專利名稱：千瓦級大功率半導(dǎo)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(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及導(dǎo)體激光器壽命試驗系統(tǒng)，尤其涉及一種大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
隨著半導(dǎo)體激光技術(shù)的日趨成熟和應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴展，大功率半導(dǎo)體激光器陣列的應(yīng)用范圍已經(jīng)覆蓋了光電子學的諸多領(lǐng)域。大功率半導(dǎo)體激光器陣列及大功率半導(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(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。在這些應(yīng)用領(lǐng)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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?qū)y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(shè)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(guān)控制，受測器件采取水冷的方式進行溫度控制。該設(shè)備每一個受測器件對應(yīng)一套光學參數(shù)采集儀器及一套激光驅(qū)動電源，成本很高，難以普及。國內(nèi)如中國地質(zhì)大學、山東理工大學等高校及研究機構(gòu)也有半導(dǎo)體激光器壽命試驗系統(tǒng)的相關(guān)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(yīng)用。目前，商用的大功率半導(dǎo)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(shè)備的成本高、代價大，且面臨儀器設(shè)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(zhuǎn)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(shè)計， 對大功率半導(dǎo)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(yīng)一臺激光驅(qū)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(shù)的缺點，本發(fā)明的目的是提供一種千瓦級大功率半導(dǎo)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(dǎo)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(shù)方案為一種千瓦級大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，它包括電流驅(qū)動系統(tǒng)，用于提供多工位受測器件的驅(qū)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(dǎo)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(guān)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(qū)動系統(tǒng)采用一臺激光器恒流源對多只大功率半導(dǎo)體激光器陣列同時驅(qū)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(yīng)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(dǎo)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(shè)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(shè)有排氣口、引線接口、溫度控制設(shè)備接口、鋼化玻璃觀察窗口。與現(xiàn)有技術(shù)相比(1)本發(fā)明的參數(shù)測量設(shè)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(shè)備對10個工位的大功率半導(dǎo)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(dǎo)體激光器電流源驅(qū)動10只串聯(lián)方式連接的大功率半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(shè)有排氣口、引線接口、溫度控制設(shè)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(jié)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(yīng)力條件壽命評價試驗結(jié)果示意圖。圖3是50°C、100A應(yīng)力條件壽命評價試驗結(jié)果示意圖。圖4是50°C、115A應(yīng)力條件壽命評價試驗結(jié)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(dǎo)體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)主要由電源驅(qū)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(yīng)力或不同溫度應(yīng)力條件下的大功率半導(dǎo)體激光器陣列老化篩選和壽命評價試驗。電流驅(qū)動系統(tǒng)用于提供多工位受測器件的驅(qū)動電流，要求電流源為恒流源，電壓自適應(yīng)，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(yīng)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(dǎo)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(gòu)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(dǎo)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(guān)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(gòu)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(yīng)力或不同溫度應(yīng)力條件下的大功率半導(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器陣列工程化應(yīng)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(jié)果，結(jié)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器壽命的快速評價提供了設(shè)備保障，保障了大功率半導(dǎo)體激光器陣列的工程應(yīng)用；另一方面，利用本發(fā)明對大功率半導(dǎo)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(shè)計提供了技術(shù)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(dǎo)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(dǎo)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(dǎo)體激光器陣列的壽命評價。
權(quán)利要求
1.一種千瓦級大功率半導(dǎo)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(qū)動系統(tǒng)，用于提供多工位受測器件的驅(qū)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(dǎo)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(guān)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(quán)利要求1所述的千瓦級大功率半導(dǎo)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(qū)動系統(tǒng)采用一臺激光器恒流源對多只大功率半導(dǎo)體激光器陣列同時驅(qū)動。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級大功率半導(dǎo)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(yīng)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(quán)利要求1所述的千瓦級大功率半導(dǎo)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(dǎo)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(shè)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(quán)利要求1所述的千瓦級大功率半導(dǎo)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(quán)利要求1所述的千瓦級大功率半導(dǎo)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(shè)有排氣口、引線接口、溫度控制設(shè)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(dǎo)體激光器陣列壽命試驗在線監(jiān)測系統(tǒng)，它包括電流驅(qū)動系統(tǒng)，用于提供多工位受測器件的驅(qū)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(dǎo)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(guān)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(quán)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