專利名稱：千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及導體激光器壽命試驗系統(tǒng)，尤其涉及一種大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術：
隨著半導體激光技術的日趨成熟和應用領域的不斷擴展，大功率半導體激光器陣列的應用范圍已經(jīng)覆蓋了光電子學的諸多領域。大功率半導體激光器陣列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、激光打印、激光掃描、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。在這些應用領域中，器件的可靠性是一個重要指標。因此，可靠性和壽命測試的研究成為當前器件實用化和產(chǎn)業(yè)化的重點之一，需要對大功率半導體激光器陣列的壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)進行研制。近年來，國外也開展了大功率半導體激光器老化篩選及壽命試驗系統(tǒng)的研制，已有產(chǎn)品面世且價格不菲。德國ILX lightwave公司生產(chǎn)的LRS-9550大功率單bar條測試系統(tǒng)可進行溫度范圍為25°C _85°C、最大電流可到20A的大功率半導體激光器的老化篩選及壽命試驗，該系統(tǒng)最多可支持512個單bar器件的在線監(jiān)測，可同時進行不同溫度的多組別的老化及壽命試驗，并能夠對測試后的試驗數(shù)據(jù)進行分析和處理。美國國家宇航局(NASA) LaRc研究中心在承擔激光器風險減少計劃(LRRP)項目時，研究和設計了針對lOOW/bar的組件的老化及壽命試驗裝置。該裝置包括光學和電學測量兩部分，分別由一個光學和電學多路開關控制，受測器件采取水冷的方式進行溫度控制。該設備每一個受測器件對應一套光學參數(shù)采集儀器及一套激光驅動電源，成本很高，難以普及。國內(nèi)如中國地質大學、山東理工大學等高校及研究機構也有半導體激光器壽命試驗系統(tǒng)的相關研究報道，但均是針對小功率器件，對大功率器件難以推廣應用。目前，商用的大功率半導體激光器壽命試驗系統(tǒng)均是國外生產(chǎn)的產(chǎn)品，價錢很高。 企業(yè)引進這些設備的成本高、代價大，且面臨儀器設備的快速更新?lián)Q代所產(chǎn)生的貶值風險。 ILX lightwave公司生產(chǎn)的LRS-9550大功率單bar條測試系統(tǒng)，其最大電流只有20A，目前國內(nèi)已經(jīng)商品化的單bar條功率范圍為40W-120W，按50%的光電轉換效率計算，電流約為 40A-120A，超出了該系統(tǒng)的電流承受范圍。此外，該系統(tǒng)測試夾具均是針對單bar條設計， 對大功率半導體激光器陣列不適用。美國宇航局研制的壽命測試系統(tǒng)，每一個受測器件對應一臺激光驅動電源和一套參數(shù)采集儀器，當進行批量器件的壽命試驗時，成本會很高，造成資源的極大浪費。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，用于快速、經(jīng)濟的評價大功率半導體激光器陣列的可靠性水平。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術方案為一種千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，它包括電流驅動系統(tǒng)，用于提供多工位受測器件的驅動電流；參數(shù)測量系統(tǒng)，用于監(jiān)測壽命試驗過程中器件功率或波長隨時間的變化信息；溫度控制系統(tǒng)， 用于對受測器件的穩(wěn)定溫度控制；電路保護系統(tǒng)，用于對半導體激光器陣列壽命試驗過程中的工作情況進行檢測，當監(jiān)測到激光器處于非正常工作狀態(tài)時關斷功率輸出模塊并給計算機控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號；計算機控制系統(tǒng)，主要用于實現(xiàn)測試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護、數(shù)據(jù)保存。優(yōu)選地，電流驅動系統(tǒng)采用一臺激光器恒流源對多只大功率半導體激光器陣列同時驅動。優(yōu)選地，參數(shù)測量系統(tǒng)包括步進電機、積分球、光譜儀，測試數(shù)據(jù)由計算機采集、處理并記錄，參數(shù)測試系統(tǒng)的探測器放置在裝有精密調(diào)整架的步進電機上，通過調(diào)節(jié)探測器響應面到激光光斑的間距，實現(xiàn)被測器件與探測器的直接位置鎖定。優(yōu)選地，溫度控制系統(tǒng)包括大功率半導體激光器夾具、微通道水冷熱沉、熱阻測試儀、多通道控水裝置及高功率循環(huán)水制冷機，所述多通道控水裝置設有有多路分水通道并分別與高功率循環(huán)水制冷機連接。