大功率半导体激光器老化系统设计

曹军胜

（中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033）

0 引言

大功率半导体激光器及大功率半导体激光器泵浦固体激光器在材料加工、激光打标、激光测距、激光存储、激光显示、照明、激光医疗等民用领域，以及激光制导、激光夜视、激光武器等军用领域得到广泛应用[1-2]，已成为影响国民经济发展和国防安全保障的核心电子器件。

半导体激光器的老化系统对器件的研制单位、生产单位和使用单位都具有十分重要的意义。老化是评价半导体激光器寿命的基本方法，老化方法分为恒流老化和恒功率老化，恒流老化是通过考核一定电流下光功率的变化（如下降到初始值的80%）用外推公式预测该器件的实际使用寿命；恒功率老化是通过考核一定光功率下驱动电流的变化（如增加到初始值的120%）来外推。

本文介绍了一种可供60支器件同时老化的大功率半导体激光器老化系统，可对每个参加老化器件的工作电流、工作电压、输出光功率等参数进行定时采集，并对热沉温度、循环冷却水的流量、水压进行实时监测，具有功能完备、可靠性高的优点，可供大功率激光器的研制和应用单位推广使用。

2 设计依据及主要技术指标

本老化系统可同时老化60支器件，每10支为1组，最大工作电流100A，单支器件最大电压2V，器件工作波长为808nm或980nm，需定时采集每支被老化器件的工作电流、工作电压、输出光功率，并对热沉温度、循环冷却水的流量、水压进行实时监测，如有异常则报警并断电保护。

3 系统设计

3.1 总体方案

激光器老化系统包括激光器驱动电源、热沉（含循环水系统）、信号调理系统和数据采集系统构成。多支激光器同时老化时，其串并联关系关系到驱动电源的设计。半导体激光器为电流注入式电致发光器件，其驱动电源一般为电流源，电压为自适应，因此采用串联方式更为适合，所有器件的工作电流精确一致，电压自适应而互不干扰，即使发生某支器件短路情形，其余器件仍可正常继续老化；如果发生断路情况，则电流为0，老化终止，但不会损坏其余器件。相反，如果采用并联方式，根据图1所示的激光器V-I特性，阈值后激光器的电压随电流的增大变化很小，因此通过调节电压不易精确控制其工作电流。另外，并联方式下如果发生器件短路则可能会损坏激光器驱动电源。综上所示，本老化系统采用串联方式，每10支器件为一组，共分为6组，总的老化容量为60支器件。

图2是激光器老化系统的系统框图，驱动电源给10支串联器件提供驱动电流，被测器件安装在通有循环水的热沉上，激光器电流、电压、光功率以及热沉温度、循环水流量、水压等信号经模拟信号调理模块调理成0-5VDC的信号后，经多路模拟开关、模数转换器（ADC）转换为数字信号，由微控制器通过RS232接口传到上位机。需要说明的是，图2画出的仅为1组（10支器件），整个系统共用1台上位机，但驱动电源、热沉、数据采集模块各6套。

图1 半导体激光器的两条特性曲线Fig.1 Two characteristic curves of the semiconductor laser

图2 系统框图Fig.2 System Block Diagram

图3 电流测量原理Fig.3 Current measurement principle

图4 电压测量原理Fig.4 Voltage measurement principle

3.2 关键模块设计

3.2.1 驱动电源

按照“最大工作电流100A，单支器件最大电压2V”的设计要求，驱动电源工作在电流源模式下的最大输出电流必须不小于100A，最大输出电压需不小于20V。事实上，考虑到导线压降等因素，电源的额定电压、电流应有一定裕度。激光器老化时间一般较长，因此对驱动电源的可靠性、输出稳定性等指标提出较高的要求。基于以上考虑，本系统采用了荷兰DELTA电源公司的SM30-100D，最大输出电压30V，最大输出电流100A，MTBF（平均无故障时间）达500000小时。

