CN112051036B - 一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法及装置 - Google Patents
一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法及装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法及装置，能够更加准确、客观地得出发生COMD的驱动电流和峰值功率，从而指导高峰值功率半导体激光器的使用方法。针对高峰值功率半导体激光器阵列器件，在水平和/或垂直方向不同的反馈位置，通过在试验环境下主动设置反射镜模拟实际工作环境下的反馈光，测试发生COMD的驱动电流和峰值功率；另外，还调整反射镜的反射率(反射率1％‑10％)模拟不同的反馈强度。本发明能够更加准确、客观地得出发生COMD的驱动电流和峰值功率，方法简便、可靠，以此指导高功率半导体激光器的使用方法，可大大提高激光器产品寿命和可靠性；装置结构简明，工作稳定、准确，便于实现。
Description
技术领域
本发明涉及一种半导体激光器腔面光学灾变损伤相关参数的测试方法及装置。
背景技术
半导体激光器阵列作为多发光点的功率器件，输出功率高，腔面光学灾变损伤(COMD)是制约其功率和寿命的最大技术瓶颈。在实际使用过程中，不同强度的回反光导致腔面烧毁、功率降低、寿命缩短，主要原因是腔面局域部位承受大的光功率密度，导致该区域温度升高，发生恶性循环，导致器件发生COMD烧毁，寿命和可靠性大幅度降低。
目前，针对半导体激光器腔面光学灾变损伤测试的主要通过功率计直接对器件的峰值功率进行测试，例如常见的测试模式是：占空比0.1％，脉冲宽度100μs，重复频率10Hz，增加驱动电流，直到器件的峰值功率发生明显降低，从而得出导致半导体激光器发生腔面光学灾变损伤的峰值功率。其原理是：发生腔面光学灾变损伤后，激光器的腔面膜烧毁，无法提供足够的反射率，导致器件的功率降低。
目前的测试方法都是在理想的试验环境下仅通过增加驱动电流进行腔面光学灾变损伤(COMD)峰值功率的测试，没有考虑到外部反馈光的条件，也没有认识到发生COMD烧毁的腔面位置特点。而申请人注意到，半导体激光器在实际使用过程中，来自外部反馈光导致器件早期发生腔面光学灾变损伤的情况非常多，外部的回返光是导致器件腔面烧毁的主要因素。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法及装置，能够更加准确、客观地得出发生COMD的驱动电流和峰值功率，从而指导高峰值功率半导体激光器的使用方法。
本发明的技术方案如下：
第一方面，一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法，通过大电流脉冲电源(＞1000A)驱动待测半导体激光器阵列，同时在待测半导体激光器阵列的出射光路上通过设置功率计在线测量激光器的COMD峰值功率，包括以下步骤：
1)脉冲电源以设定的初始电流驱动待测半导体激光器阵列，在待测半导体激光器阵列的出射光路上设定距离处的外围发散区域设置反射镜，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；所述初始电流满足反射镜无论设置于何处，待测半导体激光器阵列均不发生COMD烧毁；然后，定量增大待测半导体激光器阵列的驱动电流；
2)反射镜固定位置保持设定时长，判断功率计在线测量的激光功率是否发生突然降低；发生COMD烧毁的临界功率(峰值功率)通常为激光器额定输出功率的2倍以上，在此之前，激光器的输出功率是持续增大的；
如果是，则判定发生COMD烧毁，根据反射镜当前的位置和角度信息，确定待测半导体激光器阵列发生COMD烧毁的腔面位置；然后更换同批次另一待测半导体激光器阵列，执行步骤3)；
如果否，则认为未发生COMD烧毁，继续执行步骤3)；
3)在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，必要时调整角度，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；再次执行步骤2)；
4)多次执行步骤3)，从而遍历多个不同的反馈位置；
如果至少有一个反馈位置发生了COMD烧毁，则记录此时的峰值功率和驱动电流以及发生COMD烧毁的腔面位置，测试结束；