優(yōu)選地，所述電路保護系統(tǒng)采用瞬態(tài)電壓抑制器陣列和繼電器陣列，從而控制和消除電路瞬態(tài)擾動和開、短路因素對試驗器件的影響。進一步地，試驗器件樣品臺及參數(shù)測量系統(tǒng)放置在一密封箱內(nèi)，該密封箱上設有排氣口、引線接口、溫度控制設備接口、鋼化玻璃觀察窗口。與現(xiàn)有技術相比(1)本發(fā)明的參數(shù)測量設備安置在步進電機上，步進電機帶動下，實現(xiàn)了單個測量設備對10個工位的大功率半導體激光器陣列的自動在線監(jiān)測，降低了壽命試驗系統(tǒng)的成本；微機控制測試數(shù)據(jù)自動采集，測試程序能自動檢測受測器件是否達到失效判據(jù)。采用一臺大功率半導體激光器電流源驅動10只串聯(lián)方式連接的大功率半導體激光器列陣，同時輔以精密保護控制電路，將試驗過程中達到失效判據(jù)的器件短路掉，并防止電路中瞬間電浪涌、反向尖脈沖等異常電侵入對試驗器件的損傷，降低了壽命試驗系統(tǒng)的成本。( 試驗器件采用水冷的方式進行溫度控制，為降低試驗系統(tǒng)成本，開發(fā)了多通道控水裝置，該控水裝置具有10路分水通道，與一臺高功率水冷機連接，通過調(diào)節(jié)水流量和水流速度，可實現(xiàn)一臺水冷機同時對10個大功率半導體激光器或列陣的穩(wěn)定溫度控制。(3)為防止壽命試驗過程中空氣中的氧氣使激光器腔面發(fā)生氧化，導致試驗器件發(fā)生非正常退化，試驗器件樣品臺及參數(shù)測量系統(tǒng)放置在密封箱內(nèi)，密封箱上設有排氣口、引線接口、溫度控制設備接口、鋼化玻璃觀察窗口等裝置。壽命試驗前將箱內(nèi)的空氣抽掉，再充入氮氣，實現(xiàn)了試驗器件的氮氣保護。


下面結合附圖對本發(fā)明作一進步的詳細說明。圖1是本發(fā)明的組成框圖。圖2是25°C、100A應力條件壽命評價試驗結果示意圖。圖3是50°C、100A應力條件壽命評價試驗結果示意圖。圖4是50°C、115A應力條件壽命評價試驗結果示意圖。
具體實施例方式請參閱圖1，本發(fā)明的千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由電源驅動系統(tǒng)、參數(shù)測量系統(tǒng)、電路保護系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)組成， 具備電流和溫度加速的能力，能夠完成不同電流應力或不同溫度應力條件下的大功率半導體激光器陣列老化篩選和壽命評價試驗。電流驅動系統(tǒng)用于提供多工位受測器件的驅動電流，要求電流源為恒流源，電壓自適應，恒流源可調(diào)整且可通過單片機控制實現(xiàn)。參數(shù)測量系統(tǒng)由步進電機、積分球、光譜儀等部件組成，用來監(jiān)測壽命試驗過程中器件功率或波長隨時間的變化信息，測試數(shù)據(jù)由計算機自動采集，處理并記錄。單只測試器件的測試等待時間為25秒，測試時間為25秒；相鄰2只器件的運行時間為8秒，每次循環(huán) 10只器件。參數(shù)測試系統(tǒng)的探測器放置在裝有精密調(diào)整架的步進電機上，通過調(diào)節(jié)探測器響應面到激光光斑的間距，實現(xiàn)被測器件與探測器的直接位置鎖定，降低了多次測試之間的誤差。溫度控制系統(tǒng)由大功率半導體激光器夾具、微通道水冷熱沉、熱阻測試儀、多通道控水裝置及高功率循環(huán)水制冷機等部件構成，其作用是實現(xiàn)對受測器件的穩(wěn)定溫度控制。電路保護系統(tǒng)主要包括瞬態(tài)尖峰或浪涌保護電路、短路保護電路、斷路保護電路、 過壓保護電路等，由瞬態(tài)電壓抑制器(TVS)陣列和繼電器陣列組成。其作用是在對半導體激光器陣列壽命試驗過程中的工作情況進行檢測，當監(jiān)測到激光器處于非正常工作狀態(tài)時關斷功率輸出模塊并給控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號。計算機控制系統(tǒng)由工控機、數(shù)據(jù)采集卡及VB語言編程的程序軟件構成，其作用是實現(xiàn)測試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護、數(shù)據(jù)保存等。本發(fā)明具備電流和溫度加速的能力，能夠完成不同電流應力或不同溫度應力條件下的大功率半導體激光器陣列老化篩選和壽命評價試驗。下面例子是利用本發(fā)明試驗系統(tǒng)完成的某研制單位大功率半導體激光器的壽命評價試驗，試驗分3組進行，第一組壽命試驗條件是溫度25°C、電流100A ；第二組壽命試驗條件是溫度50°C、電流100A ；第三組壽命試驗條件是50°C、電流115A。試驗系統(tǒng)正常運行超過13500小時，獲得97500器件小時壽命試驗數(shù)據(jù)，采集了 577974個數(shù)據(jù)點，驗證了單bar大功率半導體激光器陣列25°C條件下壽命超過2 X IO9次脈沖次數(shù)，滿足大功率半導體激光器陣列工程化應用壽命大于IO9次脈沖次數(shù)的壽命指標要求。