激光器结构：DFB或DBR半导体激光器的功率密度相对较低，且其制造成本偏高，使其难以应用于高功率泵浦源；
3)使用水冷或TEC(Thermal‐electric Cooler)等控制激光器的工作温度等方法通过水冷或TEC控温维持半导体激光器的光谱稳定输出是目前在高功率泵浦中使用较多的方法，但控温系统一般需要对整个泵浦模块进行温度调节，由于控温用的冷源或热源与半导体激光器之间的传热路径相对较长，因此其响应时间较慢；此外，控温系统会增加整个泵浦模块的总体积。在一些特殊的应用场合(例如航空、航天、军事等)，对激光器的体积和响应时间要求非常严格，而水冷或TEC控温系统的这些缺点限制了其在这些特殊条件下的应用。
中国专利申请“CN201310738768‐一种适应低温环境的半导体激光器系统及其波长调节方法”提出了在低温条件下，通过加载直流偏置电流能够引起温升，使得半导体激光器正常启动，并调谐半导体激光器的波长。该文献的图2以及说明书中提到“半导体激光器的波长与输入的直流偏置电流的线性关系”。该方法为了确定合适的直流偏置输入来获得期望的波长和功率，需要在确定的温度条件下进行标定实验，通过光谱仪器测量波长，推算出波长‐电流关系，再进行手动调整电流。然而，半导体激光器在实际应用中很多情况下很难使用光谱仪去实时检测波长，而且在温度变化频繁的环境下，上述方案很难精确、快速地实现波长稳定。该方案更多的是提供了一种新的低温启动的思路，并在一定条件下利用实验标定得到的函数关系简单实现对波长的粗调。当通过加载直流偏置电流对半导体激光器的结温进行调节时，半导体激光器的结温和激光器所在热沉温度之间存在一定的温度梯度，并且该梯度会随着外界环境的变化而改变，因此无法采用类似TEC控温的PID反馈方法进行控制结温，使其处于特定的值。因此如何选择方便测量的反馈信号，找到快速、简便的反馈控制方法，是实现基于偏置电流波长稳定技术的难点。所以，上述方案未见实际推广应用。目前普遍仍采用前述三种调节方法。
发明内容
为了适应于复杂的应用环境，简便、快速、准确地稳定半导体激光器输出波长，本发明提出一种新的半导体激光器波长稳定系统和实现方法。
半导体激光器的结温与激光器所在热沉温度之间存在一定的温度梯度，并且该梯度会随着外界环境的变化而改变，因此这两者并不是固定的线性关系。但是，申请人通过大量的实验以及研究分析，得出：当采用通过加载直流偏置电流引起温升的方式调节结温，则半导体激光器所在热沉的温度与需要加载的直流偏置电流(以调节结温促使波长稳定)这两者恰好呈线性关系。本发明还确立了相应的数学模型。
据此，本发明提出以下技术方案：
该半导体激光器波长稳定系统，包括控制单元、驱动电源、热沉以及用于检测热沉温度的温度传感器；所述驱动电源为可调节正向偏置电流的脉冲电流源；半导体激光器和温度传感器均设置于热沉上，控制单元内置有表达偏置电流与热沉温度之间关系的数学模型，用于根据检测得到的热沉温度值计算出需要加载的直流偏置电流值；
所述数学模型为：I＝aT+b；
式中，I为需要加载的直流偏置电流值，T为热沉温度，a为与温漂系数和热阻有关的常数，b为热沉温度为0度时的偏置电流值；a、b的取值还与温度传感器在热沉上与半导体激光器芯片的相对位置有关。
在以上方案的基础上，本发明还进一步作了如下优化：
上述热沉采用Cu或者CuW。
上述温度传感器有一个或者多个。如果设置多个温度传感器，则可以根据实际应用情况(例如热沉的形态以及半导体激光器芯片的安装位置)，方便选取最符合上述数学模型的一个温度传感器(位置)。
一个温度传感器设置于热沉的底部，即参与调节波长的一个温度传感器通常可设置于热沉的底部。
上述半导体激光器为传导冷却型结构(而不是水冷半导体激光器)，这种结构的热传导路径与上述数学模型最为匹配。
上述可调节正向偏置电流的脉冲电流源的具体形式为：1)带直流偏置功能的脉冲电流源，或者2)由相互独立的偏置直流源和准连续电源组成。
根据前述研究结论，本发明不局限于以上硬件系统架构，提出一种半导体激光器波长稳定的方法：检测半导体激光器所在热沉的温度，根据所需的偏置电流与热沉温度之间的线性关系，实时加载所需的偏置电流。
上述线性关系为I＝aT+b；
式中，I为需要加载的直流偏置电流值，T为热沉温度，a为与温漂系数和热阻有关的常数，b为热沉温度为0度时的偏置电流值；a、b的取值还与温度传感器在热沉上与半导体激光器芯片的相对位置有关。
假若上述线性关系的具体函数关系式未知(常数a、b值未知)，则可采用以下方案：进行至少两次测试实验：主动改变热沉温度，调节偏置电流使半导体激光器波长稳定，根据相应得到的至少两组热沉温度‐偏置电流的数据，拟合线性函数曲线；
