CN219123666U - 一种用于半导体激光器的二级控温结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种用于半导体激光器的二级控温结构，包括电路板、设于电路板上的一个或多个半导体激光器、设于电路板上并用于温控的MCU，半导体激光器包覆于保温结构内；电路板上设有用于检测半导体激光器所处的内部环境温度的第一热敏电阻、用于对半导体激光器所处的内部环境进行制冷或制热的二级半导体制冷器，两者均位于保温结构内部的电路板上，并与MCU连接。本实用新型解决了现有的半导体激光器温控结构制冷/制热能力有限，无法适应大范围的温度环境变化的缺陷，其可以保证半导体激光所处温度适宜，使得半导体激光器内部的温度调控系统即可实现温度的准确调控，并且整体结构紧凑，小巧易于安装。

Description

一种用于半导体激光器的二级控温结构

技术领域

本实用新型涉及半导体激光器技术领域，具体的说，是涉及一种用于半导体激光器的二级控温结构。

背景技术

半导体激光器因其体积小、寿命长、发射波长可调谐等优势，在气体传感、拉曼光谱学、激光通信、光存储、测距以及雷达等方面以及获得了广泛的应用，如何能够稳定控制激光器的输出激光波长半导体激光器应用设计过程中的一大考量因素。

对于半导体激光器来说，激光器温度和驱动电流都可以调制和改变半导体激光器的输出波长。一般来讲，温度对激光波长的调谐范围大，响应时间长；电流对激光波长的调谐范围小，响应时间短。因此，需要精确控制半导体激光器的温度，从而精确控制激光器的输出激光波长。

目前，在激光器内部集成热敏电阻（NTC）和半导体制冷器（TEC）用以实现激光器内部温度的调整，其通过硬件比例积分微分算法（PID）或软件PID实现激光器温度控制。例如，公布号为CN 115249941 A的中国发明专利公开了一种半导体激光器的温度控制系统和方法，其通过设置第一测温装置、第二测温装置、第三测温装置、温控模块和调温模块，以对对管芯在当前环境温度进行修正，实现了快速、准确地控制半导体激光器的工作温度。

但是现有的此种方法中，半导体制冷器（TEC）是集成到半导体激光器内部（例如调温模块仅能对管芯的温度进行调节），其制冷和加热能力有限。当遇到外界环境温度变化范围较大的时候，制冷、制热能力有限导致管芯等无法准确的控温在核实的范围内，进而影响了激光器输出激光波长的稳定性，控温精度难以保证。也有其他针对半导体激光器的制冷结构，其制冷位置不具有针对性，浪费了较多的能量。

上述缺陷，值得改进。

实用新型内容

为了克服现有的半导体激光器温控结构制冷/制热能力有限，无法适应大范围的温度环境变化的缺陷，本实用新型提供一种用于半导体激光器的二级控温结构，其可以保证半导体激光所处温度适宜，使得半导体激光器内部的温度调控系统即可实现温度的准确调控。

本实用新型技术方案如下所述：

一种用于半导体激光器的二级控温结构，包括电路板、设于所述电路板上的一个或多个半导体激光器、设于所述电路板上并用于温控的MCU，其特征在于，所述半导体激光器包覆于保温结构内；

所述电路板上设有用于检测所述半导体激光器所处的内部环境温度的第一热敏电阻，所述电路板上还设有用于对所述半导体激光器所处的内部环境进行制冷或制热的二级半导体制冷器，

所述第一热敏电阻、所述二级半导体制冷器均位于所述保温结构内部的所述电路板上，且所述第一热敏电阻、所述二级半导体制冷器均与所述MCU连接。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述半导体激光器包括用于发射激光的半导体激光二极管、用于对所述半导体激光二极管进行制冷或制热的内部半导体制冷器、用于检测半导体激光二极管温度的内部热敏电阻，所述半导体激光二极管、所述内部半导体制冷器、所述内部热敏电阻均与MCU连接，所述MCU用于接收所述内部热敏电阻检测信息并控制所述内部半导体制冷器制冷或制热。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，位于所述保温结构外部的所述电路板上设有与所述MCU连接的第二热敏电阻，所述第二热敏电阻用于检测所述保温结构所处的外部环境温度。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述保温结构用于容纳所述半导体激光器的第一保温容纳槽、用于容纳所述第一热敏电阻的第二保温容纳槽，所述第一保温容纳槽与所述第二保温容纳槽连通。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，还包括散热结构，所述散热结构位于所述保温结构的旁侧，且所述二级半导体制冷器位于所述保温结构与所述散热结构之间。