請參閱圖2、圖3和圖4，是利用本發(fā)明壽命試驗系統(tǒng)進行壽命評價試驗的結果，結果表明，本發(fā)明試驗系統(tǒng)運行穩(wěn)定，能夠滿足工呈對大功率半導體激光器陣列的壽命評價需求。本發(fā)明提供了一套經(jīng)濟適用的大功率半導體激光器陣列壽命試驗系統(tǒng)，帶來的有益效果主要體現(xiàn)在兩方面，一方面為大功率半導體激光器壽命的快速評價提供了設備保障，保障了大功率半導體激光器陣列的工程應用；另一方面，利用本發(fā)明對大功率半導體激光器進行在線老化篩選，能夠暴露器件的薄弱環(huán)節(jié)，為激光器的可靠性設計提供了技術支持，加速激光器陣列可靠性增長過程。本發(fā)明采用步進電機帶動參數(shù)測量系統(tǒng)解決了多工位大功率半導體激光器陣列的參數(shù)自動監(jiān)測，利用研制的多通道控水裝置解決了多工位大功率半導體激光器陣列的溫度穩(wěn)定控制和各工位間溫度的一致性控制，實現(xiàn)了快速、經(jīng)濟的對大功率半導體激光器陣列的壽命評價。
權利要求
1.一種千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，它包括電流驅動系統(tǒng)，用于提供多工位受測器件的驅動電流；參數(shù)測量系統(tǒng)，用于監(jiān)測壽命試驗過程中器件功率或波長隨時間的變化信息；溫度控制系統(tǒng)，用于對受測器件的穩(wěn)定溫度控制；電路保護系統(tǒng)，用于對半導體激光器陣列壽命試驗過程中的工作情況進行檢測，當監(jiān)測到激光器處于非正常工作狀態(tài)時關斷功率輸出模塊并給計算機控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號；計算機控制系統(tǒng)，主要用于實現(xiàn)測試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護、數(shù)據(jù)保存。
2.根據(jù)權利要求1所述的千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電流驅動系統(tǒng)采用一臺激光器恒流源對多只大功率半導體激光器陣列同時驅動。
3.根據(jù)權利要求1所述的千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)測量系統(tǒng)包括步進電機、積分球、光譜儀，測試數(shù)據(jù)由計算機采集、處理并記錄，參數(shù)測試系統(tǒng)的探測器放置在裝有精密調(diào)整架的步進電機上，通過調(diào)節(jié)探測器響應面到激光光斑的間距，實現(xiàn)被測器件與探測器的直接位置鎖定。
4.根據(jù)權利要求1所述的千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)， 其特征在于，所述溫度控制系統(tǒng)包括大功率半導體激光器夾具、微通道水冷熱沉、熱阻測試儀、多通道控水裝置及高功率循環(huán)水制冷機，所述多通道控水裝置設有有多路分水通道并分別與高功率循環(huán)水制冷機連接。
5.根據(jù)權利要求1所述的千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，所述電路保護系統(tǒng)采用瞬態(tài)電壓抑制器陣列和繼電器陣列，從而控制和消除電路瞬態(tài)擾動和開、短路因素對試驗器件的影響。
6.根據(jù)權利要求1所述的千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，其特征在于，試驗器件樣品臺及參數(shù)測量系統(tǒng)放置在一密封箱內(nèi)，該密封箱上設有排氣口、引線接口、溫度控制設備接口、鋼化玻璃觀察窗口。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種千瓦級大功率半導體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，它包括電流驅動系統(tǒng)，用于提供多工位受測器件的驅動電流；參數(shù)測量系統(tǒng)，用于監(jiān)測壽命試驗過程中器件功率或波長隨時間的變化信息；溫度控制系統(tǒng)，用于對受測器件的穩(wěn)定溫度控制；電路保護系統(tǒng)，用于對半導體激光器陣列壽命試驗過程中的工作情況進行檢測，當監(jiān)測到激光器處于非正常工作狀態(tài)時關斷功率輸出模塊并給計算機控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號；計算機控制系統(tǒng)，主要用于實現(xiàn)測試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護、數(shù)據(jù)保存。
文檔編號G01R31/26GK102590723SQ20111026129
公開日2012年7月18日 申請日期2011年9月5日 優(yōu)先權日2011年9月5日
發(fā)明者楊少華, 肖慶中, 路國光, 雷志鋒, 黃云 申請人:工業(yè)和信息化部電子第五研究所