CN114112031A - 一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，所述方法包括以下步骤：一、建立积分腔，积分腔包括激光芯片和光能量传感器，激光芯片发射到积分腔内，光能量传感器用于测量进入积分腔内激光的能量强度，积分腔用于测量单个激光芯片发出的激光能量强度；二、建立积分阵列单元，积分阵列单元包括若干积分腔，所有积分腔的激光光源和光能量传感器分别串联在一起；三、建立单元阵列，单元阵列包括若干并联设置的积分腔阵列单元；所述积分阵列单元和单元阵列用于同时测量若干激光芯片发出的激光能量强度。具有以下优点：测量效率高，体积小，成本低。

Description

一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法

技术领域

本发明是一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，属于激光能量测量技术领域。

背景技术

大功率激光芯片产业链目前在我国处于卡脖子阶段，因为可以用于航天军事等敏感领域，单管10W以上的芯片目前对我国禁运。我国已经有部分研究机构开始进行大功率激光芯片的研发与商业化生成，取得了多项关键技术突破，但是在商业化生产环节所需要的生产与测试设备中的大多数还是需要进口。

目前大功率激光芯片的激光能量强度检测主要使用积分球+光谱仪技术，这种技术与已经很成熟，但是在用于商业化生产（量产）时还存在很大弊端：

1. 体积巨大，一套一般需要1平米以上的安装与操作空间；

2. 价格昂贵，一套设备价格在十几万到几十万元范围；

3. 测试效率低，一套设备同一时间只能测量1颗样品。

由于以上限制，对于每月需要测量数万到数百万颗级量级的商业化生产线来说，使用这类传统设备建立生产线的话所需要的成本将会是天文数字，生产成本太高，影响测量生产线产业化实现。

发明内容

本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，采用积分腔进行大功率激光芯片的激光能量强度的测量，激光能量强度测量效率高，积分腔形成单元阵列后可同时进行若干个大功率激光芯片的激光能量强度的测量，同时保证其体积小，测量成本低，适合作为商业化量产。

为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

一、建立积分腔，积分腔包括激光芯片和光能量传感器，激光芯片发射到积分腔内，光能量传感器用于测量进入积分腔内激光的能量强度，积分腔用于测量单个激光芯片发出的激光能量强度；

二、建立积分阵列单元，积分阵列单元包括若干积分腔，所有积分腔的激光光源和光能量传感器分别串联在一起；

三、建立单元阵列，单元阵列包括若干并联设置的积分腔阵列单元；

所述积分阵列单元和单元阵列用于同时测量若干激光芯片发出的激光能量强度。

进一步的，所述积分腔是由两块矩形金属块中使用数控机床分别铣出两个半球的空间扣到一起形成球形空间，球形空间与某一侧表面相切，相切点出开孔，作为积分腔的入口，积分腔的入口处安装有激光芯片，激光可以通过此孔进入球腔内。

进一步的，所述积分阵列单元的建立过程如下：

若干个积分腔一体加工在长方形的金属块中，积分腔在长方形的金属块中并排设置，即可得到多个积分腔组成的一体化组件；

一体化组件再配合一体化的芯片安装夹具、芯片驱动电路以及数据采集电路，即可形成一个积分阵列单元；

所述积分腔的激光光源串联在一起，并连接有供电电源，供电电源统一供电；

所述积分腔的光能量传感器串联在一起，并连接数据采集电路。

进一步的，所述单元阵列的建立过程如下：

若干所述积分腔阵列单元集成在一起形成单元阵列，积分腔阵列单元并联设置，并连接有主控电脑，每个积分腔阵列单元可独立工作。

本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

1.体积小，一个积分腔体积大约在数厘米，而且形态规则可以大量集成。

2.成本低，不管是积分腔还是感光二极管，成本相对积积分球+光谱仪不足其1%。

3. 测试效率高。

4.采用本方案组成的测量单元阵列，体积和成本都与传统的积分球+光谱仪方案近似，但是可测量的样品数量提高100倍以上，非常适合作为商业化量产的解决方案。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明实施例中积分腔的结构示意图；