如果均未发生COMD烧毁，则继续定量增大待测半导体激光器阵列的驱动电流，再次执行步骤2)至步骤4)。
进一步地，所述初始电流的值可以直接取经验值，也可以按照以下步骤确定：
a)按照1.5～2倍额定功率加载相应的驱动电流；
b)反射镜固定位置保持设定时长，判断功率计在线测量的激光功率是否发生明显降低；
如果是，则判定发生COMD烧毁，取同批次另一待测半导体激光器阵列重新测试，并减小驱动电流；然后重新执行步骤b)；
如果否，则认为未发生光学灾变损伤，执行步骤c)；
c)在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，并调整角度，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；再次执行步骤b)；
d)多次执行步骤c)，从而遍历多个不同的反馈位置，满足当前功率条件下均未发生COMD烧毁时，确定当前的驱动电流为初始电流。
进一步地，步骤2)中，反射镜固定位置保持设定时长为5-10分钟。
进一步地，步骤3)中在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，具体可以是：使反射镜相对于待测半导体激光器阵列先沿垂直方向上的圆弧以设定步长移动，然后沿水平方向上的圆弧以设定步长移动；或者，设置两个反射镜，分别沿垂直和水平两个方向上的圆弧以设定步长移动。
进一步地，在保持驱动电流不变的情况下，还进行改变反射镜的反射率，再次遍历多个不同的反馈位置。
进一步地，所述改变反射镜的反射率，是通过更换不同的反射镜，或在镜面上设置不同反射率的反光膜；反射率调节范围为1％-10％。
第二方面，一种高功率半导体激光器的使用方法，在运行前或运行过程中，针对上述测试方法中确定的发生COMD烧毁的腔面位置，抑制或消除环境中对应位置和角度的反馈光因素；并确保高功率半导体激光器运行于所述峰值功率以下。
第三方面，一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试装置，包括驱动电源和功率计，所述功率计设置于待测半导体激光器阵列的出射光路上；其特征在于，还包括控制器和至少一组反射镜及其驱动调节组件，其中驱动调节组件用于驱动反射镜以待测半导体激光器阵列为圆心作弧线移动，并使反射镜反馈的激光反射到激光器的腔面上(使得激光腔面局域位置的光强叠加增强,促使在腔面处产生更高的光功率密度,从而诱发产生腔面光学灾变损伤烧毁)；所述控制器用于采集待测半导体激光器阵列的驱动电流和功率计测量的输出功率，通过控制所述驱动电源和驱动调节组件实现上述的测试方法(控制器中的处理器加载运行存储器上的程序从而实现上述的测试方法)。
进一步地，所述反射镜在空间上位于待测半导体激光器阵列与功率计探测面之间，弧线移动的位置避开功率计的探测面。
进一步地，该测试装置还包括用于固定安装待测半导体激光器阵列的定位平台，待测半导体激光器阵列在所述定位平台上的固定方位可调(例如垂直放置、水平放置)；所述驱动调节组件包括摆臂、转接件和步进电机，所述摆臂安装于定位平台下方，并与定位平台上待测半导体激光器阵列的安装平面平行，摆臂的固定端由步进电机驱动旋转，旋转轴与待测半导体激光器阵列的中心同轴，并与所述安装平面垂直；所述反射镜通过转接件安装于摆臂的自由端，使反射镜与待测半导体激光器阵列的中心处于同一高度。
这里所说的水平方向、垂直方向为相对的概念，而并不限于空间上的绝对方位，其旨在便于表述反射镜以不同的方向(典型设计为正交方向)移动形成来自不同方向的反馈光，从而模拟产品实际运行环境。
上述转接件可以采用转轴，便于根据需要调节反射镜偏转。当然，如果严格按照以待测半导体激光器阵列为圆心作弧线移动，通常也不需要再调节反射镜的偏转角度。
本发明具有以下优点：
本发明充分考虑到了产品实际工作状况，能够更加准确、客观地得出发生COMD的驱动电流和峰值功率，方法简便、可靠，以此指导高功率半导体激光器的使用方法，可大大提高激光器产品寿命和可靠性。
本发明的装置结构简明，工作稳定、准确，便于实现。
附图说明
图1为本发明的原理示意图。
图2为反射镜相对于待测半导体激光器阵列沿垂直方向移动的示意图。
图3为反射镜相对于待测半导体激光器阵列沿水平方向移动的示意图。
附图标号说明：
