CN116243133A - 一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体激光器的检测技术领域，具体提供一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统及方法，包括单片机控制模块、电源系统模块、激光器驱动模块、D/A转换模块、A/D采样模、端电压检测模块、光电检测模块、半导体激光器、串口通讯模块和计算机；单片机控制模块、电源系统模块、激光器驱动模块、D/A转换模块、A/D采样模块、端电压检测模块、光电检测模块及串口通讯模块集成在PCB板上；半导体激光器通过四线连接法与PCB板上的激光器驱动模块和端电压检测模块连接，串口通讯模块通过USB转串口线与计算机连接；优点在于：有效、无损的筛选，真实、全面地反映出器件的辐照损伤结果；整体过程简单高效，实用性强。
Description
技术领域
本发明涉及半导体激光器的检测技术领域，尤其涉及一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统及方法。
背景技术
半导体激光器品类发展快、制作简单且应用范围广，现已应用在工业、医疗、通信、军事等诸多领域。随着卫星激光通信、激光成像、激光雷达、激光微推进、激光点火控制等技术的提出，半导体激光器在宇宙飞船、通信卫星、空间探测器以及空间站等空间领域的应用需求日益迫切。半导体激光器在空间环境中将长期经历各种射线及粒子辐照的影响，尤其是具有长程穿透性且难于防护的高能射线电离辐照，将在半导体激光器件中持续引入累积损伤，导致器件性能参数渐变退化甚至失效。国内外多个空间故障事件表明，光电器件在空间应用中面临的主要威胁就是高能射线电离辐照，以光源器件为核心的应用系统在空间辐照环境下的稳定性很大程度取决于光源器件本身，因此要求在严酷的空间环境中光源器件必须具备高可靠、长寿命的特性；为了保证半导体激光器在空间辐照环境中按设计寿命正常工作，须对器件抵抗辐照损伤的能力进行预先评估，故研究空间辐照环境下半导体激光器的抗辐照损伤能力的快速无损预估技术是一项非常重要的工作，具有重要的现实意义。
根据中国专利CN115146848A所述的基于不同入射粒子与物质相互作用的智能预测方法及系统，实现了通过对拥有不同参数入射粒子对器件辐照损伤造成的缺陷以及由缺陷导致的材料性能退化及多种物理机制进行智能预测，并进一步将物理现象转换为语义特征，以此为半导体器件的材料选取提供重要依据；该方案的缺陷在于需要数据库的建立作为分析基底，不能做到对实际半导体激光器的即时实际分析；本方案的技术特征可以满足对实际半导体激光器的性能预估，且方法高效方便。
发明内容
本发明为解决上述问题，提供一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统及方法。
一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统，包括单片机控制模块、电源系统模块、激光器驱动模块、D/A转换模块、A/D采样模、端电压检测模块、光电检测模块、半导体激光器、串口通讯模块和计算机；
所述单片机控制模块、电源系统模块、激光器驱动模块、D/A转换模块、A/D采样模块、端电压检测模块、光电检测模块及串口通讯模块集成在PCB板上；所述半导体激光器通过四线连接法与所述PCB板上的所述激光器驱动模块和所述端电压检测模块连接，所述串口通讯模块通过USB转串口线与所述计算机连接；所述PCB板用于驱动所述半导体激光器，采集所述半导体激光器的数据，进行数据转换和数据传输；所述计算机进行数据分析，对所述半导体激光器的抗辐照损伤能力进行评估。
本发明还提供一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法，采用所述的一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统，辐照半导体激光器，分别提取所述半导体激光器辐照前和辐照后的电导数敏感参数，依据所述电导数敏感参数的数值表征所述半导体激光器的抗辐照损伤能力。
一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法具体包括如下步骤：
S1、通过电源系统模块设置初始化电流，通过单片机控制模块向D/A转换模块写入数字量value，控制激光器驱动模块产生步进扫描电流驱动半导体激光器，产生结电压和光功率的模拟信号；
S2、通过端电压检测模块和光电检测模块采集半导体激光器的结电压和光功率的模拟信号，将模拟信号输入至A/D采样模块转化为数字信号；根据value判断数据，符合要求后通过串口通讯模块输入计算机；
