專利名稱：穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
穩(wěn)本實用新型涉及激光，特別是一種用于泵浦固體激光器的半導(dǎo)體激光
器工作波長穩(wěn)定裝置。
背景技術(shù)：
大功率半導(dǎo)體激光器泵浦的全固態(tài)激光器，是近幾年發(fā)展的一個熱點(diǎn)。 與閃光燈泵浦光源相比，半導(dǎo)體激光器泵浦光源有突出的優(yōu)點(diǎn)。半導(dǎo)體激光 器的電光轉(zhuǎn)換效率高、體積小、使用方便。更重要的是其光譜與激光材料的 吸收光譜匹配好，因此產(chǎn)生的熱效應(yīng)小，十分有利于提高固體激光器的工作 穩(wěn)定性和光束質(zhì)量。
但是，半導(dǎo)體激光器的發(fā)光波長隨其工作溫度變化很大。這一溫度關(guān)系 主要來源于半導(dǎo)體材料禁帶寬度的溫度關(guān)系，它可以表示為
<formula>formula see original document page 3</formula> 式中溫度r為半導(dǎo)體激光器激活區(qū)，即半導(dǎo)體p-N結(jié)區(qū)的溫度，簡稱為結(jié)溫。
<為激光器激射波長的溫度系數(shù)。對于常用的800nm波段泵浦光源的AlGaAs 激光器，波長溫度系數(shù)大約為< =5、 /5r * 0.3"m/《。在半導(dǎo)體激光器工作時，
外加注入電流在結(jié)區(qū)轉(zhuǎn)化為激光能量，同時也有相當(dāng)大的一部分轉(zhuǎn)化為發(fā)熱。 半導(dǎo)體結(jié)區(qū)溫升的大小一般用半導(dǎo)體激光器的熱阻^來描述
<formula>formula see original document page 3</formula>
式中尸H為電流產(chǎn)生的熱功率。電流注入的總功率可以分為熱功率&和激光功
率尸L兩部分<formula>formula see original document page 3</formula>式中K為結(jié)電壓，K為
激光器串聯(lián)電阻上的壓降，仇為發(fā)光效率。半導(dǎo)體激光器的激光波長也將隨
著半導(dǎo)體激光器的結(jié)溫的變化而變化<formula>formula see original document page 3</formula>
為了保證半導(dǎo)體激光器輸出符合要求的功率和工作波長，要對半導(dǎo)體激
光器進(jìn)行致冷和溫度控制。常規(guī)的致冷溫控系統(tǒng)的框圖如圖1所示。圖中1
為半導(dǎo)體激光器的芯片(Bar); 2為激光器的熱沉，也是給激光器供電的正極；
3為激光器的上電極；4為絕緣墊塊；5為熱敏電阻；6為比較器；7為放大器； 8為半導(dǎo)體致冷器電源；9為半導(dǎo)體致冷器；IO為半導(dǎo)體致冷器的散熱器；11 為半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源。致冷溫控系統(tǒng)工作時，通過比較器6設(shè)定所需的 激光器熱沉溫度。響應(yīng)的電阻值與測量得到的熱敏電阻5的電阻值作比較， 其差值經(jīng)過放大器7放大，調(diào)整半導(dǎo)體致冷器電源8輸出的工作電流，升高 或降低半導(dǎo)體致冷器9的工作點(diǎn)，達(dá)到溫度控制的目的。
在這一溫控系統(tǒng)中，工作波長與溫度的關(guān)系是事先測定的，再根據(jù)測定 的關(guān)系來設(shè)定控制溫度值。并沒有對半導(dǎo)體激光器的真實工作波長進(jìn)行實時 監(jiān)控。實際上，工作波長與溫度的關(guān)系是會變化的。尤其是隨著半導(dǎo)體激光 器在使用過程中的老化和退化，激光器的閾值電流、發(fā)光效率就會發(fā)生變化。 使用過程中激光器工作狀態(tài)也可能根據(jù)使用要求變化，而不能保持與激光器 安裝前進(jìn)行特性測量時相同。因此僅僅根據(jù)事先測定的波長溫度系數(shù)來確定 工作狀態(tài)，很可能并不是最佳的工作狀態(tài)。為此，穩(wěn)本實用新型提出一種直 接以工作波長為監(jiān)控參數(shù)的穩(wěn)定裝置。