进一步的，所述电路板上开设有散热缺口，所述散热缺口与所述散热结构的位置对应。

进一步的，所述散热结构的内侧设有散热容纳槽，所述保温结构的内侧设有第三保温容纳槽，所述第三保温容纳槽与所述散热容纳槽拼合并形成用于容纳所述二级半导体制冷器的空间。

更进一步的，所述散热容纳槽内设有散热件，所述散热件与所述二级半导体制冷器紧贴，且所述散热件与所述散热结构接触。

更进一步的，所述半导体激光器与所述二级半导体制冷器之间、所述二级半导体制冷器与所述散热件之间、所述散热件与所述散热结构之间的接触面上均匀涂有导热硅脂。

根据上述方案的本实用新型，其特征在于，所述保温结构外围设有一层或多层外围保温结构，每一层所述外围保温结构的内部空间内设有用于检测该内部空间温度的检测热敏电阻、对该内部空间进行制冷或制热的外围半导体制冷器，所述检测热敏电阻、所述外围半导体制冷器均与所述MCU连接。

根据上述方案的本实用新型，其有益效果在于，本实用新型通过保温结构对半导体激光器进行保温，使其工作于合适的温度区间范围内，够提了高半导体激光器的控制精度，能够确保激光器在大范围温度环境下输出激光波长的稳定。另外，本实用新型整个结构仅针对半导体激光器，无需庞大的保温措施即可实现，实现更加容易，且减少了资源的浪费。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图；

图2为本实用新型另一视角的示意图；

图3为本实用新型的结构分解图；

图4为本实用新型的侧面剖视图；

图5为本实用新型另一侧面的剖视图；

图6为本实用新型中保温结构的示意图；

图7为本实用新型中保温结构另一视角的示意图；

图8为本实用新型中散热结构的示意图；

图9为本实用新型中散热结构另一视角的示意图。

在图中，各个附图标号为：

10、电路板；

11、散热缺口；

20、保温结构；

21、连接孔；22、第一保温容纳槽；23、第二保温容纳槽；24、第三保温容纳槽；

30、散热结构；

31、散热容纳槽；32、散热翅片；

40、半导体激光器；

50、二级半导体制冷器；

60、散热件；

71、第一热敏电阻；72、第二热敏电阻；

80、连接件。

具体实施方式

下面结合附图以及实施方式对本实用新型进行进一步的描述：

如图1至图9所示，本实用新型为了解决现有的半导体激光器40温控结构制冷/制热能力有限，无法适应大范围的温度环境变化的缺陷，提出了一种用于半导体激光器40的二级控温结构，通过对半导体激光器40所处环境进行温控，使半导体激光器40能处于较为稳定的工作环境，可以实现半导体激光器40的输出激光波长稳定性好、精度高。

该用于半导体激光器40的二级控温结构包括电路板10及设于电路板10上的一个或多个半导体激光器40、设于电路板10上并用于温控的MCU，为了提供半导体激光器40稳定温度的工作环境，该半导体激光器40包覆于封装结构内，封装结构用于提供半导体激光器40的工作环境。

本实用新型中的半导体激光器40包括用于发射激光的半导体激光二极管、用于对半导体激光二极管进行制冷或制热的内部半导体制冷器、用于检测半导体激光二极管温度的内部热敏电阻，半导体激光二极管、内部半导体制冷器、内部热敏电阻均与MCU连接，MCU用于接收内部热敏电阻检测信息并控制内部半导体制冷器制冷或制热，通过MCU的PID精准控制方式，调节半导体激光二极管的精准温度（可参照CN115249941A或CN 106233549 A的控制方式）。