S3、在计算机中通过Qt Creator平台编写程序接收单片机串口发来的数据并进行数值处理，绘制出数字化曲线，通过数字化曲线分析提取出电导数敏感参数作为本底数据；
S4、对半导体激光器施以辐照，再对半导体激光器重复步骤S1-S3，得到半导体激光器辐照后的本底数据；利用所述本底数据及所述辐照后的本底数据对半导体激光器的抗辐照损伤能力进行评估。
优选地，步骤S2中根据value判断数据的方法为：通过中值滤波处理结电压和光功率的数字信号，并将处理后的数据存储至数组中，检测value是否大于65535；若value大于65535，则将数据发送至计算机；反之则通过增加平均value重复步骤S1、S2，直至value大于65535，再将数据发送至计算机。
优选地，步骤S3中的数字化曲线包括：P-I曲线、d2P/dI2-I曲线、V-I曲线、IdV/dI-I曲线；所述敏感参数包括：阈值电流Ith、结电压参量m、结电压饱和深度h以及阈后截距b；所述步骤S3具体包括：
S301、初始化串口设置，通过串口接收数据存储至数组中；
S302、根据原始数据绘制V-I曲线和P-I曲线；
S303、对原始数据作均值滤波处理和数值微分处理，绘制IdV/dI-I曲线和d2P/dI2-I曲线；
S304、拟合所述数字化曲线提取参数，通过二次微分法确定所述阈值电流Ith；通过直线拟合阈值电流前后的电导数曲线，得到阈值电流前拟合直线的截距为mkT/q，得到所述结电压参量m；通过阈值电流后拟合直线的截距为所述阈后截距b；所述阈值电流前后拟合的直线方程在阈值电流处的差值为所述结电压饱和深度h；所述k为玻尔兹曼常数，q为电子电量，T为热力学温度。
与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：
（1）能够实现对半导体激光器抗辐照损伤能力的有效、无损的筛选；
（2）多个电导数参数联合表征能够真实、全面地反映出器件的辐照损伤结果；
（3）整体过程简单高效，实用性强。
附图说明
图1是根据本发明具体实施方式提供的半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法中步骤S2的工作原理示意图；
图2是根据本发明具体实施方式提供的半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法中步骤S3的工作原理示意图；
图3是根据本发明具体实施方式提供的半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统的工作原理示意图；
图4是根据本发明具体实施方式提供的半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法的半导体激光器辐照前电导数测量结果图；
图5是根据本发明具体实施方式提供的半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法的半导体激光器电导数曲线示意图。
附图标记：1、单片机控制模块；2、电源系统模块；3、激光器驱动模块；4、D/A转换模块；5、A/D采样模块；6、端电压检测模块；7、光电检测模块；8、半导体激光器；9、串口通讯模块；10、计算机。
具体实施方式
在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在下面的描述中，相同的模块使用相同的附图标记表示。在相同的附图标记的情况下，它们的名称和功能也相同。因此，将不重复其详细描述。
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，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用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。
由图1-3所示，本发明提供了一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统，包括单片机控制模块1、电源系统模块2、激光器驱动模块3、D/A转换模块4、A/D采样模块5、端电压检测模块6、光电检测模块7、半导体激光器8、串口通讯模块9和计算机10；
单片机控制模块1、电源系统模块2、激光器驱动模块3、D/A转换模块4、A/D采样模块5、端电压检测模块6、光电检测模块7及串口通讯模块9集成在PCB板上，所述半导体激光器通过四线连接法与PCB板上的激光器驱动模块和端电压检测模块连接，串口通讯模块9通过USB转串口线与计算机10连接；
所述PCB板用于驱动所述半导体激光器，采集所述半导体激光器的数据，进行数据转换和数据传输；
所述计算机10进行数据分析，对半导体激光器的抗辐照损伤能力进行有效地评估。