發(fā)明內(nèi)容
穩(wěn)本實用新型要解決的技術(shù)問題在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一 種半導(dǎo)體激光器工作波長穩(wěn)定裝置，對半導(dǎo)體激光器工作波長進(jìn)行即時監(jiān)控， 使半導(dǎo)體激光器工作在最佳的工作狀態(tài)。
穩(wěn)本實用新型的技術(shù)解決方案如下
一種穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，該半導(dǎo)體激光器的芯片置于熱 沉上，該熱沉與半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的正極相連，激光器的上電極用絕緣 墊塊與熱沉隔離并與所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的負(fù)極相連，在所述的熱 沉上設(shè)有熱敏電阻， 一半導(dǎo)體致冷器的一面與所述的熱沉粘在一起，該半導(dǎo) 體致冷器的另一面是半散熱器， 一半導(dǎo)體致冷器電源對半導(dǎo)體致冷器供電， 其特點(diǎn)是在所述的芯片的后腔面設(shè)置一集光器，該集光器的輸出端經(jīng)導(dǎo)光光 纖接光纖耦合器，該光纖耦合器的輸出分為兩路 一路經(jīng)濾光片、第二探測 器與單片機(jī)的第一輸入端相連，另一路經(jīng)第一探測器與所述的單片機(jī)的第二 輸入端相連，所述的熱敏電阻的輸出端接所述的單片機(jī)的第三輸入端，所述 的單片機(jī)的第一輸出端與所述的半導(dǎo)體致冷器電源的控制端相連，所述的單 片機(jī)的第二輸出端與所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的控制端相連。所述的集光器是在一段光纖上制作一個或多個劈形凹槽制成的，每一個 劈形凹槽與所述的半導(dǎo)體激光器的條形發(fā)光區(qū)相對應(yīng)。所述的集光器為一段粗細(xì)相間的光纖。所述的集光器是在光纖端面上制作一個45。的反射面構(gòu)成。所述的集光器為一條傾斜寫入的長周期光纖光柵。所述的穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置的使用方法，特征在于包括下 列步驟① 設(shè)置半導(dǎo)體激光器的工作點(diǎn)，包括連續(xù)工作或脈沖工作、脈沖寬度、 重復(fù)頻率、驅(qū)動電流幅度以及這些參數(shù)的可容許范圍；② 起動后，熱敏電阻向單片機(jī)提供溫度信息，第一探測器和第二探測器 向單片機(jī)提供波長偏差信號，經(jīng)單片機(jī)匯總處理后，發(fā)出指令自動調(diào)整半導(dǎo) 體致冷器電源的驅(qū)動電流和半導(dǎo)體激光器電源驅(qū)動電流，以穩(wěn)定半導(dǎo)體激光 器的工作波長在所設(shè)定的范圍之內(nèi)。穩(wěn)本實用新型的技術(shù)效果穩(wěn)本實用新型對半導(dǎo)體激光器工作波長進(jìn)行即時監(jiān)控，使半導(dǎo)體激光器 工作在最佳的工作狀態(tài)。穩(wěn)本實用新型的特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)是一、 與常規(guī)的監(jiān)控?zé)岢翜囟认啾?，監(jiān)控激光波長直接地保證了激光波長 的準(zhǔn)確性，更適用于由于激光器工作條件變化(包括脈沖寬度、重復(fù)頻率、 波形、電流幅度等)時和器件退化情況下激射波長的監(jiān)控二、 利用激光器的后向出光，不影響前向激光輸出的性能；并可同時監(jiān) 控激光器正向的激光輸出功率。三、 通過導(dǎo)光光纖傳送到一定間距處進(jìn)行波長監(jiān)測，不影響激光器及其
組件的封裝結(jié)構(gòu)。四、采用的元件具有充分的可行性，價格低廉。

