本發(fā)明屬于半導(dǎo)體激光器泵浦領(lǐng)域，具體涉及一種使半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定的方法及系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

半導(dǎo)體激光器的波長受工作溫度和電流的影響具有顯著的漂移，例如對(duì)一般的808nm或9xx半導(dǎo)體激光器，具有0.2～0.3nm/℃的漂移系數(shù)，波長的漂移會(huì)影響半導(dǎo)體激光器的應(yīng)用。例如半導(dǎo)體激光器用于固體激光器泵浦時(shí)，波長漂移會(huì)造成與固體激光器增益介質(zhì)吸收譜的不匹配，導(dǎo)致泵浦效率的下降。

目前常用的波長穩(wěn)定技術(shù)包括以下三種方法，但均存在問題，以泵浦應(yīng)用舉例：

1)使用體布拉格光柵(vbg)鎖定波長：vbg波長鎖定技術(shù)盡管可以將溫度漂移系數(shù)控制在約0.01nm/℃，但在技術(shù)實(shí)現(xiàn)時(shí)需要使用光學(xué)準(zhǔn)直透鏡(例如快軸準(zhǔn)直透鏡fac)和vbg元件，總體積較大，限制了其在高功率側(cè)泵模塊中的應(yīng)用；

2)使用dfb(distributedfeedback)或dbr(distributedbraggreflector)激光器結(jié)構(gòu)：dfb或dbr半導(dǎo)體激光器的功率密度相對(duì)較低，且其制造成本偏高，使其難以應(yīng)用于高功率泵浦源；

3)使用水冷或tec(thermal‐electriccooler)等控制激光器的工作溫度等方法通過水冷或tec控溫維持半導(dǎo)體激光器的光譜穩(wěn)定輸出是目前在高功率泵浦中使用較多的方法，但控溫系統(tǒng)一般需要對(duì)整個(gè)泵浦模塊進(jìn)行溫度調(diào)節(jié)，由于控溫用的冷源或熱源與半導(dǎo)體激光器之間的傳熱路徑相對(duì)較長，因此其響應(yīng)時(shí)間較慢；此外，控溫系統(tǒng)會(huì)增加整個(gè)泵浦模塊的總體積。在一些特殊的應(yīng)用場(chǎng)合(例如航空、航天、軍事等)，對(duì)激光器的體積和響應(yīng)時(shí)間要求非常嚴(yán)格，而水冷或tec控溫系統(tǒng)的這些缺點(diǎn)限制了其在這些特殊條件下的應(yīng)用。

中國專利申請(qǐng)“cn201310738768‐一種適應(yīng)低溫環(huán)境的半導(dǎo)體激光器系統(tǒng)及其波長調(diào)節(jié)方法”提出了在低溫條件下，通過加載直流偏置電流能夠引起溫升，使得半導(dǎo)體激光器正常啟動(dòng)，并調(diào)諧半導(dǎo)體激光器的波長。該文獻(xiàn)的圖2以及說明書中提到“半導(dǎo)體激光器的波長與輸入的直流偏置電流的線性關(guān)系”。該方法為了確定合適的直流偏置輸入來獲得期望的波長和功率，需要在確定的溫度條件下進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，通過光譜儀器測(cè)量波長，推算出波長‐電流關(guān)系，再進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整電流。然而，半導(dǎo)體激光器在實(shí)際應(yīng)用中很多情況下很難使用光譜儀去實(shí)時(shí)檢測(cè)波長，而且在溫度變化頻繁的環(huán)境下，上述方案很難精確、快速地實(shí)現(xiàn)波長穩(wěn)定。該方案更多的是提供了一種新的低溫啟動(dòng)的思路，并在一定條件下利用實(shí)驗(yàn)標(biāo)定得到的函數(shù)關(guān)系簡(jiǎn)單實(shí)現(xiàn)對(duì)波長的粗調(diào)。當(dāng)通過加載直流偏置電流對(duì)半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫進(jìn)行調(diào)節(jié)時(shí)，半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫和激光器所在熱沉溫度之間存在一定的溫度梯度，并且該梯度會(huì)隨著外界環(huán)境的變化而改變，因此無法采用類似tec控溫的pid反饋方法進(jìn)行控制結(jié)溫，使其處于特定的值。因此如何選擇方便測(cè)量的反饋信號(hào)，找到快速、簡(jiǎn)便的反饋控制方法，是實(shí)現(xiàn)基于偏置電流波長穩(wěn)定技術(shù)的難點(diǎn)。所以，上述方案未見實(shí)際推廣應(yīng)用。目前普遍仍采用前述三種調(diào)節(jié)方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了適應(yīng)于復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，簡(jiǎn)便、快速、準(zhǔn)確地穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器輸出波長，本發(fā)明提出一種新的半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定系統(tǒng)和實(shí)現(xiàn)方法。