1-待测半导体激光器阵列；2-驱动电源；3-功率计；4-冷却系统；5-反射镜(移动轨迹)；6-定位平台(及步进电机)；7-摆臂。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详述。应当认识到，以下内容并非对本申请权利要求方案的限定。
正常的半导体激光器存在腔面光功率密度的损伤阈值，该阈值就是腔面能承受的最大光功率密度，合格的半导体激光器都是通过腔面钝化和镀膜，将前腔面承受的光功率密度最大化，以此来实现高的功率输出。而实际上，由于半导体激光器巴条存在一些非线性光学现象，如空间烧孔，光丝等，使得巴条的光强分布不均匀，有些位置光强增强，有些位置光强减弱，而光强增强的位置长时间工作，腔面极易发生光学灾变损伤烧毁，如果外部某些位置产生反馈光也在光强增强的位置叠加，更是增加了腔面的烧毁的几率。
高峰值功率半导体激光器阵列芯片包含多个发光点(40-60个)，腔长通常为1-6mm，宽度10mm，厚度0.12mm，输出功率可达100-1000W/bar。随着高峰值功率半导体激光器阵列的使用条件复杂化，由于外部反馈引起的回反光导致的腔面光学灾变损伤现象极易发生，外部反馈的光在激光芯片的腔面处叠加，导致腔面的光功率密度增加，腔面温度升高，腔面处带隙收缩，进一步加剧了光吸收，形成恶性循环，最后导致腔面烧毁。
本实施例针对高峰值功率半导体激光器阵列器件，为了研究不同位置回返光对腔面光学灾变损伤的影响，在水平和/或垂直方向不同的反馈位置，通过在试验环境下主动设置反射镜模拟实际工作环境下的反馈光，测试发生COMD的驱动电流和峰值功率。另外，还可调整反射镜的反射率(反射率1％-10％)，模拟不同的反馈强度。
如图2、图3所示，一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试装置，包括定位平台6、驱动电源2、功率计3、至少一组反射镜5及其驱动调节组件，功率计3设置于待测半导体激光器阵列1的出射光路上；驱动调节组件用于驱动反射镜5以待测半导体激光器阵列为圆心作弧线移动，并使激光反射到激光器的腔面上；待测半导体激光器阵列在定位平台上的固定方位可调(垂直放置/水平放置)；驱动调节组件包括摆臂7、转接件和步进电机，所述摆臂安装于定位平台6下方，并与定位平台上待测半导体激光器阵列的安装平面平行，摆臂7的固定端由步进电机驱动旋转，旋转轴与待测半导体激光器阵列1的中心同轴，并与所述安装平面垂直；反射镜5通过转接件安装于摆臂的自由端，使反射镜与待测半导体激光器阵列的中心处于同一高度。
如图2所示，将待测半导体激光器阵列水平放置在定位平台上，此时驱动摆臂可使反射镜相对于待测半导体激光器阵列沿垂直方向移动。
如图3所示，将待测半导体激光器阵列垂直放置在定位平台上，此时驱动摆臂可使反射镜相对于待测半导体激光器阵列沿水平方向移动；
调节摆臂自由端的反射镜角度，使得激光反射到激光器的腔面上，增加激光器的驱动电流，记录发生COMD烧毁的功率和电流。测试过程中，反射镜移动位置应避开激光功率计的探测面。
具体通过步进电机控制摆臂移动，步进电机的移动的步长通过数据采集卡和计算机控制，在摆臂移动的初始值为0，也就是角度为0，当摆臂移动距离到最大值时，对应的角度为180度，设置等间隔的步长，可以得到相应的移动角度。与反射镜连接的摆臂可以对反射镜微调，确保反射镜在摆臂移动时，以待测半导体激光器阵列芯片中心为圆心沿着圆弧运动。
本实施例通过在半导体激光器列阵与功率计之间的光路外围设置反射镜提供外部反馈，遍历水平和垂直两个方向的反馈位置，加速腔面的退化，反射镜的反射率在1％-10％之间，通过大电流脉冲电源驱动(0-2000A)，利用功率计实时检测当前半导体激光器阵列芯片的峰值功率，记录发生COMD时的峰值功率和驱动电流。通过分析角度和位置信息，确定哪些反馈位置容易造成COMD烧毁，从而指导高峰值功率半导体激光器的使用方法，在使用过程中避免在某些位置和角度产生回返光，以提高器件的工作寿命。
基于以上装置，通过大电流脉冲电源驱动待测半导体激光器阵列，同时在待测半导体激光器阵列的出射光路上通过设置功率计在线测量激光器的COMD峰值功率，具体实现半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率测试的方法，包括以下步骤：