圖1為常規(guī)的致冷溫控系統(tǒng)的框圖,圖2為本實用新型的半導(dǎo)體激光器工作波長穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為本實用新型的部分結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖； 圖4為本實用新型集光器的具體結(jié)構(gòu)之一示意圖； 圖5為本實用新型集光器的具體結(jié)構(gòu)之二示意圖一一用于單條半導(dǎo)體 激光器的集光器的結(jié)構(gòu)；圖6為本實用新型集光器的具體結(jié)構(gòu)之三示意圖； 圖7為本實用新型集光器的具體結(jié)構(gòu)之四示意圖； 圖8為本實用新型波長和功率穩(wěn)定控制的流程圖。
具體實施方式
下面結(jié)合實施例和附圖對穩(wěn)本實用新型作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制 穩(wěn)本實用新型的保護(hù)范圍。穩(wěn)本實用新型半導(dǎo)體激光器工作波長穩(wěn)定裝置的結(jié)構(gòu)如圖2所示。圖中 101為集光器；101a為固定集光器101的粘結(jié)點(diǎn)；102為導(dǎo)光光纖；103為濾 光片；104為探測器；105為單片機(jī)。由圖可見，穩(wěn)本實用新型穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，該半導(dǎo)體激光器的芯片1置于熱沉2上，該熱沉2與 半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源11的正極相連，激光器的上電極3用絕緣墊塊4與熱 沉2隔離并與所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源U的負(fù)極相連，在所述的熱沉2 上設(shè)有熱敏電阻5， 一半導(dǎo)體致冷器9的一面與所述的熱沉2粘在一起，該半 導(dǎo)體致冷器9的另一面是散熱器10， 一半導(dǎo)體致冷器電源8對半導(dǎo)體致冷器 9供電，其特點(diǎn)是在所述的芯片1的后腔面設(shè)置一集光器101,該集光器101 的輸出端經(jīng)導(dǎo)光光纖102接光纖耦合器106，該光纖耦合器106的輸出分為兩 路 一路經(jīng)濾光片103、第二探測器104b與單片機(jī)105的第一輸入端相連， 另一路經(jīng)第一探測器104a與所述的單片機(jī)105的第二輸入端相連，所述的熱
敏電阻5的輸出端接所述的單片機(jī)105的第三輸入端，所述的單片機(jī)105的 第一輸出端與所述的半導(dǎo)體致冷器電源8的控制端相連，所述的單片機(jī)105 的第二輸出端與所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源ll的控制端相連。其中，集光器101的作用是將激光器芯片1的后向發(fā)射激光收集起來， 通過導(dǎo)光光纖102傳輸出來。這是利用了一般激光器兩個腔面都有激光輸出 的特性。后腔面輸出雖然比正面輸出小得多，但是可以用來作為光波長的監(jiān) 控。濾光片103為一個峰值波長為設(shè)定的控制波長的干涉濾光片。集光器101 收集的后向輸出光經(jīng)過導(dǎo)光光纖102經(jīng)光纖耦合器106分為兩路， 一路直接 被第一探測器104a接收，另一路經(jīng)濾光片103后被第二探測器104b接收。 激光器的激光波長與其峰值波長一致時，從第一探測器104a和第二探測器 104b產(chǎn)生的光電流之比最大；當(dāng)波長有偏離時，該比值將減小。由此，就可 以感知半導(dǎo)體激光器工作波長的變化。第一探測器104a的信號即時反映激光 輸出功率的大小，因此可以用來作為功率控制的反饋信號。這一變化傳送到 單片機(jī)105，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)105同時接收熱敏電阻5發(fā)送過來的溫度 信號。經(jīng)過數(shù)據(jù)處理判斷，確定半導(dǎo)體致冷器工作電流的調(diào)節(jié)幅度，通過致 冷器電源8，調(diào)整對半導(dǎo)體致冷器9 (置于半導(dǎo)體激光器熱沉2的下面，圖2 為頂視圖，沒有顯示致冷器)供電的電流，以維持激光器工作波長在設(shè)定的 波動幅度之內(nèi)。