半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫與激光器所在熱沉溫度之間存在一定的溫度梯度，并且該梯度會(huì)隨著外界環(huán)境的變化而改變，因此這兩者并不是固定的線性關(guān)系。但是，申請(qǐng)人通過大量的實(shí)驗(yàn)以及研究分析，得出：當(dāng)采用通過加載直流偏置電流引起溫升的方式調(diào)節(jié)結(jié)溫，則半導(dǎo)體激光器所在熱沉的溫度與需要加載的直流偏置電流(以調(diào)節(jié)結(jié)溫促使波長穩(wěn)定)這兩者恰好呈線性關(guān)系。本發(fā)明還確立了相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型。

據(jù)此，本發(fā)明提出以下技術(shù)方案：

該半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定系統(tǒng)，包括控制單元、驅(qū)動(dòng)電源、熱沉以及用于檢測(cè)熱沉溫度的溫度傳感器；所述驅(qū)動(dòng)電源為可調(diào)節(jié)正向偏置電流的脈沖電流源；半導(dǎo)體激光器和溫度傳感器均設(shè)置于熱沉上，控制單元內(nèi)置有表達(dá)偏置電流與熱沉溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，用于根據(jù)檢測(cè)得到的熱沉溫度值計(jì)算出需要加載的直流偏置電流值；

所述數(shù)學(xué)模型為：i＝at+b；

式中，i為需要加載的直流偏置電流值，t為熱沉溫度，a為與溫漂系數(shù)和熱阻有關(guān)的常數(shù)，b為熱沉溫度為0度時(shí)的偏置電流值；a、b的取值還與溫度傳感器在熱沉上與半導(dǎo)體激光器芯片的相對(duì)位置有關(guān)。

在以上方案的基礎(chǔ)上，本發(fā)明還進(jìn)一步作了如下優(yōu)化：

上述熱沉采用cu或者cuw。

上述溫度傳感器有一個(gè)或者多個(gè)。如果設(shè)置多個(gè)溫度傳感器，則可以根據(jù)實(shí)際應(yīng)用情況(例如熱沉的形態(tài)以及半導(dǎo)體激光器芯片的安裝位置)，方便選取最符合上述數(shù)學(xué)模型的一個(gè)溫度傳感器(位置)。

一個(gè)溫度傳感器設(shè)置于熱沉的底部，即參與調(diào)節(jié)波長的一個(gè)溫度傳感器通常可設(shè)置于熱沉的底部。

上述半導(dǎo)體激光器為傳導(dǎo)冷卻型結(jié)構(gòu)(而不是水冷半導(dǎo)體激光器)，這種結(jié)構(gòu)的熱傳導(dǎo)路徑與上述數(shù)學(xué)模型最為匹配。

上述可調(diào)節(jié)正向偏置電流的脈沖電流源的具體形式為：1)帶直流偏置功能的脈沖電流源，或者2)由相互獨(dú)立的偏置直流源和準(zhǔn)連續(xù)電源組成。

根據(jù)前述研究結(jié)論，本發(fā)明不局限于以上硬件系統(tǒng)架構(gòu)，提出一種半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定的方法：檢測(cè)半導(dǎo)體激光器所在熱沉的溫度，根據(jù)所需的偏置電流與熱沉溫度之間的線性關(guān)系，實(shí)時(shí)加載所需的偏置電流。

上述線性關(guān)系為i＝at+b；

式中，i為需要加載的直流偏置電流值，t為熱沉溫度，a為與溫漂系數(shù)和熱阻有關(guān)的常數(shù)，b為熱沉溫度為0度時(shí)的偏置電流值；a、b的取值還與溫度傳感器在熱沉上與半導(dǎo)體激光器芯片的相對(duì)位置有關(guān)。

假若上述線性關(guān)系的具體函數(shù)關(guān)系式未知(常數(shù)a、b值未知)，則可采用以下方案：進(jìn)行至少兩次測(cè)試實(shí)驗(yàn)：主動(dòng)改變熱沉溫度，調(diào)節(jié)偏置電流使半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定，根據(jù)相應(yīng)得到的至少兩組熱沉溫度‐偏置電流的數(shù)據(jù)，擬合線性函數(shù)曲線；

