CN102354907B - 多波长一体化红外半导体激光光源 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多波长一体化红外半导体激光光源，其结构包括有编码控制模块1、集成化驱动电源2、一体化激光发射单元3、旋转定位式发射物镜组4和步进电机驱动系统5等五个部分。本发明具有0.865μm、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种发射波长和频率特性，其主要特点是通过采用新的LD/LED加工工艺，实现了多种红外波长激光光源发射单元的高度一体化，既减少了不同波长红外半导体激光光源的配置，又可使激光发射机的体积更小，重量更轻，成本更加低廉，操作更加方便，满足了综合光电检测及光电设备验收等实际工作的使用需要。本发明集成化和自动化程度高，发射效率良好，便于在线检测，通用性好，性价比高。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光光源，具体地说是一种多波长一体化红外半导体激光光源。
背景技术
红外半导体激光光源是一种广泛应用于激光测距、激光制导、光纤通信和激光接收性能检测等工程领域的重要光电仪器。其中，为适应当前不断扩大的应用领域对性能各异的红外半导体激光光源的需求，拥有多种不同发射波长和频谱特性的激光器逐渐成为红外半导体激光光源的一个重要研究方向。研制多波长激光光源最重要的关键技术问题是一体化问题，即如何实现不同激光光源的发光器件、驱动模块、光学系统以及光机结构的一体化。
目前虽有多波长激光发射光源研制成功，但在多波长发生器件及其驱动模块方面尚未实现一体化。在这些多波长激光发射光源中，对于不同的发光器件，多是采用分列安装的方式加以固化，通过内部光学系统耦合切换的方式，实现发射光源的一体化。这样就不可避免地造成了多波长激光光源存在体积质量大、光程复杂和发射效率及发射精度低下等问题。
为了达到便于调制和优化光机结构的目的，现有激光发射机通常是采用LD、LED等电致发光器件作为发射光源。因此，实现LD、LED发光器件的多波长一体化，已经成为解决上述问题、进一步提高多波长红外半导体激光光源的集成化和综合化程度的关键。而实现多波长一体化的核心问题是如何解决在同一衬底的不同位置上，生长不同材料及厚度（发射波长、发光焦平面）的半导体外延层，并如何避免多波长发射离轴的问题。
发明内容
本发明的目的就是提供一种多波长一体化红外半导体激光光源，以解决现有多波长激光光源存在的发射精度低和发射离轴的问题。
本发明是这样实现的：一种多波长一体化红外半导体激光光源，包括有：
编码控制模块，与集成化驱动电源相接，用于向所述集成化驱动电源发出对应于四路LD/LED发射光源的不同编码信号，为上述多波长一体化红外半导体激光光源提供所需的激光光场信息；
集成化驱动电源，分别与所述编码控制模块和一体化激光发射单元相接，用于根据接收的编码信号，向一体化激光发射单元发出四路LD/LED发射光源中某一路LD/LED发射光源工作所需的驱动电流信号；
一体化激光发射单元，分别与所述集成化驱动电源和旋转定位式发射物镜组相接，用于根据接收的驱动电流信号，驱动四路LD/LED发射光源中的一路LD/LED发射光源发出激光束；在所述一体化激光发射单元中包含具有0.86μm、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种红外波长的四路LD/LED发射光源；
旋转定位式发射物镜组，分别与所述一体化激光发射单元和步进电机驱动系统相接，用于将所述一体化激光发射单元中各路LD/LED发射光源所发射的激光束准直为平行光束；以及
步进电机驱动系统，与所述旋转定位式发射物镜组相接，用于控制所述旋转定位式发射物镜组旋转定位到所述一体化激光发射单元中工作的一路LD/LED发射光源上。
所述编码控制模块包括固化有包含四路LD/LED发射光源编码信息的FPGA集成芯片和与所述FPGA集成芯片相接并输出编码信号的接口电路。该编码控制模块是一种基于FPGA芯片的四路发射光源编码控制器，分别为四路LD/LED发射光源提供TTL电平，经过一个共享式接口电路，将控制逻辑输入到集成化驱动电源，从而达到控制激光光源输出脉宽的目的。
