CN1845401A - 半导体激光器泵浦光源的驱动方法 - Google Patents

Abstract

一种半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于该方法是将施加到泵浦光源的半导体激光器的泵浦电流的波形调整为一个起始电流较大、在脉冲宽度时间内逐渐下降的电流波形取代常规的方波电流波形，对泵浦半导体激光器进行驱动，本发明方法可以缩短所述的半导体激光器结温达到稳定的时间，有效地提高了大功率半导体激光器的泵浦效率，而且实施简易，成本低廉。

Description

半导体激光器泵浦光源的驱动方法

技术领域

本发明涉及半导体激光器，是一种用于泵浦固体激光器的半导体激光器的驱动方法，属于激光光电子技术的领域。

背景技术

大功率半导体激光器泵浦的全固态激光器，是近几年发展的一个热点。与闪光灯泵浦光源相比，半导体激光器有突出的优点。半导体激光器的电光转换效率高、体积小、使用方便。更重要的是其光谱与激光材料的吸收光谱匹配好，因此产生的热效应小，十分有利于提高固体激光器的工作稳定性和光束质量。

但是，半导体激光器的发光波长随其工作温度变化很大。这一温度关系决定于半导体材料禁带宽度的温度关系，它可以表示为：

λ_p(T)＝λ_p(T₀)+λ_T′(T-T₀)式中温度T应为半导体激光器激活区，即半导体P-N结区的温度。λ_T′为激光器激射波长的温度系数。对于常用的800nm波段泵浦光源的AlGaAs激光器，波长温度系数大约为λ_T′＝λ_p/T≈0.3nm/K。在半导体激光器工作时，外加注入电流在结区转化为激光能量，同时也有相当大的一部分转化为发热。半导体结区温升的大小一般用半导体激光器的热阻R_th来描述：

ΔT＝T-T₀＝R_thP_H

式中P_H为电流产生的热功率。电流注入的总功率可以分为热功率和激光功率P_L两部分：

P＝I(V_J+V_S)＝P_L+P_H＝η_LP+(1-η_L)P

式中V_J为结电压，V_S为激光器串联电阻上的压降，η_L为发光效率。半导体激光器的激光波长也将随着解温的变化而变化：

λ_p(T)＝λ_p(T₀)+λ_T′R_thP_H

因此要求半导体激光器的热阻越小越好，发光效率越高越好。并且要对半导体激光器进行致冷和温度控制。

在实际应用中，大部分固体激光器是采用脉冲工作状态的，以获得高的峰值功率。在这种工作状态下，作为泵浦源的半导体激光器也工作在脉冲工作状态。由于泵浦光能量吸收效率的考虑，脉冲的宽度一般与固体激光材料激活粒子的能级寿命相当。半导体激光器的这种工作状态称为准连续工作。在准连续工作状态下，半导体激光器的结温也有一个上升和下降的过程。如图1所示，在方波泵浦电流下，结温的变化可以近似地用一个指数函数来表示：

$T-T_0=R_{\mathrm{th}}{P}_H[1-\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})],$ 0＜t＜u    (1)

$T-T_0=R_{\mathrm{th}}{P}_H[1-\exp (-\frac{u}{\mathrm{\τ}})]\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}}),$ t＞u    (2)

式中u为电流脉冲的宽度。表征温度变化快慢的参数τ被称为热弛豫时间。相应地激光器的工作波长也随之变化，如图2所示。图中横坐标为波长；纵坐标为光强；斜坐标代表时间，坐标轴右侧面画出了一个工作电流的波形，为常用的方波波形。图中画出了一系列随时间变化的光谱曲线，其峰值逐渐向长波移动。斜虚线代表时间t足够大时，趋向于一个稳定的峰值波长。

${\mathrm{\λ}}_p\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_p\left(T_0\right)+{\mathrm{\λ}}_T^{\′}{R}_{\mathrm{th}}{P}_H[1-\exp (-\frac{t}{\mathrm{\τ}})]---\left(3\right)$

图3为实际测得的一个大功率半导体激光器在一个脉冲宽度内峰值波长随时间变化的曲线。可以得到该半导体激光器的热弛豫时间约为90μs。这一数值与许多固体激光工作物质的荧光寿命相比，占一个相当大的比例。

在这样的情况下，固体激光介质吸收泵浦光的效率就会降低。设半导体激光器发光光谱近似地表示为洛伦兹线型：

$f\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{f_0}{1+{[\mathrm{\λ}-{\mathrm{\λ}}_p\left(T\right)]}^2/{\left(\mathrm{\Δ\λ}\right)}^2}---\left(4\right)$

那么在脉冲宽度内的泵浦效率可以表示为：

${\mathrm{\η}}_P\∝{\∫}_0^{u}f\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{\α}\left(\mathrm{\λ}\right)\mathrm{dt}---\left(5\right)$

式中α(λ)为固体激光材料吸收线的函数，它是以吸收线的峰值波长λ_α为中心的一个窄的钟形函数。由图1可见，由于半导体激光器结温升的弛豫时间，在泵浦电流的宽度内有一部分时间激光波长会偏离固体激光材料的吸收线，因而使泵浦效率降低。