半导体激光器40自身可以实现小范围温度控制，其实现原理为：当内部热敏电阻测得半导体激光器40的实际温度高于目标温度时，则会给内部半导体制冷器加正向的电压控制内部半导体制冷器给半导体激光器40制冷，使得半导体激光器40的实际温度向目标温度靠近；当内部热敏电阻测得半导体激光器40的实际温度低于目标温度时，则会给内部半导体制冷器加反向的电压控制内部半导体制冷器给半导体激光器40加热，使得半导体激光器40的实际温度向目标温度靠近，通过控制半导体激光器40的温度稳定来控制半导体激光器40的输出激光波长稳定。

为了使得封装环境能够提供半导体激光器40的稳定温度的工作环境，且该工作环境的温度以半导体激光器40目标温度为中心，在半导体激光器40目标温度正负温差（例如正负温差2℃）范围内，本实用新型中，位于封装结构内部的电路板10上设有第一热敏电阻71，封装结构内还设有二级半导体制冷器50，电路板10上还设有MCU。其中：第一热敏电阻71用于检测半导体激光器40所处的内部环境（即封装结构内部）温度，二级半导体制冷器50用于对半导体激光器40所处的内部环境（即封装结构内部）进行制冷或制热，MCU根据第一热敏电阻71的检测结果控制二级半导体制冷器50制冷或制热。

第一热敏电阻71检测半导体激光器40所处的内部环境温度高于“半导体激光器40目标温度+温差值”时，MCU控制二级半导体制冷器50对半导体激光器40所处的内部环境进行降温；第一热敏电阻71检测半导体激光器40所处的内部环境温度低于“半导体激光器40目标温度-温差值”时，MCU控制二级半导体制冷器50对半导体激光器40所处的内部环境进行升温。

此处的封装结构指的是保温结构20（优选为塑料材质，塑料材质导热系数低，有助于实现保温功能，同时还可以降低产品重量），半导体激光器40、第一热敏电阻71均置于保温结构20的内部空间内，该保温结构20提供了半导体激光器40的恒温工作空间，使得半导体激光器40的三面均与该保温结构20相接触。

具体请参阅图6、图7，保温结构20包括用于容纳半导体激光器40的第一保温容纳槽22、用于容纳第一热敏电阻71的第二保温容纳槽23，第一保温容纳槽22与第二保温容纳槽23连通，使得第一热敏电阻71检测得到的第二保温容纳槽23的温度与第一保温容纳槽22的温度相等，即可测得半导体激光器40的工作环境温度。

在本实用新型中，第一保温容纳槽22的下端开口、第二保温容纳槽23的下端开口均与电路板10的表面紧贴，使得第一保温容纳槽22、第二保温容纳槽23均是下端密闭的空间，以使得半导体激光器40、第一热敏电阻71的工作环境处于保温状态。

该用于半导体激光器40的二级控温结构还包括散热结构30（优选为铝材质，散热快），散热结构30位于保温结构20的旁侧，且二级半导体制冷器50位于保温结构20与散热结构30之间。

具体请参阅图8、图9，散热结构30的内侧设有散热容纳槽31，保温结构20的内侧设有第三保温容纳槽24，第三保温容纳槽24与散热容纳槽31拼合并形成用于容纳二级半导体制冷器50的空间。在一个具体实施例中，电路板10上开设有散热缺口11，散热缺口11与散热结构30的位置对应，散热结构30与电路板10无接触，避免了散热结构30的热量通过电路板10传输到激光器上，同时避免电路板10对散热结构30的散热造成影响。

散热容纳槽31内设有散热件60（优选为铜材质，导热快），散热件60与二级半导体制冷器50紧贴，且散热件60与散热结构30接触，使得二级半导体制冷器50的热量能够经由散热件60快速传递至散热结构30上，以实现快速散热。优选的，散热结构30的外侧设有散热翅片32，通过散热翅片32加大散热面积，以增加散热速率。