本发明还提供了一种无损预估半导体激光器抗辐照损伤能力方法，辐照半导体激光器8，分别提取所述半导体激光器8辐照前和辐照后的电导数敏感参数，依据所述电导数敏感参数的数值表征所述半导体激光器8的抗辐照损伤能力，具体步骤如下：
S1、通过电源系统模块2设置初始化电流，通过单片机控制模块1向D/A转换模块4写入数字量value，控制激光器驱动模块3产生步进扫描电流驱动半导体激光器8，产生结电压和光功率的模拟信号。
S2、通过端电压检测模块6和光电检测模块7采集半导体激光器的结电压和光功率的模拟信号，将模拟信号输入至A/D采样模块5转化为数字信号；根据value判断数据，符合要求后通过串口通讯模块9输入计算机10。
S3、在计算机10中使用Qt Creator平台编写程序接收单片机串口发来的数据并进行数值处理，绘制出数字化曲线，并提取出关键参数作为本底数据。
S4、对半导体激光器8施以辐照后再对其重复步骤S1-S3,得到半导体激光器8辐照后的敏感参数数据；利用半导体激光器8的本底数据敏感参数及辐照后数据敏感参数对半导体激光器8的抗辐照损伤能力进行有效地评估。
步骤S2中根据value判断数据的方法为：通过中值滤波处理结电压和光功率的数字信号，并将处理后的数据存储至数组中，检测value是否大于65535；若value大于65535，则将数据发送至计算机10；反之则通过增加平均value重复步骤S1、S2，直至value大于65535，再将数据发送至计算机10。
步骤S3中所述的数字化曲线包括：P-I曲线、d2P/dI2-I曲线、V-I曲线、IdV/dI-I曲线；所述关键参数包括：电导数敏感参量阈值电流Ith、结电压参量m、结电压饱和深度h以及阈后截距b；
具体包括以下步骤：
S301、初始化串口设置，通过串口接收数据存储至数组中；
S302、根据原始数据绘制V-I曲线和P-I曲线；
S303、对原始数据作均值滤波处理和数值微分处理，绘制IdV/dI-I曲线和d2P/dI2-I曲线；
S304、拟合所述数字化曲线提取参数，通过二次微分法确定所述阈值电流Ith；通过直线拟合阈值电流前后的电导数曲线，得到阈值电流前拟合直线的截距为mkT/q，得到所述结电压参量m；通过阈值电流后拟合直线的截距为所述阈后截距b；所述阈值电流前后拟合的直线方程在阈值电流处的差值为所述结电压饱和深度h；所述k为玻尔兹曼常数，q为电子电量，T为热力学温度。
本方法所施加的辐照使得被测器件的电参数在辐照下能够发生变化，但被测器件经过退火处理后，辐照引入的缺陷能够完全泯灭，性能恢复如初；对于实际半导体激光器的性能评估和预测具有泛用性，实现对半导体激光器抗辐照损伤能力的有效、无损筛选。
实施例1
本实施例中测量时将同一批次4支半导体激光器8通过四线制连接法与激光器驱动模块3和端电压检测模块6连接，所述半导体激光器8具体为808nm大功率单管半导体激光器；单片机控制模块1向D/A转换模块4写入数字量，控制激光器驱动模块3产生0~1A步进扫描电流驱动半导体激光器8。端电压检测模块6和光电检测模块7负责采集半导体激光器8在步进电流下的结电压和光功率模拟信号，送入至A/D采样模块5中转化成数字信号。随后单片机控制模块1控制串口通讯模块9将采集到的数据通过串口总线发送至计算机10。在计算机10中使用Qt Creator平台编写程序接收单片机串口发来的数据并进行数值处理，绘制出数字化的P-I曲线、d2P/dI2-I曲线、V-I曲线、IdV/dI-I曲线，提取出电导数敏感参量阈值电流Ith、结电压参量m、结电压饱和深度h以及阈后截距b。对这同一批次4支808nm大功率单管半导体激光器8施以总剂量为75krad(Si)的辐照再重复上述操作，提取出电导数敏感参量。图5所示为器件#1大功率单管半导体激光器8辐照前的测量图，表1所示为4支808nm大功率单管半导体激光器8在辐照前后电导数敏感参数的数据。
图4示出了拟合所述数字化曲线提取参数的方法，具体为：首先通过二次微分法确定激光器的阈值电流Ith，在分别直线拟合阈值电流前后的电导数曲线，阈值电流前拟合直线的截距为mkT/q，其中k为玻尔兹曼常数，q为电子电量，T为热力学温度，可求解出结电压参量m；阈值电流后拟合直线的截距为阈后截距b；阈值电流前后拟合的直线方程在阈值电流处的差值即为结电压饱和深度h。
如图5所示，可以看出本发明能够快速、准确地测量待测激光器的电导数参数。如表1所示的数据分析可知，辐照前器件#4的各项电导数敏感参数数值已偏离正常范围值，作为抗辐照损伤能力差的器件剔除。辐照后器件#1的各项电导数敏感参数增幅过大，参数数值已偏离正常范围，作为抗辐照损伤能力差的器件剔除。器件#2、#3辐照前后的电导数敏感参数均在正常范围内，且器件#2比器件#3抗辐照损伤能力更强。
表1辐照前后电导数敏感参数数据