对于实际工作的半导体激光器，根据检测得到的半导体激光器所在热沉的温度，按照所述线性函数曲线，实时加载所需的直流偏置电流。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本发明通过间接测量半导体激光器所在热沉的温度，基于调节驱动电源的偏置直流电流值实现激光器的波长稳定输出，系统结构简单，不需要额外的加热或制冷元器件，也不需要额外的光学元件。由于响应速度快，直接对结区进行作用，控制器调节所采用的数学模型控制精度高，克服了温度复杂变化带来的影响。
本发明确立的数学模型尤其适用于传导冷却型高功率半导体激光器(非水冷半导体激光器)。
附图说明
图1为本发明的结构原理示意图。
图2为一个实施例的波长调节效果图。
具体实施方式
如图1所示，本发明的半导体激光器波长稳定系统包括：半导体体激光器、热沉、温度传感器、控制单元、驱动电源。以热沉温度和直流偏置电流的函数关系作为控制参数，基于微处理器(具体可以为单片机等)为核心的控制单元，通过实时检测的热沉温度，根据控制单元内置的偏置电流和热沉温度之间关系对直流偏置电流进行相应的调节，实现半导体激光器输出波长的稳定。
半导体激光器可选多种封装形式，具体为传导冷却型高功率半导体激光器(非水冷半导体激光器)；
热沉为具有高导热率的材料，优选Cu，或者CuW；
温度传感器设置于热沉上，用于探测热沉温度。温度传感器可以设置在热沉的多个位置，为了便于测量优选设置于热沉的底部。
驱动电源为可调节正向偏置电流的脉冲电流源，包括偏置直流源(提供偏置电流)和准连续电源(提供脉冲电流)。
控制单元，用于接收处理温度传感器反馈的温度数据，并相应的调节偏置直流电流。
控制单元接收温度传感器所测得的热沉温度，根据控制单元内置的偏置电流和热沉温度之间关系的数学模型，自动实时调节偏置电流值，通过偏置电流调节半导体激光器的结温，实现激光波长的稳定输出。
所需加载的直流偏置电流和热沉温度具体关系为：I＝aT+b
I为直流偏置电流值，T为热沉温度，a为与温漂系数和热阻有关的常数，b为常数，具体为热沉温度为0度时的偏置电流值。
a、b的取值还与温度传感器在热沉上的位置有关，不同位置下，电流表征公式中I＝aT+b的a、b取值不同。
如图2所示一个传导冷却的高功率半导体激光器叠阵的实际效果。
保持QCW，200us，25Hz,150A不变，在不同热沉温度下调节偏置电流值，使得高功率半导体激光器叠阵的中心波长稳定在808±1nm，对应的偏置电流值(bias current)，实心圆形黑点对应的曲线)。
图2所示的斜线也印证了所需的偏置电流与热沉温度呈线性关系(斜线上微小的波动是由测量误差导致的)。
Claims (8)
1. 一种半导体激光器波长稳定系统，其特征在于：包括半导体激光器、控制单元、驱动电源、热沉以及用于检测热沉温度的温度传感器；所述驱动电源为可调节正向偏置电流的脉冲电流源；半导体激光器和温度传感器均设置于热沉上，控制单元内置有表达偏置电流与热沉温度之间关系的数学模型，用于根据温度传感器检测得到的热沉温度值计算出需要加载的直流偏置电流值，并使用计算出的直流偏置电流值调节驱动电源的偏置电流；所述数学模型为：I=aT+b ；
式中，I为需要加载的直流偏置电流值， T为热沉温度，a为与温漂系数和热阻有关的常数，b为热沉温度为0度时的偏置电流值；a、b的取值还与温度传感器在热沉上与半导体激光器芯片的相对位置有关。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器波长稳定系统，其特征在于：所述热沉采用Cu或者CuW。
3.根据权利要求1所述的半导体激光器波长稳定系统，其特征在于：所述温度传感器有一个或者多个。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器波长稳定系统，其特征在于：一个温度传感器设置于热沉的底部。
5.根据权利要求1所述的半导体激光器波长稳定系统，其特征在于：所述半导体激光器为传导冷却型结构。
6.根据权利要求1所述的半导体激光器波长稳定系统，其特征在于：所述可调节正向偏置电流的脉冲电流源的具体形式为：1）带直流偏置功能的脉冲电流源，或者2）由相互独立的偏置直流源和准连续电源组成。
7.一种半导体激光器波长稳定的方法，其特征在于：所述方法应用于如权利要求1~6任一项所述的半导体激光器波长稳定系统，所述方法包括：检测半导体激光器所在热沉的温度，根据所需的偏置电流与热沉温度之间的线性关系，实时加载所需的偏置电流。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：
进行至少两次测试实验：主动改变热沉温度，调节偏置电流使半导体激光器波长稳定，根据相应得到的至少两组热沉温度-偏置电流的数据，拟合线性函数曲线；
对于实际工作的半导体激光器，根据检测得到的半导体激光器所在热沉的温度，按照所述线性函数曲线，实时加载所需的直流偏置电流。
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