CN110600989A - 一种半导体激光器的温控方法、结构以及固体激光器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种半导体激光器的温控方法以及结构，在低温下同时采用驱动电源和TEC对半导体激光器进行温度控制，实现低温环境的快速启动以及正常工作；在维持原有输出特性的前提下，降低了对TEC本身功率能力和体积以及TEC温控器功率的要求，大大加快了半导体激光器的启动时间。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器领域，尤其涉及半导体激光器的温度控制方法、结构以及以半导体激光器为泵浦源的固体激光器。
背景技术
目前的被动调Q固体激光器模块，通常采用半导体制冷器（TEC）对半导体激光器LD进行控温，TEC对LD进行控温在特定的温度，使得LD的输出波长固定在一个特定的值，实现与激光晶体吸收光谱的匹配，以实现高效的泵浦。然而在一些环境严苛的应用中（比如激光雷达），LD需要工作于较宽的高低温温度范围内，例如-40℃~80℃。当LD工作于很低的环境温度时，在固体激光器启动阶段，TEC要将LD快速升温到目标温度，才能实现泵浦波长与激光晶体的匹配，从而实现固体激光器的正常输出。一般而言，需要从供电启动到激光输出之间的间隔时间尽可能的短，但在在环境温度与LD开启所需要的目标温度之间相差较大的情况下，单单依靠TEC去对LD进行升温往往需要较长的时间，为了缩短这段时间，常采用的方法是增大TEC能力（包括单元数和密度）和TEC驱动电源的功率；这种方法会增加系统的体积和功率，导致系统体积和成本增加。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提出一种半导体激光器温控方法以及结构，不但实现了低温下的LD快速升温至工作温度，而且保证了半导体激光器系统的波长稳定输出。
本发明的技术方案如下：
一种半导体激光器的温控方法，在低温下同时采用驱动电源和TEC对半导体激光器进行温度控制，并按照如下步骤进行开机启动：
1） 驱动电源给半导体激光器提供低于其阈值电流的持续启动电流，同时TEC对半导体激光器进行加热；
2） 直至半导体激光器的温度达到预设温度，驱动电源提供的电流由启动电流切换至大于阈值电流的工作电流使半导体激光器出光，同时TEC对半导体激光器进行控温使其波长输出稳定。
所述步骤1）中的启动电流为峰值小于所述阈值电流的脉冲电流，或者为直流连续输出电流。
所述持续的启动电流为小于阈值电流值的恒定值，或者启动电流的电流值为由大变小的变化值。
所述启动电流为温度的函数，随着半导体激光器的实际温度与预设温度之间差值的变小而变小。
一种半导体激光器的温控结构，应用了所述的温控方法，其特征在于，包括用于为半导体激光器供电的驱动电源，以及用于对半导体激光器进行温度控制的TEC；
所述驱动电源被设置为在半导体激光器达到预设温度前提供小于其阈值电流的持续启动电流以及在半导体激光器达到预设温度后切换为大于其阈值电流的工作电流；
所述TEC被设置为自驱动电源向半导体激光器供电起开始工作，用于半导体激光器的控温。
所述驱动电源兼具直流偏置电流输出和脉冲电流输出，或者仅输出脉冲电流。
所述启动电流为小于其阈值电流的脉冲电流，且所述工作电流为大于其阈值电流的脉冲电流。
所述的半导体激光器的温控结构还包括温度传感器，所述温度传感器设置于半导体激光器上，用于检测半导体激光器温度并反馈给驱动电源。
一种固体激光器，包括具有所述的温控结构的半导体激光器，以及设置于半导体激光器出光方向上的激光晶体；所述半导体激光器设置于TEC上。
所述半导体激光器和TEC之间设置有热沉。
本发明具有以下有益效果：本发明的半导体激光器系统可以实现苛刻工作温度下的工作，尤其是低温环境；在维持原有输出特性的前提下，降低了对TEC本身功率能力和体积以及TEC温控器功率的要求，降低了成本以及系统设计的难度。由于采用了电流驱动升温和TEC的配合，大大加快了半导体激光器的启动时间。
附图说明
图1为本发明半导体激光器的温控结构的示意图
图2为本发明的温控方法中启动电流为脉冲电流的实施例示意。
图3为本发明的温控方法中启动电流为直流偏置电流的实施例示意。
图4为本发明的温控方法中启动电流为线性变化的实施例示意。