另一方面，單片機(jī)105根據(jù)使用要求，和第一探測器104a接 收的反饋信號，確定半導(dǎo)體激光器的工作電流，通過激光器驅(qū)動電源ll給出 激光器的工作電流。圖中3為激光器上電極，為了顯示安裝在下面的集光器 101，用虛線表示。圖3為穩(wěn)本實用新型部分結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖，顯示集光器101的安裝位置是 在激光器后腔面的后面。圖4為穩(wěn)本實用新型中的集光器101的具體結(jié)構(gòu)之一的示意圖。其特點(diǎn) 是在光纖上制作多個劈形凹槽101b，其作用是將一部分激光束反射耦合到光 纖的纖芯中去。圖中A為激光器的前向激光輸出；B為激光器的后向輸出；C 為在凹槽出反射的光束。 一般激光器芯片，寬度為1厘米，內(nèi)部包含有數(shù)十 個條形發(fā)光區(qū)，條寬為數(shù)百微米。每一條區(qū)都有前向和后向光束輸出。圖中作為一個示意畫了三個后向輸出光束B和側(cè)向反射光束C。正向輸出一般組 合使用，僅用一個箭頭表示。集光器101中制備的凹槽101b的個數(shù)及其間距， 與所用的激光器芯片的條數(shù)和間距相對應(yīng)。實際應(yīng)用中也常用僅由一個條區(qū) 構(gòu)成的半導(dǎo)體激光器，特別是單縱模激光器。此時，集光器只需要制作一個 凹槽作為反射器就可以了?；蛘咴诠饫w端面上制作一個45度角度反射面，就 可以作為集光器，如圖5中101c所示。圖6為穩(wěn)本實用新型集光器的具體結(jié)構(gòu)之三的示意圖。圖中集光器201 為一個粗細(xì)相間的光纖。后向的激光束在一系列粗細(xì)交界處發(fā)生反射或散射， 就會有一部分光波從兩個方向耦合進(jìn)入光纖的纖芯。光纖的兩端的輸出經(jīng)過 導(dǎo)光光纖102傳送到監(jiān)控單元1034，該單元包含濾光片103和第一探測器104a 和第二探測器104b。圖7為穩(wěn)本實用新型提出的集光器的具體結(jié)構(gòu)之四的示意圖。圖中集光 器301為一條傾斜寫入的長周期光纖光柵。根據(jù)布拉格衍射的原理，入射的 激光光波經(jīng)由光柵的衍射，轉(zhuǎn)換為光纖的纖芯模式，從而可以從導(dǎo)光光纖102 輸出，經(jīng)濾光片103鑒別、第一探測器104a和第二探測器104b接收，實現(xiàn) 對激光波長的監(jiān)控。所述的集光器101和集光器101b的制作可以采用光學(xué)微加工的方法實 現(xiàn)。集光器201的制作可以采用電火花的方法，對光纖進(jìn)行熔融加工實現(xiàn)； 也可以采用化學(xué)腐蝕的方法實現(xiàn)。集光器301的制作可以采用在掩模版下進(jìn) 行紫外輻照的方法實現(xiàn)。穩(wěn)本實用新型的波長穩(wěn)定控制流程如圖8所示。系統(tǒng)使用時，設(shè)置激光 器的工作點(diǎn)，主要包括連續(xù)工作或脈沖工作、脈沖寬度、重復(fù)頻率、驅(qū)動電 流幅度(對應(yīng)的輸出功率事先測定)以及這些參數(shù)的可容許范圍。起動后， 熱沉2的溫度檢測器件熱敏電阻5和穩(wěn)本實用新型的波長檢測器件同時開始 工作，提供波長偏差信號和溫度信息。穩(wěn)本實用新型的波長檢測器件構(gòu)成為 該集光器101的輸出端經(jīng)導(dǎo)光光纖102接光纖耦合器106，該光纖耦合器106 的輸出分為兩路 一路經(jīng)濾光片103、第二探測器104b與單片機(jī)105的第一 輸入端相連，另一路經(jīng)第一探測器104a與所述的單片機(jī)105的第二輸入端相 連，。經(jīng)單片機(jī)匯總處理后，判斷波長和輸出功率是否在設(shè)定范圍之內(nèi)？偏差 超過設(shè)定范圍，自動調(diào)整致冷器工作電流和激光器驅(qū)動電流，以維持在所設(shè) 定的范圍之內(nèi)。實驗和分析表明穩(wěn)本實用新型對半導(dǎo)體激光器工作波長進(jìn)行即時監(jiān)控， 使半導(dǎo)體激光器工作在最佳的工作狀態(tài)。通過監(jiān)控激光波長直接地保證了激 光波長的準(zhǔn)確性，同時監(jiān)控激光正向的輸出功率，不影響前向激光輸出的性 能，不影響激光器及其組件的封裝結(jié)構(gòu)，控制可靠，價格低廉。
