大功率半導體激光器老化系統(tǒng)設計

曹軍勝

（中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所，長春 130033）

0 引言

大功率半導體激光器及大功率半導體激光器泵浦固體激光器在材料加工、激光打標、激光測距、激光存儲、激光顯示、照明、激光醫(yī)療等民用領域，以及激光制導、激光夜視、激光武器等軍用領域得到廣泛應用[1-2]，已成為影響國民經(jīng)濟發(fā)展和國防安全保障的核心電子器件。

半導體激光器的老化系統(tǒng)對器件的研制單位、生產(chǎn)單位和使用單位都具有十分重要的意義。老化是評價半導體激光器壽命的基本方法，老化方法分為恒流老化和恒功率老化，恒流老化是通過考核一定電流下光功率的變化（如下降到初始值的80%）用外推公式預測該器件的實際使用壽命；恒功率老化是通過考核一定光功率下驅(qū)動電流的變化（如增加到初始值的120%）來外推。

本文介紹了一種可供60支器件同時老化的大功率半導體激光器老化系統(tǒng)，可對每個參加老化器件的工作電流、工作電壓、輸出光功率等參數(shù)進行定時采集，并對熱沉溫度、循環(huán)冷卻水的流量、水壓進行實時監(jiān)測，具有功能完備、可靠性高的優(yōu)點，可供大功率激光器的研制和應用單位推廣使用。

2 設計依據(jù)及主要技術(shù)指標

本老化系統(tǒng)可同時老化60支器件，每10支為1組，最大工作電流100A，單支器件最大電壓2V，器件工作波長為808nm或980nm，需定時采集每支被老化器件的工作電流、工作電壓、輸出光功率，并對熱沉溫度、循環(huán)冷卻水的流量、水壓進行實時監(jiān)測，如有異常則報警并斷電保護。

3 系統(tǒng)設計

3.1 總體方案

激光器老化系統(tǒng)包括激光器驅(qū)動電源、熱沉（含循環(huán)水系統(tǒng)）、信號調(diào)理系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)構(gòu)成。多支激光器同時老化時，其串并聯(lián)關(guān)系關(guān)系到驅(qū)動電源的設計。半導體激光器為電流注入式電致發(fā)光器件，其驅(qū)動電源一般為電流源，電壓為自適應，因此采用串聯(lián)方式更為適合，所有器件的工作電流精確一致，電壓自適應而互不干擾，即使發(fā)生某支器件短路情形，其余器件仍可正常繼續(xù)老化；如果發(fā)生斷路情況，則電流為0，老化終止，但不會損壞其余器件。相反，如果采用并聯(lián)方式，根據(jù)圖1所示的激光器V-I特性，閾值后激光器的電壓隨電流的增大變化很小，因此通過調(diào)節(jié)電壓不易精確控制其工作電流。另外，并聯(lián)方式下如果發(fā)生器件短路則可能會損壞激光器驅(qū)動電源。綜上所示，本老化系統(tǒng)采用串聯(lián)方式，每10支器件為一組，共分為6組，總的老化容量為60支器件。

圖2是激光器老化系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖，驅(qū)動電源給10支串聯(lián)器件提供驅(qū)動電流，被測器件安裝在通有循環(huán)水的熱沉上，激光器電流、電壓、光功率以及熱沉溫度、循環(huán)水流量、水壓等信號經(jīng)模擬信號調(diào)理模塊調(diào)理成0-5VDC的信號后，經(jīng)多路模擬開關(guān)、模數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，由微控制器通過RS232接口傳到上位機。需要說明的是，圖2畫出的僅為1組（10支器件），整個系統(tǒng)共用1臺上位機，但驅(qū)動電源、熱沉、數(shù)據(jù)采集模塊各6套。

圖1 半導體激光器的兩條特性曲線Fig.1 Two characteristic curves of the semiconductor laser

圖2 系統(tǒng)框圖Fig.2 System Block Diagram

圖3 電流測量原理Fig.3 Current measurement principle

圖4 電壓測量原理Fig.4 Voltage measurement principle

3.2 關(guān)鍵模塊設計

3.2.1 驅(qū)動電源

按照“最大工作電流100A，單支器件最大電壓2V”的設計要求，驅(qū)動電源工作在電流源模式下的最大輸出電流必須不小于100A，最大輸出電壓需不小于20V。事實上，考慮到導線壓降等因素，電源的額定電壓、電流應有一定裕度。激光器老化時間一般較長，因此對驅(qū)動電源的可靠性、輸出穩(wěn)定性等指標提出較高的要求。基于以上考慮，本系統(tǒng)采用了荷蘭DELTA電源公司的SM30-100D，最大輸出電壓30V，最大輸出電流100A，MTBF（平均無故障時間）達500000小時。

該電源可通過RS232接口控制，便于上位機設定輸出電流、電壓，并可讀出實際輸出值；另外還可以一主多從的方式多臺串并聯(lián)，上位機只需控制主機，從機即可實現(xiàn)同步輸出。

3.2.2 電流測量

由于每組10支器件為串聯(lián)關(guān)系，因此電流值相同，可在負載回路中串接低阻值大功率取樣電阻。由于額定電流為100A，根據(jù)熱功率計算公式P=I2R，可選擇0.01歐姆100W以上的鋁殼功率型繞線電阻器即可滿足要求，此時0-100A對應取樣電壓0-1V，可用差分放大器放大4倍即可映射到0-4V以便采集模塊采集（如圖3）。