在保温结构20与散热结构30的连接方式中：保温结构20上设有连接孔21，连接件80穿过连接孔21后与散热结构30连接，使得散热结构30与保温结构20固定连接。此处的连接件80为螺丝，通过螺丝将保温架构古锭刀散热结构30中，保证了半导体激光器40、二级半导体制冷器50、散热件60、散热结构30等之间的紧密接触。

优选的，半导体激光器40与二级半导体制冷器50之间、二级半导体制冷器50与散热件60之间、散热件60与散热结构30之间的接触面上均匀涂有导热系数高的导热硅脂，其用于填充接触面之间的微小间隙，提高面与面之间的热传导能力。

优选的，二级半导体制冷器50与保温结构20之间、半导体激光器40上方与保温结构20之间的间隙用隔热硅胶填充，保证了半导体激光器40与第一热敏电阻71处于一个密闭隔热环境，该环境通过二级半导体制冷器50与外界进行热交换，保证了温度控制的精准性。

本实用新型可以通过保温结构20、散热结构30、二级半导体制冷器50、第一热敏电阻71相互配合，对半导体激光器40的工作环境的温度进行控制，使得半导体激光器40处于稳定温度的工作空间，减少外部环境温度对于半导体激光器40的影响，确保半导体激光器40的控温精度，保证了激半导体激光器40的输出激光波长精度。另外，在保证半导体激光器40的环境温度稳定情况下，本实用新型还可以通过半导体内部的MCU、内部半导体制冷器、内部热敏电阻相互配合，保证半导体激光二极管的工作环境的温度稳定性，进一步增加半导体激光器40出射激光的精准性。

在本实用新型中，位于保温结构20外部的电路板10上设有与MCU连接的第二热敏电阻72，第二热敏电阻72用于检测保温结构20所处的外部环境温度，使得MCU根据第二热敏电阻72的检测结果反馈是否超温的报警信号。本实用新型可以通过第二热敏电阻72配合MCU实现二级半导体制冷器50、散热结构30的选择，具体的：

由于不同功率的二级半导体制冷器50和不同尺寸的散热结构30能够适应并控制的极限温度范围不同：二级半导体制冷器50的功率越高、散热结构30尺寸越大，能够适应并控制的极限温度范围（MT1-MT2）会越宽。本实用新型通过第二热敏电阻72检测外界环境温度T2，如果检测到外界环境温度T2超过本实用新型能控温的极限温度范围（MT1-MT2，如-50～+80℃），则MCU给用户报警提示超过极限控温范围，需要更换不同规格的二级半导体制冷器50和对应的散热结构30。

作为扩充方案，本实用新型的保温结构20外围设有一层或多层外围保温结构20，每一层外围保温结构20的内部空间内设有用于检测该内部空间温度的检测热敏电阻、对该内部空间进行制冷或制热的外围半导体制冷器。该实施例通过多级的检测热敏电阻、半导体制冷器的应用，实现了多重温度恒温控制，保证了内部空间的恒温性，并且使得整个产品具有更广的温度适应区间。

另外，本实用新型还可以采用更大尺寸的二级半导体制冷器50，以可以实现更大功率的制冷或制热能力。又或者，本实用新型采用一个或多个半导体激光器40与一个二级半导体制冷器50相配合，实现了一对多的应用，整个设备的继承性更高。

该用于半导体激光器40的二级控温结构在安装过程中：

（1）首先把半导体激光器40和第一热敏电阻71安装到塑料的保温结构20内部，并固定到电路板10上；

（2）其次安装二级半导体制冷器50，并将二级半导体制冷器50与保温结构20之间、半导体激光器40上方与保温结构20之间的间隙用隔热硅胶填充，保证了半导体激光器40与第一热敏电阻71处于一个密闭隔热环境，该环境通过二级半导体制冷器50与外界进行热交换；

（3）最后依次安装散热件60、散热结构30，并用螺丝把保温结构20固定到散热结构30上，保证了半导体激光器40、二级半导体制冷器50、散热件60、散热结构30之间的紧密接触，并且在半导体激光器40与二级半导体制冷器50之间、二级半导体制冷器50与铜散热片之间、散热件60与散热结构30之间的接触面上均匀涂有导热系数高的导热硅脂，用于填充接触面之间的微小间隙，提高面与面之间的热传导能力。