權(quán)利要求1、一種穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，該半導(dǎo)體激光器的芯片(1)置于熱沉(2)上，該熱沉(2)與半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源(11)的正極相連，激光器的上電極(3)用絕緣墊塊(4)與熱沉(2)隔離并與所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源(11)的負(fù)極相連，在所述的熱沉(2)上設(shè)有熱敏電阻(5)，一半導(dǎo)體致冷器(9)的一面與所述的熱沉(2)粘在一起，該半導(dǎo)體致冷器(9)的另一面是散熱器(10)，一半導(dǎo)體致冷器電源(8)對半導(dǎo)體致冷器(9)供電，其特征是在所述的芯片(1)的后腔面設(shè)置一集光器(101)，該集光器(101)的輸出端經(jīng)導(dǎo)光光纖(102)接光纖耦合器(106)，該光纖耦合器(106)的輸出分為兩路一路經(jīng)濾光片(103)、第二探測器(104b)與單片機(jī)(105)的第一輸入端相連，另一路經(jīng)第一探測器(104a)與所述的單片機(jī)(105)的第二輸入端相連，所述的熱敏電阻(5)的輸出端接所述的單片機(jī)(105)的第三輸入端，所述的單片機(jī)(105)的第一輸出端與所述的半導(dǎo)體致冷器電源(8)的控制端相連，所述的單片機(jī)(105)的第二輸出端與所述的半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源(11)的控制端相連。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，其特征在 于所述的集光器(101)是在一段光纖上制作一個或多個劈形凹槽(101b)制 成的，每一個劈形凹槽(101b)與所述的半導(dǎo)體激光器的條形發(fā)光區(qū)相對應(yīng)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求l所述的穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，其特征在 于所述的集光器為一段粗細(xì)相間的光纖。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，其特征在 于所述的集光器是在光纖端面上制作一個45°的反射面構(gòu)成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，其特征在 f所述的集光器為一條傾斜寫入的長周期光纖光柵。
專利摘要一種穩(wěn)定半導(dǎo)體激光器工作波長的裝置，其特點(diǎn)是在激光器芯片的后腔面設(shè)置一集光器，該集光器的輸出端經(jīng)導(dǎo)光光纖接光纖耦合器，該光纖耦合器的輸出分為兩路一路經(jīng)濾光片、第二探測器與單片機(jī)的第一輸入端相連，另一路經(jīng)第一探測器與所述的單片機(jī)的第二輸入端相連，測量激光器熱沉溫度的熱敏電阻的輸出端接所述的單片機(jī)的第三輸入端，所述的單片機(jī)的第一輸出端接半導(dǎo)體致冷器電源的控制端，所述的單片機(jī)的第二輸出端與半導(dǎo)體激光器驅(qū)動電源的控制端相連。本實用新型通過監(jiān)控激光波長直接地保證了激光波長的準(zhǔn)確性，同時監(jiān)控激光正向的輸出功率，不影響前向激光輸出的性能；不影響激光器及其組件的封裝結(jié)構(gòu)；控制可靠，價格低廉。
文檔編號H01S5/00GK201018189SQ20072006721
公開日2008年2月6日 申請日期2007年2月9日 優(yōu)先權(quán)日2007年2月9日
發(fā)明者方祖捷, 瞿榮輝, 燦 程, 辛國鋒, 陳高庭 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所