對(duì)于實(shí)際工作的半導(dǎo)體激光器，根據(jù)檢測(cè)得到的半導(dǎo)體激光器所在熱沉的溫度，按照所述線性函數(shù)曲線，實(shí)時(shí)加載所需的直流偏置電流。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果如下：

本發(fā)明通過間接測(cè)量半導(dǎo)體激光器所在熱沉的溫度，基于調(diào)節(jié)驅(qū)動(dòng)電源的偏置直流電流值實(shí)現(xiàn)激光器的波長穩(wěn)定輸出，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需要額外的加熱或制冷元器件，也不需要額外的光學(xué)元件。由于響應(yīng)速度快，直接對(duì)結(jié)區(qū)進(jìn)行作用，控制器調(diào)節(jié)所采用的數(shù)學(xué)模型控制精度高，克服了溫度復(fù)雜變化帶來的影響。

本發(fā)明確立的數(shù)學(xué)模型尤其適用于傳導(dǎo)冷卻型高功率半導(dǎo)體激光器(非水冷半導(dǎo)體激光器)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)原理示意圖。

圖2為一個(gè)實(shí)施例的波長調(diào)節(jié)效果圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，本發(fā)明的半導(dǎo)體激光器波長穩(wěn)定系統(tǒng)包括：半導(dǎo)體體激光器、熱沉、溫度傳感器、控制單元、驅(qū)動(dòng)電源。以熱沉溫度和直流偏置電流的函數(shù)關(guān)系作為控制參數(shù)，基于微處理器(具體可以為單片機(jī)等)為核心的控制單元，通過實(shí)時(shí)檢測(cè)的熱沉溫度，根據(jù)控制單元內(nèi)置的偏置電流和熱沉溫度之間關(guān)系對(duì)直流偏置電流進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)節(jié)，實(shí)現(xiàn)半導(dǎo)體激光器輸出波長的穩(wěn)定。

半導(dǎo)體激光器可選多種封裝形式，具體為傳導(dǎo)冷卻型高功率半導(dǎo)體激光器(非水冷半導(dǎo)體激光器)；

熱沉為具有高導(dǎo)熱率的材料，優(yōu)選cu，或者cuw；

溫度傳感器設(shè)置于熱沉上，用于探測(cè)熱沉溫度。溫度傳感器可以設(shè)置在熱沉的多個(gè)位置，為了便于測(cè)量優(yōu)選設(shè)置于熱沉的底部。

驅(qū)動(dòng)電源為可調(diào)節(jié)正向偏置電流的脈沖電流源，包括偏置直流源(提供偏置電流)和準(zhǔn)連續(xù)電源(提供脈沖電流)。

控制單元，用于接收處理溫度傳感器反饋的溫度數(shù)據(jù)，并相應(yīng)的調(diào)節(jié)偏置直流電流。

控制單元接收溫度傳感器所測(cè)得的熱沉溫度，根據(jù)控制單元內(nèi)置的偏置電流和熱沉溫度之間關(guān)系的數(shù)學(xué)模型，自動(dòng)實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)偏置電流值，通過偏置電流調(diào)節(jié)半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫，實(shí)現(xiàn)激光波長的穩(wěn)定輸出。

所需加載的直流偏置電流和熱沉溫度具體關(guān)系為：i＝at+b

i為直流偏置電流值，t為熱沉溫度，a為與溫漂系數(shù)和熱阻有關(guān)的常數(shù)，b為常數(shù)，具體為熱沉溫度為0度時(shí)的偏置電流值。

a、b的取值還與溫度傳感器在熱沉上的位置有關(guān)，不同位置下，電流表征公式中i＝at+b的a、b取值不同。

如圖2所示一個(gè)傳導(dǎo)冷卻的高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的實(shí)際效果。

保持qcw，200us，25hz,150a不變，在不同熱沉溫度下調(diào)節(jié)偏置電流值，使得高功率半導(dǎo)體激光器疊陣的中心波長穩(wěn)定在808±1nm，對(duì)應(yīng)的偏置電流值(biascurrent)，實(shí)心圓形黑點(diǎn)對(duì)應(yīng)的曲線)。

圖2所示的斜線也印證了所需的偏置電流與熱沉溫度呈線性關(guān)系(斜線上微小的波動(dòng)是由測(cè)量誤差導(dǎo)致的)。