图2为本发明实施例中积分腔能量密度的曲线图；

图3为本发明实施例中积分阵列单元的结构示意图；

图4为本发明实施例中数据采集电路的结构示意图；

图5为本发明实施例中积分阵列单元的拆分后示意图；

图6为本发明实施例中单元阵列的结构示意图。

具体实施方式

实施例1，一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，包括以下步骤：

一、建立积分腔

在两块矩形金属块中使用数控机床分别铣出两个半球的空间，如图1所示，再将两个半球扣到一起形成球形空间，即可形成金属内部球形中空的积分腔，球形空间与某一侧表面相切，相切点出开孔，作为积分腔的入口，积分腔的入口处安装有激光芯片，激光可以通过此孔进入球腔内。

需要铣床精度达到10微米以内左右，才能形成具有良好内部反光表面的积分腔。

如图2所示，将激光芯片放置于积分腔的入口处，点亮激光芯片后将在积分腔内形成由入射光和漫反射光共同组成光场，该光场总能量密度分布呈现高斯分布状态。因为激光特性，绝大多数的激光能量会集中在积分腔正中（激光芯片光轴附近）。这个高能量密度区的宽度由激光芯片的发散角大小决定。在高能量区之外的部分，光能量密度会急剧降低几个数量级，主要由球腔内的漫反射光组成，能量密度在各处都基本一致。

所述积分腔内安装有光能量传感器，光能量传感器是用于测量激光能量强度的传感器，因为低成本是主要诉求，所以采用普通的感光二极管，这类器件最大感光强度一般在mW级别，无法承受W级以上的激光直接照射，所以必须放置于积分腔的漫反射能量为主体的区域内进行采集。

如图5所示，所示光能量传感器位于激光入射口反向，避开直射能量区域的漫反射区域，在制作积分腔的时候需要在该位置铣出漫反射光的取光孔，孔径根据光能量传感器所采用的光电二极管PD性能和积分腔漫反射区衰减倍数决定，漫反射光经过取光孔后由光能量传感器采集信号，光能量传感器顶端从取光孔探入到积分腔内。

确定取光孔尺寸，确定尺寸时需要对积分腔衰减倍数进行标定，标定时使用已知输出能量强度的标准光源照射入积分腔，然后在取光孔后使用微功率光学测试设备测量取光孔透出的光能量，相除即可获得衰减倍数，这个衰减倍数直接受孔径大小影响，根据要测量的目标光强（例如10W），和所使用的感光二极管最大感光强度（例如10mW），可知所需的衰减倍数至少达到1000倍。调节孔径大小，使得这个倍数处于1000~2000范围内即为合理值。

选取在漫反射区的理由：

1.低成本光电二极管的最大感光强度在一般在几个mW级别，要测量的目标激光能量在10W级别，相差数千倍以上，无法直接测量。

2.低成本光电二极管本身材质在如此高强度激光的直接照射下会直接烧毁，要靠孔径调节入射光强度必须达到0.1μm以上的加工精度，10μm的加工精度是国产机床设备的天花板，1μm精度的机床只有进口品牌而且是天价，0.1μm精度的机床即使存在，也不是民用低成本方案能够选择的。

3.激光芯片自身的发散角具有不一致性，芯片安装夹具同样具有一定的重复定位误差，这导致直射区的能量密度分布具有较高的随机性，在这个区域定点采集的数据精度会很差。

4.漫反射区的光强经过多级衰减，可以达到低成本光电二极管的测量范围

5.漫反射区的光强度只依赖于入射光总强度，积分腔自身尺寸，以及内部涂料吸收特性，入射光角度即使有小量偏差也不会造成测量精度损失。

6.只要积分腔尺寸，涂料材质，漫反射取光孔位置固定，那么进入取光孔的光强度于入射光强度的比例就是确定的，这个数值（也叫衰减倍数）可以校准过程中准确获得。

二、建立积分阵列单元

如图3所示，多个积分腔一体加工在长方形的金属块中，积分腔在长方形的金属块中并排设置，即可得到多个积分腔组成的一体化组件。

一体化组件再配合一体化的芯片安装夹具、芯片驱动电路以及数据采集电路，即可形成一个积分阵列单元，比如由8个积分腔组成的一体化阵列单元，每个单元的积分腔数量可以根据实际情况调节。

所述积分腔的激光光源串联在一起，并连接有供电电源，供电电源统一供电。

所述积分腔的光能量传感器串联在一起，并连接数据采集电路。

如图4所示，所述数据采集电路使用光电二极管作为光电信号转换的基本器件，数据采集电路包括单片机，单片机连接有若干数据采集单元，数据采集单元包括ADC，ADC连接有电容C一端、电阻R一端和光电二极管PD一端，电容C另一端和电阻R另一端接地，光电二极管PD另一端连接供电电压5V。