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制。本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
以上本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所做出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。
Claims (5)
1.一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统，其特征在于：包括单片机控制模块、电源系统模块、激光器驱动模块、D/A转换模块、A/D采样模、端电压检测模块、光电检测模块、半导体激光器、串口通讯模块和计算机；
所述单片机控制模块、电源系统模块、激光器驱动模块、D/A转换模块、A/D采样模块、端电压检测模块、光电检测模块及串口通讯模块集成在PCB板上；所述半导体激光器通过四线连接法与所述PCB板上的所述激光器驱动模块和所述端电压检测模块连接，所述串口通讯模块通过USB转串口线与所述计算机连接；所述PCB板用于驱动所述半导体激光器，采集所述半导体激光器的数据，进行数据转换和数据传输；所述计算机进行数据分析，对所述半导体激光器的抗辐照损伤能力进行评估。
2.一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法，采用权利要求1所述的一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估系统，其特征在于：辐照半导体激光器，分别提取所述半导体激光器辐照前和辐照后的电导数敏感参数，依据所述电导数敏感参数的数值表征所述半导体激光器的抗辐照损伤能力。
3.根据权利要求2所述的一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法，其特征在于，具体包括如下步骤：
S1、通过电源系统模块设置初始化电流，通过单片机控制模块向D/A转换模块写入数字量value，控制激光器驱动模块产生步进扫描电流驱动半导体激光器，产生结电压和光功率的模拟信号；
S2、通过端电压检测模块和光电检测模块采集半导体激光器的结电压和光功率的模拟信号，将模拟信号输入至A/D采样模块转化为数字信号；根据value判断数据，符合要求后通过串口通讯模块输入计算机；
S3、在计算机中通过Qt Creator平台编写程序接收单片机串口发来的数据并进行数值处理，绘制出数字化曲线，通过数字化曲线分析提取出电导数敏感参数作为本底数据；
S4、对半导体激光器施以辐照，再对半导体激光器重复步骤S1-S3，得到半导体激光器辐照后的本底数据；利用所述本底数据及所述辐照后的本底数据对半导体激光器的抗辐照损伤能力进行评估。
4.根据权利要求3所述的一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法，其特征在于，所述步骤S2中根据value判断数据的方法为：通过中值滤波处理结电压和光功率的数字信号，并将处理后的数据存储至数组中，检测value是否大于65535；若value大于65535，则将数据发送至计算机；反之则通过增加平均value重复步骤S1、S2，直至value大于65535，再将数据发送至计算机。
5.根据权利要求4所述的一种半导体激光器抗辐照损伤能力的无损预估方法，其特征在于：所述步骤S3中的数字化曲线包括：P-I曲线、d2P/dI2-I曲线、V-I曲线、IdV/dI-I曲线；所述敏感参数包括：阈值电流Ith、结电压参量m、结电压饱和深度h以及阈后截距b；所述步骤S3具体包括：
S301、初始化串口设置，通过串口接收数据存储至数组中；
S302、根据原始数据绘制V-I曲线和P-I曲线；
S303、对原始数据作均值滤波处理和数值微分处理，绘制IdV/dI-I曲线和d2P/dI2-I曲线；
S304、拟合所述数字化曲线提取参数，通过二次微分法确定所述阈值电流Ith；通过直线拟合阈值电流前后的电导数曲线，得到阈值电流前拟合直线的截距为mkT/q，得到所述结电压参量m；通过阈值电流后拟合直线的截距为所述阈后截距b；所述阈值电流前后拟合的直线方程在阈值电流处的差值为所述结电压饱和深度h；所述k为玻尔兹曼常数，q为电子电量，T为热力学温度。
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2023
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Also Published As
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