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(dǎo)體激光器及大功率半導(dǎo)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(lǐng)域，以及激光制導(dǎo)、激光夜視、激光武器等軍用領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)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(dǎo)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(dǎo)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(yù)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(dǎo)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(yīng)用單位推廣使用。

2 設(shè)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(shè)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(shè)計。半導(dǎo)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(yīng)，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(yīng)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(dǎo)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(shè)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(shè)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(dǎo)線壓降等因素，電源的額定電壓、電流應(yīng)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?；谝陨峡紤]，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(shè)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(yīng)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(shè)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(yīng)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(shè)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(yù)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(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)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(yīng)用單位推廣使用。

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