附图标号说明：1-驱动电源，2-半导体激光器，3-TEC，4-激光晶体，5-热沉，6-温度传感器，7-光学透镜。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明 实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
本发明提出了一种半导体激光器的温控方法，在低温下同时采用驱动电源1和TEC3对半导体激光器2进行温度控制，并按照如下步骤进行开机启动：
1） 驱动电源1给半导体激光器2提供低于其阈值电流的持续启动电流，同时TEC3对半导体激光器进行加热；
2） 直至半导体激光器2的温度达到预设温度，驱动电源提供的电流由启动电流切换至大于阈值电流的工作电流使半导体激光器出光，同时TEC对半导体激光器进行控温使其波长输出稳定。
需要说明的是：所述第1）步所指的低温为低于预设温度的温度值，在第1）步骤前，应先对半导体激光器的温度进行检测，判断半导体激光器的温度是否低于预设温度，在低于预设温度的情况下按照本发明的温控方法进行开机启动。所述第2）步骤中TEC对半导体激光器的控温包括加热或者制冷使得半导体激光器的温度恒定以获得稳定的波长输出。
需要说明的是，对半导体激光芯片而言，当驱动电流低于其阈值电流时，半导体激光芯片不会出光，电流主要转换为芯片内部的热能。在所述半导体激光器开机启动的第1）步中，驱动电源给半导体激光器提供低于其阈值电流的持续启动电流，此时启动电流主要用于产生热量对半导体激光器进行加热；同时，TEC自驱动电源开始供电起对开始半导体激光器进行加热，半导体激光器在持续启动电流和TEC的双重加热下实现快速升温；所述第1）步骤的工作状态一直持续至半导体激光器的温度达到预设温度，驱动电源将小于阈值电流的启动电流切换至大于阈值电流的工作电流后，半导体激光器可正常工作于QCW（准连续）模式下。
本发明所提出的温控方法，由于在启动阶段让驱动电源工作在偏置电流模式下配合TEC实现对温度的辅助控温，不仅降低对TEC本身功率能力和体积、温控器功率的要求，实现了成本和系统设计难度的降低；并且大大加快了启动时间。
图2-图4以时间T为横坐标，驱动电源输出的电流I为纵坐标，对所述温控方法具体说明。T0为自驱动电源开始供电至半导体激光器达到预设温度的时间区间，T0之后的时间为驱动电流输出脉冲工作电流的时间区间，图2-4仅画出一个脉冲作为示意，并用省略号省略其他脉冲工作电流。
具体的，所述启动电流为峰值小于所述阈值电流Ith的脉冲电流（如图2所示的T0时间区域内），所述启动电流也可以为电流值小于阈值电流Ith的直流连续输出电流（如图3所示的T0区域内）。
具体的，所述持续的启动电流为小于阈值电流值的恒定值，理解为启动电流为直流连续输出电流时，其电流值为小于阈值电流的常数，且该常数在T0区域中是很定不变的。
所述启动电流的电流值还可以为由大变小的变化值，理解为在T0区域中，驱动电源初始提供的启动电流越大，半导体激光器加热的速度越快，因此理论上初始启动电流越接近阈值电流可以达到的升温效果越好，随半导体激光器的热累积，半导体激光器的温度越接近预设温度，所需要的热量越少，因此启动电流由大变小，以适应半导体激光器启动阶段内不同热量累积程度的影响。
所述启动电流为温度的函数，具体的，如图4所示，随着半导体激光器的实际温度与预设温度之间差值的变小而变小（可以为线性变化，也可以为非线性变化），当实际温度与设定目标温度之间差值小于等于一个特定值时，则该启动电流值变为零。
基于上述温控方法，本发明还提出了一种半导体激光器的温控结构，包括用于为半导体激光器2供电的驱动电源1，以及用于对半导体激光器2进行温度控制的TEC3；所述驱动电源1被设置为在半导体激光器达到预设温度前提供小于其阈值电流的持续启动电流以及在半导体激光器达到预设温度后切换为大于其阈值电流的工作电流。所述驱动电源可以通过软件设置实现预设温度的设置、启动电流和工作电流的切换。
具体的，所述半导体激光器设置于TEC上，所述TEC被配置为与半导体激光器同时开始供电，按照预设算法对TEC设置动态变化的电流，以实现半导体激光器的控温。具体的，所述预设算法为PID算法。
具体的，所述驱动电源兼具直流偏置电流输出和脉冲电流输出，使得在半导体激光器达到预设温度前提供小于其阈值电流的直流偏置电流（用于LD出光前的加热），达到预设温度后切换为大于其阈值电流的脉冲电流，以实现半导体激光器正常工作于QCW准连续模式下。
优选的，所述驱动电源可以仅有输出脉冲电流的功能，以节约成本。所述驱动电源在半导体激光器达到预设温度前提供小于其阈值电流的脉冲电流（用于LD出光前的加热），在半导体激光器达到预设温度后切换为大于其阈值电流的脉冲电流。