所述一体化激光发射单元是在GaN正方体衬底的四个侧面上利用MOCVD工艺生长出作为四路LD/LED发射光源的半导体外延层；所述GaN正方体衬底与所述半导体外延层内嵌于激光发射单元封装结构的中心位置，所述半导体外延层的发光面位于光学焦平面的位置上。所述GaN正方体衬底上各半导体外延层的生长厚度，可根据一体化激光发射单元的几何模型实现精密控制，从而使各半导体外延层的发光面位于光学系统的焦平面位置上，以保证发射物镜组对所发射出的各种红外波长的激光光束的准直效果。
在所述集成化驱动电源上设有对应于四路LD/LED发射光源的四个控制信号端和四个激光光源供电端；所述控制信号端分别与所述编码控制模块相连接，所述四个激光光源供电端分别连接在所述GaN正方体衬底上的四个半导体外延层上。集成化驱动电源是一种具有电流任意可调功能的升压分压式集成化驱动电流源，它由一片单芯升压芯片实现宽电压（5－15V）到高电压（60-120V）的升压，然后基于数字化PWM方式实现连续可调的分压，为四种不同阈值要求的LD/LED半导体外延层提供工作所需的驱动电流。
所述旋转定位式发射物镜组包括底座、设置在所述底座正面偏心位置上、并对四路LD/LED发射光源的光束均具有良好发射准直效果的发射物镜和连接在所述底座背面四角上的滑轮组；所述滑轮组通过传动机构与所述步进电机驱动系统相接。步进定位式发射物镜组是一种对四路LD/LED发射光源所发射出的0.865μm、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种红外波长的激光光束均具有良好发射准直效果的发射物镜系统。该发射物镜系统通过底座背面的滑轮组和传送带与步进电机相连，能够实现平面360°的转动。由此使得旋转定位式发射物镜组，可以保证在GaN正方体衬底不同位置上的四路LD/LED发射光源所发射激光光束的同轴性，从而满足了多波长一体化激光光源的精度要求。本发明通过设置在底座背面的滑轮机构，利用步进电机控制发射物镜，可分别旋转至四路LD/LED发射光源（即四个半导体外延层）的发射光轴位置上，从而很好地解决了多波长激光光束的发射离轴问题。
本发明具有0.865μm（LED）、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种发射波长和频率特性，其主要特点是通过采用新的LD/LED加工工艺，实现了多种红外波长激光光源发射单元的高度一体化，既减少了不同波长红外半导体激光光源的配置，又可使激光发射机的体积更小，重量更轻，成本更加低廉，操作更加方便，满足了综合光电检测及光电设备验收等实际工作的使用需要。本发明的特点是发射波长、驱动电路及光学系统的集成化和自动化程度高，发射效率良好，便于在线检测，通用性好，性价比高。
附图说明
图1是本发明的原理性结构框图。
图2是一体化激光发射单元的内部结构示意图。
图3是一体化激光发射单元的侧向结构示意图。
图4是一体化激光发射单元的正向结构示意图。
图5是一体化激光发射单元构成原理的几何模型图。
图6是旋转定位式发射物镜组的正面结构示意图。
图7是旋转定位式发射物镜组的工作原理示意图。
图8是旋转定位式发射物镜组的背面结构示意图。
图9是步进电机驱动系统的电路结构框图。
图10是集成化驱动电源的电原理图。
具体实施方式
如图1所示，本发明多波长一体化红外半导体激光光源包括有编码控制模块1、集成化驱动电源2、一体化激光发射单元3、旋转定位式发射物镜组4和步进电机驱动系统5共五个部分。
编码控制模块1包括固化有包含四路LD/LED发射光源编码信息的FPGA集成芯片11和输出编码信号的接口电路12；接口电路12为TTL共享式接口电路，其四路输入端接FPGA集成芯片11，其输出端接集成化驱动电源2，向集成化驱动电源2发出编码信号，为多波长红外半导体激光光源提供所需的四种激光光场信息。
集成化驱动电源2是一种具有电流任意可调功能的升压分压式集成化驱动电流源，可根据不同的驱动信号，驱动对应波长的一路LD/LED发射光源工作。图10给出了一种单路驱动电源的电路结构。该电路的前级升压放大器和场效应管共同构成一种类似雪崩三极管的放电电路，其中控制信号输入端IN分别接收四路LD/LED发射光源的编码信息，从而控制放大后的前级供电电压V1和各自的LD/LED供电电压V2的导通与截止，从而使LD/LED发射光源输出相应的激光脉冲光束。