本实用新型通过将半导体激光器40包覆于保温结构20内，通过控制保温结构20内的温度，以使得半导体激光器40处于小范围恒温区间。用于半导体激光器40的二级控温结构温度控制过程，用于对半导体激光器40所处温度进行恒温区间控制，以使得半导体处于小范围恒温区间内，具体包括以下步骤：

1、每个半导体激光器40均有对应的适宜温度范围，因此线确定半导体激光器40所处的保温结构20的封装内部恒温区间MT1-MT2。

2、通过第一热敏电阻71检测半导体激光器40所处的内部环境温度T1。

3、确定内部环境温度T1与封装内部恒温区间MT1-MT2的关系，并根据该结果确定进一步处理方式。

（1）如果半导体激光器40的内部环境温度T1大于封装内部恒温区间的高值MT2，表明需要给二级半导体制冷器50加正向电压用于给保温结构20内部空间制冷，使得保温结构20内部空间温度下降；

（2）当半导体激光器40内部环境温度T1小于封装内部恒温区间的低值MT1，表明需要给二级半导体制冷器50加反向电压用于给保温结构20内部空间加热，使得保温结构20内部空间温度上升；

（3）当半导体激光器40内部环境温度T1处于恒温区间MT1-MT2内，表明保温结构20内部空间温度已经满足要求，不需要对二级半导体制冷器50的电压大小和方向做任何改变。

在选择进一步的处理方式时，若内部环境温度T1大于封装内部恒温区间的高值MT2，则进入步骤4；若内部环境温度T1小于封装内部恒温区间的低值MT1则进入步骤5；若内部环境温度T1位于封装内部恒温区间MT1-MT2内，则进入步骤6。

4、MCU控制二级半导体制冷器50制冷，使得半导体激光器40所处的内部环境温度降低。

5、MCU控制二级半导体制冷器50制热，使得半导体激光器40所处的内部环境温度升高。

6、MCU控制二级半导体制冷器50静置，即维持二级半导体制冷器50的工作状态。

7、经过一段时间后，重复判断第一热敏电阻71检测半导体激光器40所处的内部环境温度T1是否处于MT1-MT2内，并进行上述对应的处理动作。

上述过程仅作为一种实现方式，在其他实施例中还可以采用其他的控制流程实现。

在上述温度控制过程中，二级半导体制冷器50的工作原理为：当给二级半导体制冷器50加正向电压时，二级半导体制冷器50对保温结构20内部空间制冷；当给二级半导体制冷器50加反向电压时，二级半导体制冷器50对保温结构20内部空间加热。并且在制冷或制热过程中，给二级半导体制冷器50两端加的电压越大，其制冷或制热能力越强。

本实用新型在通过保温结构20及MCU、第一热敏电阻71、二级半导体制冷器50实现半导体激光器40所处环境温度控制的过程的同时，还包括半导体激光器40内部温度控制的过程：采用PID方式控制半导体激光器40的内部半导体制冷器对半导体激光器40控温。本实用新型中对半导体激光器40所处环境温度控制过程、半导体激光器40内部温度控制过程互不干扰。

在一个具体实施例中，以保温结构20内部初始温度高于恒温区间上限为例进行说明。

当初始的内部环境温度T1>封装内部恒温区间的高值MT2时，MCU控制给二级半导体制冷器50加正向电压去制冷，等待一段时间再去检测T1与MT1-MT2范围之间的关系：（1）如内部环境温度T1在MT1-MT2区间内时，则控制二级半导体制冷器50电压保持不变，以平衡外界的高温环境，仅在外界温度降低或半导体激光器40发热功率变化时，进一步调整二级半导体制冷器50电压；（2）如内部环境温度T1大于封装内部恒温区间的高值MT2时，则需微调控制二级半导体制冷器50电压增大；（3）如内部环境温度T1小于封装内部恒温区间的低值MT1时，则需微调控制二级半导体制冷器50电压减小。

完成上述过程后，通过半导体激光器40内部半导体制冷器对半导体激光器40进行实时PID控温，并每隔一段时间再去检测激光器周围环境温度T1与恒温区间的关系，MCU按照相应的控制逻辑算法去控制二级半导体制冷器50的电压值。