1)脉冲电源以设定的初始电流驱动待测半导体激光器阵列，在待测半导体激光器阵列的出射光路上设定距离处的外围发散区域设置反射镜，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；所述初始电流满足反射镜无论设置于何处，待测半导体激光器阵列均不发生COMD烧毁；然后，定量增大待测半导体激光器阵列的驱动电流；
2)反射镜固定位置保持设定时长(一般为5-10分钟)，判断功率计在线测量的激光功率是否发生突然降低；发生COMD烧毁的临界功率(峰值功率)通常为激光器额定输出功率的2倍以上，在此之前，激光器的输出功率是持续增大的；
如果是，则判定发生COMD烧毁，根据反射镜当前的位置和角度信息，确定待测半导体激光器阵列发生COMD烧毁的腔面位置；然后更换同批次另一待测半导体激光器阵列，执行步骤3)；
如果否，则认为未发生COMD烧毁，继续执行步骤3)；
3)在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，必要时调整角度，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；再次执行步骤2)；在本步骤，还可在保持驱动电流不变的情况下，改变反射镜的反射率，再次遍历多个不同的反馈位置。具体可以是更换不同的反射镜，或在镜面上设置不同反射率的反光膜；
4)多次执行步骤3)，从而遍历多个不同的反馈位置；
如果至少有一个反馈位置发生了COMD烧毁，则记录此时的峰值功率和驱动电流以及发生COMD烧毁的腔面位置，测试结束；
如果均未发生COMD烧毁，则继续定量增大待测半导体激光器阵列的驱动电流，再次执行步骤2)至步骤4)。
上述初始电流的值可以直接取经验值，也可以按照以下步骤确定：
a)按照1.5～2倍额定功率加载相应的驱动电流；
b)反射镜固定位置保持设定时长，判断功率计在线测量的激光功率是否发生明显降低；
如果是，则判定发生COMD烧毁，取同批次另一待测半导体激光器阵列重新测试，并减小驱动电流；然后重新执行步骤b)；
如果否，则认为未发生光学灾变损伤，执行步骤c)；
c)在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，并调整角度，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；再次执行步骤b)；
d)多次执行步骤c)，从而遍历多个不同的反馈位置，满足当前功率条件下均未发生COMD烧毁时，确定当前的驱动电流为初始电流。
这样在运行前或运行过程中，针对上述测试方法中确定的发生COMD烧毁的腔面位置，抑制或消除环境中对应位置和角度的反馈光因素，并确保高功率半导体激光器运行于所述峰值功率以下，可保证避免产品发生COMD烧毁。
Claims (10)
1.一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法，通过大电流脉冲电源驱动待测半导体激光器阵列，同时在待测半导体激光器阵列的出射光路上通过设置功率计在线测量激光器的COMD峰值功率，其特征在于，包括以下步骤：
1)脉冲电源以设定的初始电流驱动待测半导体激光器阵列，在待测半导体激光器阵列的出射光路上设定距离处的外围发散区域设置反射镜，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；所述初始电流满足反射镜无论设置于何处，待测半导体激光器阵列均不发生COMD烧毁；然后，定量增大待测半导体激光器阵列的驱动电流；
2)反射镜固定位置保持设定时长，判断功率计在线测量的激光功率是否发生突然降低；
如果是，则判定发生COMD烧毁，根据反射镜当前的位置和角度信息，确定待测半导体激光器阵列发生COMD烧毁的腔面位置；然后更换同批次另一待测半导体激光器阵列，执行步骤3)；
如果否，则认为未发生COMD烧毁，继续执行步骤3)；
3)在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；再次执行步骤2)；
4)多次执行步骤3)，从而遍历多个不同的反馈位置；
如果至少有一个反馈位置发生了COMD烧毁，则记录此时的峰值功率和驱动电流以及发生COMD烧毁的腔面位置，测试结束；
如果均未发生COMD烧毁，则继续定量增大待测半导体激光器阵列的驱动电流，再次执行步骤2)至步骤4)。
2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法，其特征在于，所述初始电流的值按照以下步骤确定：