集成化驱动电源2是由一片单芯升压芯片实现宽电压（5－15V）到高电压（60-120V）的升压，然后基于数字化PWM方式实现连续可调的分压，为四种不同阈值要求的LD/LED半导体外延层提供驱动电流。在集成化驱动电源2上设有对应于四路LD/LED发射光源的四个控制信号端和四个激光光源供电端；控制信号端分别与编码控制模块1相连接，四个激光光源供电端分别连接在GaN正方体衬底31上的四个半导体外延层32上。集成化驱动电源2的输出电流任意可调，能够为多波长红外半导体激光光源提供不同的驱动电流信号。
如图2—图4所示，一体化激光发射单元3是在GaN正方体衬底31的四个侧面上利用MOCVD工艺生长出作为四路LD/LED发射光源的半导体外延层32；GaN正方体衬底31与半导体外延层32内嵌于激光发射单元封装结构33的中心位置，半导体外延层32的发光面位于光学焦平面的位置上。制作时，是根据一体化激光发射单元的几何模型（图5），精密控制GaN正方体衬底31上各半导体外延层32的生长厚度，从而使各发光面位于光学系统的焦平面位置，以保证发射物镜组对各波长光束的准直效果。
一体化激光发射单元3是采用便于控制外延层生长厚度的MOCVD（金属有机化合物化学气相淀积Metal-organic Chemical Vapor DePosition）工艺，主要以Ⅲ族元素的有机化合物和Ⅴ族元素的氢化物等作为晶体生长源材料，在GaN正方体衬底31的四个侧面上分别对称生长由Ⅲ-Ⅴ族化合物半导体构成的半导体气相外延层（AlGaAs和InGaAsP），从而作为产生0.865μm（LED）、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种红外波长激光光源的bar条。每个bar条上的谐振腔的出光端面与GaN正方体衬底31的上表面平行，从而保证四路发射光束与垂直于一体化激光发射单元3表面的主光轴保持一致。
由图3、图4可见，一体化激光发射单元3采用单元化封装工艺，将GaN正方体衬底31、半导体外延层32及其引出端子集成在一个很小的封装结构33中，以半导体发光区为中心，10个引出端子以圆周方式均匀对称的分布于封装结构33的周边。10个引出端子分别为四路控制信号输入端IN、四路供电电压输入端V2、共用前级放大供电电压输入端V1和地线端。
GaN正方体衬底31上各半导体外延层32的生长厚度，是根据一体化激光发射单元的几何模型实现精密控制的。如图5所示， 
—
分别代表一体化激光发射单元3中的四路LD/LED发射光源的发光点，S为发射光学系统的主面上的圆周（即基底表面正方形的内切圆），—
四点位于该圆周上；Z轴为发射光轴，可以沿圆周S在光学系统主面上作360°转动，每次转动90°，使Z轴和
—
的发射光轴重合。在各半导体外延层32的生长过程中，必须对—
沿Z轴方向的厚度进行精确控制，从而保证四种波长的发光面均位于发射光学系统的焦平面位置上。
如图6—图8所示，旋转定位式发射物镜组4包括一个正方形的底座41，在底座41的正面偏心位置上设置有发射物镜42，在底座41的背面四角上分别设置一个滑轮，四个滑轮构成滑轮组43，该滑轮组43与步进电机驱动系统5相接。发射物镜42通过底座41背面的滑轮组43与传送带和步进电机相连，能够实现平面360°的转动，以对应GaN正方体衬底31上的某一个半导体外延层32，使对应于四个半导体外延层32上的0.865μm、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种红外波长的激光光束具有良好发射准直效果，以此保证在GaN正方体衬底31不同位置上的半导体外延层32所发激光光束保持同轴性，从而满足了一体化多波长半导体激光光源发射精度的要求。发射物镜42是一种对0.865μm、0.9μm、1.06μm、1.55μm四种红外波长的光束均具有良好共轴发射效率的发射光学系统。
发射物镜组4的底座41的尺寸及发射物镜42的安装位置，应与半导体外延层32的生长位置相对应，从而保证在GaN正方体衬底31不同位置上的半导体外延层32所发射光束的光轴不偏离。如图8所示，底座41的转动是由步进电机控制的滑轮组机构完成的，该滑轮组机构包括四个滑轮、一个主动轮和一条摩擦系数极大的传送带。连接在步进电机转轴上的主动轮的每次转动，均使传送带转过一个定长距离，即令底座41旋转90°，使发射物镜42位于某一波长的发射光轴上。通过上述处理措施，即可保证不同位置的激光光束发射的同轴性。