值得注意的是：1）為了降低差分放大器輸入端的共模電壓，需將取樣電阻接在回路靠近負極的地方，并且將DELTA電源輸出負極與信號調(diào)理模塊的GND連接；2）為了安裝可靠性并考慮到散熱，建議將取樣電阻與激光器并排安裝于水冷熱沉。

3.2.3 電壓測量

由于10支器件為串聯(lián)方式，每支器件的結(jié)電壓原則上需要通過差分放大器提取，但考慮到以下原因轉(zhuǎn)而采用單端電壓測量法：

1）10支器件串聯(lián)后的電壓接近20V，用差分放大器直接提取則共模電壓過高。

2）采用器件數(shù)量過多，繁瑣。

3）實際意義不大，老化系統(tǒng)的目的是監(jiān)測器件狀態(tài)的變化而并非精確測量。

本系統(tǒng)設計了一種簡潔有效的低成本方案，如圖4所示，將10支器件兩端11個抽頭的電壓分壓1/10后測量（圖5為分壓電路），然后用軟件方法兩兩相減并乘以10即可獲得10支器件各自的電壓。

圖5 隔離分壓電路Fig.5 Isolation voltage dividing circuit

圖6 光電測量電路Fig.6 Optical measurement circuit

圖7 溫度測量原理Fig.7 Temperature measurement principle

3.2.4 光功率測量

由于被測激光器的波長為808nm和980nm，因此選擇響應范圍為400-1100nm的硅探測器作為光電傳感器。光功率傳感器為安裝在每個激光器附近的光電二極管，首先必須保證光電二極管在激光器的工作范圍內(nèi)不能飽和，這由機械工裝決定。

光電轉(zhuǎn)換原理：如圖6所示，光電二極管PD處于零偏置狀態(tài)，其等效負載電阻為零，此時PD輸出電流I與光照度有極好的線性關(guān)系，運算放大器A輸出電壓VO等于光電池短路電流I與放大器反饋電阻R的乘積，即VO=IR。具體電路參數(shù)需進一步實驗驗證，盡量使光功率0-P0對應輸出電壓0-4V。

3.2.5 熱沉溫度測量采用PT1K傳感器安裝于熱沉，PT1K在0~+100℃對應阻值為1000~1385Ω；可選擇適當?shù)姆謮弘娮韬筒罘址糯蟊稊?shù)，將0~+100℃對應輸出電壓映射為0-4V。為保證測量精度，可采用LDO低壓差線性穩(wěn)壓芯片為傳感器電路供電，如圖7所示。

3.2.6 流量和水壓測量

循環(huán)水流量測量采用Proteus流量傳感器（變送器）測量，該傳感器采用+24VDC供電，可直接輸出0-5VDC的標準電壓信號供采集系統(tǒng)采集，5V對應流量為4.5GPM，約17升每分鐘。水壓測量擬采用標準的水壓變送器如PTG504。該產(chǎn)品主要參數(shù)如下。

輸入壓力：-100KPa-0.6MPa

供電電壓：24VDC（12～36VDC）

輸出電壓：0～5VDC

連接方式：可擴展為法蘭接連、快速接口連接、毛細管連接等。

4 結(jié)束語

激光器老化系統(tǒng)對于激光器的研制單位、生產(chǎn)單位、使用單位均具有重要意義，是器件壽命評價的基本方法。研制單位通過老化試驗改進設計和制備工藝、提高產(chǎn)品性能；生產(chǎn)單位更是需要對批量產(chǎn)品進行抽樣老化，以分析產(chǎn)品的合格率和預期壽命；部分激光器的使用單位（特別是武器系統(tǒng)、航空航天等高可靠應用領域）也需要通過老化試驗來篩選高可靠的器件。另外，老化方法還是新的可靠性評估方法的驗證手段，例如電導數(shù)方法、電噪聲方法是目前有代表性的兩種可靠性無損檢測方法[3-6]，其可靠性檢測判據(jù)必須經(jīng)過老化試驗的驗證。本文介紹的可供60支器件同時老化的大功率半導體激光器老化系統(tǒng)，可對每個參加老化器件的工作電流、工作電壓、輸出光功率等參數(shù)進行定時采集，并對熱沉溫度、循環(huán)冷卻水的流量、水壓進行實時監(jiān)測，具有功能完備、可靠性高的優(yōu)點，可供大功率激光器的研制和應用單位推廣使用。

[1]張靖,劉剛明,田坤,等.大功率半導體激光器最新研究進展[J].半導體光電,2007,28(2):151-155.

[2]高劭宏,黃德修,高彥錕,等.用于光通信系統(tǒng)的可調(diào)諧半導體激光器[J].半導體光電,2005,26(1):1-5.

[3]Hongyan Li,Liyun Qi,Jiawei Shi,et al.Effective method for evaluation of semiconductor laser quality[J].Microelectronics Reliability,40 (2000):333-337.

[4]李紅巖,石家緯,金恩順,等.電導數(shù)測試用于大功率半導體激光器的快速篩選[J].中國激光,Vol.A26,No.6,1999:507-510.

[5]石家緯,金恩順,李紅巖,等.一個檢測半導體激光器質(zhì)量的有效方法[J].半導體學報,1996,17(8):596-600.

[6]張爽,郭樹旭,郭欣,等.激光器陣列的非本征理想因子[J].半導體學報,2007,28(5):87-92.