所述半导体激光器的温控结构还包括温度传感器6，所述温度传感器6设置于半导体激光器2上，用于检测半导体激光器的实时温度并反馈给驱动电源1的控制器，所述控制器通过对比半导体激光器的实时温度以及预设温度，根据预设软件程序来调节驱动电源的输出电流。
具体的，所述启动电流的具体值由温度传感器测试温度与预设温度的差值决定。
具体的，所述半导体激光器为半导体激光芯片键合于热沉5上的结构，所述热沉设置于半导体激光芯片与TEC之间，所述温度传感器设置于所述半导体激光器的热沉上，用于实时监测半导体激光器的热沉温度，用于与预设温度做对比。
需要说明的是，所述预设温度的选择为半导体激光器正常工作下的最优工作温度，其取值与环境温度、半导体激光芯片的输出特性（比如波长的选择）有关。此外，预设温度的设定还与温度传感器位置的选取有关，但结果不影响驱动电源的启动电流和工作电流的切换。因此，此处不对温度传感器的具体位置作限定。
本发明还提出了一种固体激光器，包括具有所述的温控结构的半导体激光器，以及设置于半导体激光器出光方向上的激光晶体；所述半导体激光器设置于TEC上，TEC用于对半导体激光器控温。具体的，所述半导体激光器和TEC之间设置有热沉5。
此外，所述半导体激光器和激光晶体可以设置于同一TEC上，TEC同时用于对半导体激光器和激光晶体控温。所述半导体激光器和TEC之间、以及激光晶体和TEC分别设置有热沉。
具体的，在所述半导体激光器与激光晶体之间设置有光学透镜7，用于对半导体激光器发出的激光进行光学整形，以使的激光均匀且全部入射在激光晶体的端面。
本发明所提出的固体激光器，由于作为泵浦源的半导体激光器能够快速启动并达到设定的工作温度，获得稳定的波长输出，使得固体激光器快速启动并输出稳定。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种半导体激光器的温控方法，其特征在于，在低温下同时采用驱动电源和TEC对半导体激光器进行温度控制，并按照如下步骤进行开机启动：
1） 驱动电源给半导体激光器提供低于其阈值电流的持续启动电流，同时TEC对半导体激光器进行加热；
2） 直至半导体激光器的温度达到预设温度，驱动电源提供的电流由启动电流切换至大于阈值电流的工作电流使半导体激光器出光，同时TEC对半导体激光器进行控温使其波长输出稳定。
2.根据权利要求1所述的半导体激光器的温控方法，其特征在于，所述步骤1）中的启动电流为峰值小于所述阈值电流的脉冲电流，或者为直流连续输出电流。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器的温控方法，其特征在于，所述持续的启动电流为小于阈值电流值的恒定值，或者启动电流的电流值为由大变小的变化值。
4.根据权利要求3所述的半导体激光器的温控方法，其特征在于，所述启动电流为温度的函数，随着半导体激光器的实际温度与预设温度之间差值的变小而变小。
5.一种半导体激光器的温控结构，应用了权利要求1-4之一所述的温控方法，其特征在于，包括用于为半导体激光器供电的驱动电源，以及用于对半导体激光器进行温度控制的TEC；
所述驱动电源被设置为在半导体激光器达到预设温度前提供小于其阈值电流的持续启动电流以及在半导体激光器达到预设温度后切换为大于其阈值电流的工作电流；
所述TEC被设置为自驱动电源向半导体激光器供电起开始工作，用于半导体激光器的控温。
6.根据权利要求5所述的半导体激光器的温控结构，其特征在于，所述驱动电源兼具直流偏置电流输出和脉冲电流输出，或者仅输出脉冲电流。
7.根据权利要求6所述的半导体激光器的温控结构，其特征在于，所述启动电流为小于其阈值电流的脉冲电流，且所述工作电流为大于其阈值电流的脉冲电流。
8.根据权利要求5所述的半导体激光器的温控结构，其特征在于，还包括温度传感器，所述温度传感器设置于半导体激光器上，用于检测半导体激光器温度并反馈给驱动电源。
9.一种固体激光器，其特征在于，包括具有权利要求5-8之一所述的温控结构的半导体激光器，以及设置于半导体激光器出光方向上的激光晶体；所述半导体激光器设置于TEC上。
10.根据权利要求9所述的固体激光器，其特征在于，所述半导体激光器和TEC之间设置有热沉。
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