步进电机驱动系统5的一种电路实现方式如图9所示，是由压发开关、脉冲发生器、反馈及保护电路、驱动芯片和步进电机构成。其中，外置的压发开关每按发一次，就提供步进电机驱动系统工作的一个触发信号；控制芯片包括脉冲发生器和反馈及保护电路两部分，用于提供步进电机转动的控制脉冲信号；驱动芯片用于提供驱动步进电机转动的脉冲电流，与步进电机直接耦合。
本发明的系统流程是：编码控制模块1根据四种不同激光光源的编码特征，提供包含相应激光光场信息的四种数字编码信号，该数字编码信号经接口电路12输入到集成化驱动电源2中，使集成化驱动电源2输出能够满足激光光源驱动要求的电脉冲驱动信号，控制在同一正方体衬底31上生长的四个半导体外延层32（即一体化激光发射单元3上的四个激光二极管的PN结），对应发射出0.865μm（LED）、0.9μm、1.06μm或1.55μm这四种红外波长的脉冲激光光束。对上述四种红外波长的激光脉冲具有较高发射效率的旋转定位式发射物镜组4，通过步进电机驱动系统5的控制，使其能够在光学系统所在主面内360°转动，每次旋转90°，使旋转定位式发射物镜组4上的发射物镜42对准某个波长的LD/LED发射光源的发射光轴，从而对该波长的脉冲激光光束进行准直和发射。
Claims (1)
1.一种多波长一体化红外半导体激光光源，其特征是，包括有：
编码控制模块，与集成化驱动电源相接，用于向所述集成化驱动电源发出对应四路LD/LED发射光源的不同编码信号，为上述多波长一体化红外半导体激光光源提供所需的激光光场信息；
集成化驱动电源，分别与所述编码控制模块和一体化激光发射单元相接，用于根据接收的编码信号，向一体化激光发射单元发出四路LD/LED发射光源中某一路LD/LED发射光源工作所需的驱动电流信号；
一体化激光发射单元，分别与所述集成化驱动电源和旋转定位式发射物镜组相接，用于根据接收的驱动电流信号，驱动四路LD/LED发射光源中的一路LD/LED发射光源发出激光束；在所述一体化激光发射单元中包含具有0.86μm、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种红外波长的四路LD/LED发射光源；
旋转定位式发射物镜组，分别与所述一体化激光发射单元和步进电机驱动系统相接，用于将所述一体化激光发射单元中各路LD/LED发射光源所发射的激光束准直为平行光束；以及
步进电机驱动系统，与所述旋转定位式发射物镜组相接，用于控制所述旋转定位式发射物镜组旋转定位到所述一体化激光发射单元中工作的一路LD/LED发射光源上；
所述编码控制模块包括固化有包含四路LD/LED发射光源编码信息的FPGA集成芯片和与所述FPGA集成芯片相接并输出编码信号的接口电路；所述接口电路为TTL共享式接口电路，其四路输入端接所述FPGA集成芯片，其输出端接所述集成化驱动电源，向所述集成化驱动电源发出编码信号，为多波长红外半导体激光光源提供所需的四种激光光场信息；
所述一体化激光发射单元是在GaN正方体衬底的四个侧面上利用MOCVD工艺生长出作为四路LD/LED发射光源的半导体外延层；所述GaN正方体衬底与所述半导体外延层内嵌于激光发射单元封装结构的中心位置，所述半导体外延层的发光面位于光学焦平面的位置上；
在所述集成化驱动电源上设有对应于四路LD/LED发射光源的四个控制信号端和四个激光光源供电端；所述控制信号端分别与所述编码控制模块相连接，所述四个激光光源供电端分别连接在所述GaN正方体衬底上的四个半导体外延层上；
所述旋转定位式发射物镜组包括一个正方形的底座，在所述底座的正面偏心位置上设置有发射物镜，在所述底座的背面四角上分别设置一个滑轮，四个所述滑轮构成滑轮组，所述滑轮组与步进电机驱动系统相接；所述发射物镜通过所述底座背面的所述滑轮组与传送带和步进电机相连，实现平面360°的转动，以对应所述GaN正方体衬底上的某一个所述半导体外延层，使对应于四个所述半导体外延层上的0.865μm、0.9μm、1.06μm和1.55μm四种红外波长的激光光束具有良好发射准直效果，以此保证在所述GaN正方体衬底不同位置上的所述半导体外延层所发激光光束保持同轴性。
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