a)按照1.5～2倍额定功率加载相应的驱动电流；
b)反射镜固定位置保持设定时长，判断功率计在线测量的激光功率是否发生明显降低；
如果是，则判定发生COMD烧毁，取同批次另一待测半导体激光器阵列重新测试，并减小驱动电流；然后重新执行步骤b)；
如果否，则认为未发生光学灾变损伤，执行步骤c)；
c)在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，并调整角度，使得待测半导体激光器阵列的部分发散光经该反射镜反馈至激光器的腔面上；再次执行步骤b)；
d)多次执行步骤c)，从而遍历多个不同的反馈位置，满足当前功率条件下均未发生COMD烧毁时，确定当前的驱动电流为初始电流。
3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法，其特征在于，步骤2)中，反射镜固定位置保持设定时长为5-10分钟。
4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法，其特征在于，步骤3)中在所述设定距离处沿以待测半导体激光器阵列为中心的球面移动反射镜，具体是：使反射镜相对于待测半导体激光器阵列先沿垂直方向上的圆弧以设定步长移动，然后沿水平方向上的圆弧以设定步长移动；或者设置两个反射镜，分别沿垂直和水平两个方向上的圆弧以设定步长移动。
5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法，其特征在于，在保持驱动电流不变的情况下，还进行改变反射镜的反射率，再次遍历多个不同的反馈位置。
6.根据权利要求5所述的一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试方法，其特征在于，所述改变反射镜的反射率，是通过更换不同的反射镜，或在镜面上设置不同反射率的反光膜；反射率调节范围为1％-10％。
7.一种高功率半导体激光器的使用方法，其特征在于，在运行前或运行过程中，针对权利要求1中所述测试方法中确定的发生COMD烧毁的腔面位置，抑制或消除环境中对应位置和角度的反馈光因素；并确保高功率半导体激光器运行于所述峰值功率以下。
8.一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试装置，包括驱动电源和功率计，所述功率计设置于待测半导体激光器阵列的出射光路上；其特征在于，还包括控制器和至少一组反射镜及其驱动调节组件，其中驱动调节组件用于驱动反射镜以待测半导体激光器阵列为圆心作弧线移动，并使反射镜反馈的激光反射到激光器的腔面上；所述控制器用于采集待测半导体激光器阵列的驱动电流和功率计测量的输出功率，通过控制所述驱动电源和驱动调节组件实现权利要求1所述的测试方法。
9.根据权利要求8所述的一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试装置，其特征在于，所述反射镜在空间上位于待测半导体激光器阵列与功率计探测面之间，弧线移动的位置避开功率计的探测面。
10.根据权利要求8所述的一种半导体激光器腔面光学灾变损伤峰值功率的测试装置，其特征在于，还包括用于固定安装待测半导体激光器阵列的定位平台，待测半导体激光器阵列在所述定位平台上的固定方位可调；所述驱动调节组件包括摆臂、转接件和步进电机，所述摆臂安装于定位平台下方，并与定位平台上待测半导体激光器阵列的安装平面平行，摆臂的固定端由步进电机驱动旋转，旋转轴与待测半导体激光器阵列的中心同轴，并与所述安装平面垂直；所述反射镜通过转接件安装于摆臂的自由端，使反射镜与待测半导体激光器阵列的中心处于同一高度。
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2020
- 2020-08-26 CN CN202010871787.4A patent/CN112051036B/zh active Active
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| Publication number | Publication date |
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