上述过程仅为本实用新型在实现保温结构20内部空间温度控制过程中的一种方式，在其他实施例中，也可以采用其他实现方式，能够使得该空间保持在半导体合适的工作温度范围内即可。

本实用新型采用二级控温结构对半导体激光器40进行温度控制，创建了一个温度稳定的工作环境空间，不仅能够实现半导体激光器40在大范围温度环境下正常控温，而且能够保证在任意外界环境温度下工作的半导体激光器40都能有一个很高的控温精度，保证了激光器在大范围温度环境下输出激光波长的精度和稳定性。同时，由于半导体激光器40处于一个适宜的工作环境，提高了激光器LD寿命，而且由于半导体激光器40的工作环境温度靠近目标温度，半导体激光器40内部半导体制冷器的工作电压远小于其额定电压，保证了半导体激光器40的内部半导体制冷器的寿命，提高了半导体激光器40的寿命。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

上面结合附图对本实用新型专利进行了示例性的描述，显然本实用新型专利的实现并不受上述方式的限制，只要采用了本实用新型专利的方法构思和技术方案进行的各种改进，或未经改进将本实用新型专利的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本实用新型的保护范围内。

Claims (10)

1.一种用于半导体激光器的二级控温结构，包括电路板、设于所述电路板上的一个或多个半导体激光器、设于所述电路板上并用于温控的MCU，其特征在于，所述半导体激光器包覆于保温结构内；

所述电路板上设有用于检测所述半导体激光器所处的内部环境温度的第一热敏电阻，所述电路板上还设有用于对所述半导体激光器所处的内部环境进行制冷或制热的二级半导体制冷器；

所述第一热敏电阻、所述二级半导体制冷器均位于所述保温结构内部的所述电路板上，且所述第一热敏电阻、所述二级半导体制冷器均与所述MCU连接。

2.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，所述半导体激光器包括用于发射激光的半导体激光二极管、用于对所述半导体激光二极管进行制冷或制热的内部半导体制冷器、用于检测半导体激光二极管温度的内部热敏电阻，所述半导体激光二极管、所述内部半导体制冷器、所述内部热敏电阻均与MCU连接，所述MCU用于接收所述内部热敏电阻检测信息并控制所述内部半导体制冷器制冷或制热。

3.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，位于所述保温结构外部的所述电路板上设有与所述MCU连接的第二热敏电阻，所述第二热敏电阻用于检测所述保温结构所处的外部环境温度。

4.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，所述保温结构用于容纳所述半导体激光器的第一保温容纳槽、用于容纳所述第一热敏电阻的第二保温容纳槽，所述第一保温容纳槽与所述第二保温容纳槽连通。

5.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，还包括散热结构，所述散热结构位于所述保温结构的旁侧，且所述二级半导体制冷器位于所述保温结构与所述散热结构之间。

6.根据权利要求5所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，所述电路板上开设有散热缺口，所述散热缺口与所述散热结构的位置对应。

7.根据权利要求5所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，所述散热结构的内侧设有散热容纳槽，所述保温结构的内侧设有第三保温容纳槽，所述第三保温容纳槽与所述散热容纳槽拼合并形成用于容纳所述二级半导体制冷器的空间。

8.根据权利要求7所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，所述散热容纳槽内设有散热件，所述散热件与所述二级半导体制冷器紧贴，且所述散热件与所述散热结构接触。

9.根据权利要求8所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，所述半导体激光器与所述二级半导体制冷器之间、所述二级半导体制冷器与所述散热件之间、所述散热件与所述散热结构之间的接触面上均匀涂有导热硅脂。

10.根据权利要求1所述的用于半导体激光器的二级控温结构，其特征在于，所述保温结构外围设有一层或多层外围保温结构，每一层所述外围保温结构的内部空间内设有用于检测该内部空间温度的检测热敏电阻、对该内部空间进行制冷或制热的外围半导体制冷器，所述检测热敏电阻、所述外围半导体制冷器均与所述MCU连接。

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