该电源可通过RS232接口控制，便于上位机设定输出电流、电压，并可读出实际输出值；另外还可以一主多从的方式多台串并联，上位机只需控制主机，从机即可实现同步输出。

3.2.2 电流测量

由于每组10支器件为串联关系，因此电流值相同，可在负载回路中串接低阻值大功率取样电阻。由于额定电流为100A，根据热功率计算公式P=I2R，可选择0.01欧姆100W以上的铝壳功率型绕线电阻器即可满足要求，此时0-100A对应取样电压0-1V，可用差分放大器放大4倍即可映射到0-4V以便采集模块采集（如图3）。

值得注意的是：1）为了降低差分放大器输入端的共模电压，需将取样电阻接在回路靠近负极的地方，并且将DELTA电源输出负极与信号调理模块的GND连接；2）为了安装可靠性并考虑到散热，建议将取样电阻与激光器并排安装于水冷热沉。

3.2.3 电压测量

由于10支器件为串联方式，每支器件的结电压原则上需要通过差分放大器提取，但考虑到以下原因转而采用单端电压测量法：

1）10支器件串联后的电压接近20V，用差分放大器直接提取则共模电压过高。

2）采用器件数量过多，繁琐。

3）实际意义不大，老化系统的目的是监测器件状态的变化而并非精确测量。

本系统设计了一种简洁有效的低成本方案，如图4所示，将10支器件两端11个抽头的电压分压1/10后测量（图5为分压电路），然后用软件方法两两相减并乘以10即可获得10支器件各自的电压。

图5 隔离分压电路Fig.5 Isolation voltage dividing circuit

图6 光电测量电路Fig.6 Optical measurement circuit

图7 温度测量原理Fig.7 Temperature measurement principle

3.2.4 光功率测量

由于被测激光器的波长为808nm和980nm，因此选择响应范围为400-1100nm的硅探测器作为光电传感器。光功率传感器为安装在每个激光器附近的光电二极管，首先必须保证光电二极管在激光器的工作范围内不能饱和，这由机械工装决定。

光电转换原理：如图6所示，光电二极管PD处于零偏置状态，其等效负载电阻为零，此时PD输出电流I与光照度有极好的线性关系，运算放大器A输出电压VO等于光电池短路电流I与放大器反馈电阻R的乘积，即VO=IR。具体电路参数需进一步实验验证，尽量使光功率0-P0对应输出电压0-4V。

3.2.5 热沉温度测量采用PT1K传感器安装于热沉，PT1K在0~+100℃对应阻值为1000~1385Ω；可选择适当的分压电阻和差分放大倍数，将0~+100℃对应输出电压映射为0-4V。为保证测量精度，可采用LDO低压差线性稳压芯片为传感器电路供电，如图7所示。

3.2.6 流量和水压测量

循环水流量测量采用Proteus流量传感器（变送器）测量，该传感器采用+24VDC供电，可直接输出0-5VDC的标准电压信号供采集系统采集，5V对应流量为4.5GPM，约17升每分钟。水压测量拟采用标准的水压变送器如PTG504。该产品主要参数如下。

输入压力：-100KPa-0.6MPa

供电电压：24VDC（12～36VDC）

输出电压：0～5VDC

连接方式：可扩展为法兰接连、快速接口连接、毛细管连接等。

4 结束语

激光器老化系统对于激光器的研制单位、生产单位、使用单位均具有重要意义，是器件寿命评价的基本方法。研制单位通过老化试验改进设计和制备工艺、提高产品性能；生产单位更是需要对批量产品进行抽样老化，以分析产品的合格率和预期寿命；部分激光器的使用单位（特别是武器系统、航空航天等高可靠应用领域）也需要通过老化试验来筛选高可靠的器件。另外，老化方法还是新的可靠性评估方法的验证手段，例如电导数方法、电噪声方法是目前有代表性的两种可靠性无损检测方法[3-6]，其可靠性检测判据必须经过老化试验的验证。本文介绍的可供60支器件同时老化的大功率半导体激光器老化系统，可对每个参加老化器件的工作电流、工作电压、输出光功率等参数进行定时采集，并对热沉温度、循环冷却水的流量、水压进行实时监测，具有功能完备、可靠性高的优点，可供大功率激光器的研制和应用单位推广使用。

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