显然，半导体激光器结温的热弛豫时间越短，泵浦效率越高。但是，热弛豫时间的长短，决定于半导体激光器结区附近材料的热传导系数和热容量，对于一个确定的材料体系和器件结构，这是一个难以从根本上改变的参数。

据了解，目前尚无在先技术克服这一因素而提高泵浦效率的技术措施。

发明内容

针对提高泵浦效率的要求，本发明提出一种半导体激光器泵浦光源的驱动方法，以缩短所述的半导体激光器结温达到稳定的时间，有效地提高了大功率半导体激光器的泵浦效率，而且要求实施简易，成本低廉。

本发明的技术解决方案如下：

一种半导体激光器泵浦光源的驱动方法，该方法是将施加到泵浦光源的半导体激光器的泵浦电流的波形调整为一个起始电流较大、在脉冲宽度时间内逐渐下降的电流波形取代常规的方波波形，对泵浦半导体激光器进行驱动，以缩短所述的半导体激光器结温达到稳定的时间。

所述的泵浦电流的波形为：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔI}}_{i}H(t-t_i)[1-H(t-t_{i+1})]\exp \left(\frac{-t}{{\mathrm{\τ}}_i}\right)$

式中H(t-t_i)为一个台阶函数，即t＜t_i时等于0，t≥t_i时等于1，在时间t_i与t_i+1之间，电流幅度为I₀加上一个指数衰减的增量ΔI_iexp(-t/τ_i)，时间分段的数目和各段的电流幅度和衰减时间常数要根据具体器件的特性来确定。

3、根据权利要求2所述的半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于所述的泵浦电流的波形为：

$I\left(t\right)=I_0+(I_1-I_0)\exp (-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}).$

4、根据权利要求1所述的半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于所述的泵浦电流的波形为：一系列幅度递减的短方波构成的脉冲，即：

$\left(t\right)=I_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔI}}_{i}H(t-t_i)[1-H(t-t_{i+1})].$

所述的半导体激光器泵浦光源的驱动方法，包括下列步骤：

①建立一个包括依次连接的同步信号发生器、微处理器芯片和功率放大器构成的激光驱动器，该功率放大器的输出连接被驱动的半导体激光器；

②根据被所述的半导体激光器泵浦的固体激光器工作重复频率的要求，通过同步信号发生器调节并选定半导体激光器的工作的重复频率f_o，对所使用的半导体激光器测量其低占空比下的峰值波长λ_p(T₀)、热阻R_th和热弛豫时间τ，根据这些参数和被泵浦的固体激光器的泵浦波长、功率要求，进行理论分析和模拟计算，确定驱动电流波形；

③微处理器编程运行，产生相应的脉冲波形，该脉冲波形经过功率放大器放大，获得满足半导体激光器驱动要求幅度的电流，施加在所述的半导体激光器上；

④对所述的半导体激光器输出的光谱特性用光谱仪进行检测；

⑤根据测量结果和使用效果，调整微处理器的程序，修正驱动电流的脉冲波形，以获得最佳效果。

本发明的特点是采用一种高前冲的电流波形，取代常规的方波波形，以缩短半导体激光器结温达到稳定的时间。本发明的优点，一是有效地提高了大功率半导体激光器的泵浦效率；二是实施简易，成本低廉。

附图说明

图1  半导体激光器泵浦电流波形和结区温升曲线；

图2  半导体激光器发光光谱随时间变化的示意图；

图3  半导体激光器发光光谱随时间变化实验测试曲线；

图4  高前冲指数衰减形泵浦电流波形及相应结区温升示意图；

图5  多段递减泵浦电流波形及相应结区温升示意图；

图6  本发明激光驱动器示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

目前，普遍采用的是方波电流脉冲的方法，本发明提出将泵浦电流调整为一个起始电流较大、在脉冲宽度时间内逐渐下降的波形，如图4所示的波形，数学上可以表示为：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔI}}_{i}H(t-t_i)[1-H(t-t_{i+1})]\exp \left(\frac{-t}{{\mathrm{\τ}}_i}\right)---\left(6\right)$

式中H(t-t_i)为一个台阶函数，即t＜t_i时等于0，t≥t_i时等于1。在时间t_i与t_i+1之间，电流幅度为I₀加上一个指数衰减的增量ΔI_iexp(-t/τ_i)。时间分段的数目和各段的电流幅度和衰减时间常数要根据具体器件的特性来确定。在只需要一段就可以获得所需要的补偿效果时，电流波形就简化为：

$I\left(t\right)=I_0+(I_1-I_0)\exp (-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1})---\left(7\right)$

根据实际器件特性，也可以设计由一系列幅度递减的短方波构成的脉冲，即：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}{\mathrm{\ΔI}}_{i}H(t-t_i)[1-H(t-t_{i+1})]---\left(8\right)$