所述光电二极管工作原理是将接收到的光照强度，转变为对应的感应电流。电阻R再将感应电流等比转换为感应电压信号，感应电压经过ADC进行数模转换后被单片机采集为数字信号，电容C对感应电压进行滤波，去除高频噪音。

光电二极管PD要根据所测量的激光波长与能量进行选型，不同的波长与光强的激光需要选择不同型号的PD。

所述芯片安装夹具要确保芯片良好的电气连接与散热，激光出光点位于积分腔入口中心处，定位误差在±0.2mm以内。

因为不同的激光芯片具有不同的外形尺寸规格，需要使用不同的芯片安装夹具，芯片夹具已经是现有市场上技术成熟的产品，本专利不再对芯片夹具的结构形状进行赘述，具体夹具根据实际的芯片规格与形状进行选择。

如图5所示，单边8个积分腔一体化阵列的示意图，含有左右两个积分腔一体化阵列，共16个积分腔组成一个阵列单元。

中间部分的激光芯片载体（夹具），这个部分包含驱动电路，需要根据实际芯片尺寸以及电气规格进行单独设计。

三、建立单元阵列

如图6所示，所述积分腔阵列单元，还可以进一步集成为单元阵列，单元阵列包括若干积分腔阵列单元，积分腔阵列单元并联设置，并连接有主控电脑，每个积分腔阵列单元可独立工作，本例中可同时对16颗激光芯片进行测量，再将8套阵列单元放入到一个机柜中，由一台主控电脑进行控制，即可形成16x8 = 128颗芯片同时测量的系统。

所述单元阵列可以构成一台完整测试设备，其优势在于：

1.体积小，一个积分腔体积大约在数厘米，而且形态规则可以大量集成。

2.成本低，不管是积分腔还是感光二极管，成本相对积积分球+光谱仪不足其1%。

3. 测试效率高。上述组合方案中的单元阵列可以同时对128颗激光芯片进行测量。

4.采用本方案组成的测量单元阵列，体积和成本都与传统的积分球+光谱仪方案近似。但是可测量的样品数量提高100倍以上，非常适合作为商业化量产的解决方案。

本发明的描述是为了示例和描述起见而给出的，而并不是无遗漏的或者将本发明限于所公开的形式。很多修改和变化对于本领域的普通技术人员而言是显然的。选择和描述实施例是为了更好的说明本发明的原理和实际应用，并且使本领域的普通技术人员能够理解本发明从而设计适于特定用途的带有各种修改的各种实施例。

Claims (5)

1.一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

一、建立积分腔，积分腔安装有激光芯片和光能量传感器，激光芯片发射激光到积分腔内，光能量传感器用于测量进入积分腔内激光的能量强度，积分腔用于测量单个激光芯片发出的激光能量强度；

二、建立积分阵列单元，积分阵列单元包括若干积分腔，所有积分腔的激光光源和光能量传感器分别串联在一起；

三、建立单元阵列，单元阵列包括若干并联设置的积分腔阵列单元；

所述积分阵列单元和单元阵列用于同时测量若干激光芯片发出的激光能量强度。

2.如权利要求1所述的一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，其特征在于：所述积分腔是由两块矩形金属块中使用数控机床分别铣出两个半球的空间扣到一起形成球形空间，球形空间与某一侧表面相切，相切点出开孔，作为积分腔的入口。

3.如权利要求2所述的一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，其特征在于：所述激光芯片安装在积分腔的入口处，激光可以通过此孔进入球腔内，光能量传感器安装在积分腔内。

4.如权利要求1所述的一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，其特征在于：所述积分阵列单元的建立过程如下：

若干个积分腔一体加工在长方形的金属块中，积分腔在长方形的金属块中并排设置，即可得到多个积分腔组成的一体化组件；

一体化组件再配合一体化的芯片安装夹具、芯片驱动电路以及数据采集电路，即可形成一个积分阵列单元；

所述积分腔的激光光源串联在一起，并连接有供电电源，供电电源统一供电；

所述积分腔的光能量传感器串联在一起，并连接数据采集电路。

5.如权利要求1所述的一种大功率激光芯片的激光能量强度测量方法，其特征在于：所述单元阵列的建立过程如下：

若干所述积分腔阵列单元集成在一起形成单元阵列，积分腔阵列单元并联设置，并连接有主控电脑，每个积分腔阵列单元可独立工作。

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