其波形如图5所示。在这样的泵浦电流下，半导体激光器的结温升将以比较快的速度达到所需要的工作波长。

$T-T_0=R_{\mathrm{th}}(1-{\mathrm{\η}}_L)\mathrm{VI}\left(t\right)[1-\exp \left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)]---\left(9\right)$

${\mathrm{\λ}}_p\left(T\right)={\mathrm{\λ}}_p\left(T_0\right)+{\mathrm{\λ}}_T^{\′}{R}_{\mathrm{th}}(1-{\mathrm{\η}}_L)\mathrm{VI}\left(t\right)[1-\exp \left(\frac{-t}{\mathrm{\τ}}\right)]---\left(10\right)$

式中V为总压降，包括结电压V_J和串联电阻压降V_S。上升和下降的波形在一定程度上相互抵消，将加快达到所需要的工作波长的速度。在图4和图5中也分别画出了半导体激光器结温变化的曲线，显示出本发明方法能缩短结温达到稳定的时间的优点

本发明的具体实施方法的结构如图6所示。图中1为激光驱动器；驱动器包括同步信号发生器11；微处理器芯片12；功率放大器13。图中2为被驱动的半导体激光器。图的下部分别表示出有关各点的波形。

本发明方法的具体实施步骤如下：根据固体激光器工作重复频率的要求，通过同步信号发生器11，调节和选定激光器工作的重复频率f，实际测量所使用的半导体激光器2在低占空比下的峰值波长λ_p(T₀)、热阻R_th和热弛豫时间τ等参数，根据这些参数和应用对象固体激光器的泵浦波长、功率等要求，进行理论分析和模拟计算，确定最佳的驱动电流波形，包括脉冲宽度、各段电流幅度、各段时间常数等，设计如公式(6)、或公式(7)、或公式(8)所示的波形；通过对微处理器12编程运行，产生相应的脉冲波形；该脉冲波形经过功率放大器13放大，获得满足半导体激光器2驱动要求幅度的电流，施加在半导体激光器2上。半导体激光器2输出的光谱特性可以用光谱仪进行检测。半导体激光器输出在脉冲宽度内随时间变化的动态光谱特性，可以采用已申请的专利方法(半导体激光器热弛豫时间的测试装置，200510026554.x，200520042281.3)进行测量。根据测量结果和使用效果，调整微处理器的程序，修正电流的脉冲波形，以获得最佳效果。

Claims (5)

1、一种半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于该方法是将施加到泵浦光源的半导体激光器的泵浦电流的波形调整为一个起始电流较大、在脉冲宽度时间内逐渐下降的电流波形取代常规的方波波形，对泵浦半导体激光器进行驱动，以缩短所述的半导体激光器结温达到稳定的时间。

2、根据权利要求1所述的半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于所述的泵浦电流的波形为：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{I}_{i}H(t-t_i)[1-H(t-t_{i+1})]\exp \left(\frac{-t}{{\mathrm{\τ}}_i}\right)$

式中H(t-t_i)为一个台阶函数，即t＜t_i时等于0，t≥t_i时等于1，在时间t_i与t_i+1之间，电流幅度为I₀加上一个指数衰减的增量ΔI_iexp(-t/τ_i)，时间分段的数目和各段的电流幅度和衰减时间常数要根据具体器件的特性来确定。

3、根据权利要求2所述的半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于所述的泵浦电流的波形为：

$I\left(t\right)=I_0+(I_1-I_0)\exp (-\frac{t}{{\mathrm{\τ}}_1}).$

4、根据权利要求1所述的半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于所述的泵浦电流的波形为：

一系列幅度递减的短方波构成的脉冲，即：

$I\left(t\right)=I_0+\underset{i}{\mathrm{\Σ}}\mathrm{\Δ}{I}_{i}H(t-t_i)[1-H(t-t_{i+1})].$

5、根据权利要求1至4任一项所述的半导体激光器泵浦光源的驱动方法，其特征在于包括下列步骤：

①建立一个包括依次连接的同步信号发生器(11)、微处理器芯片(12)和功率放大器(13)构成的激光驱动器，该功率放大器(13)的输出连接被驱动的半导体激光器(2)；

②根据被所述的半导体激光器(2)泵浦的固体激光器工作重复频率的要求，通过同步信号发生器(11)调节并选定半导体激光器(2)的工作的重复频率f_o，对所使用的半导体激光器(2)测量其低占空比下的峰值波长λ_p(T₀)、热阻R_th和热弛豫时间τ，根据这些参数和被泵浦的固体激光器的泵浦波长、功率要求，进行理论分析和模拟计算，确定驱动电流波形；

③对微处理器(12)编程运行，产生相应的脉冲波形，该脉冲波形经过功率放大器(13)放大，获得满足半导体激光器(2)驱动要求幅度的电流，施加在所述的半导体激光器(2)上；

④对所述的半导体激光器(2)输出的光谱特性用光谱仪进行检测；

⑤根据测量结果和使用效果，调整微处理器(12)的程序，修正驱动电流的脉冲波形，以获得最佳效果。

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