一種半導(dǎo)體脈沖激光器熱電階梯冷卻方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及半導(dǎo)體脈沖激光器冷卻技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種半導(dǎo)體脈沖激光器熱 電階梯冷卻方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 半導(dǎo)體脈沖激光器件在通信系統(tǒng)中有著重要作用，與其他類型的半導(dǎo)體脈沖激 光器相比，具有體積小、重量輕、轉(zhuǎn)換效率高、省電等優(yōu)點(diǎn)。此外在光學(xué)測(cè)量、氣體檢測(cè)、自 動(dòng)控制等醫(yī)療和軍事方面也有很廣泛的應(yīng)用。但半導(dǎo)體脈沖激光器件是一個(gè)高熱流密度的 光電設(shè)備，其性能和使用壽命均受溫度的影響，它的額定工作溫度會(huì)嚴(yán)重影響光束質(zhì)量和 輸出能量。因此半導(dǎo)體脈沖激光器在使用過(guò)程中溫度控制至關(guān)重要，其熱管理系統(tǒng)是半導(dǎo) 體脈沖激光器的穩(wěn)定性和可靠性的保障。半導(dǎo)體脈沖激光器的熱管理系統(tǒng)要求有較高的單 位面積的制冷量，精確的溫度控制，脈沖半導(dǎo)體脈沖激光器更是要求及時(shí)啟停的性能，高 熱流密度的光電子器件散熱問(wèn)題成為制約光電子器件發(fā)展的最大瓶頸。
[0003] 熱電制冷因其結(jié)構(gòu)緊湊、易于集成、無(wú)任何機(jī)械運(yùn)動(dòng)部件、噪音低、無(wú)磨損、壽命 長(zhǎng)，具有高度的可靠性，控制精度高，制冷迅速等優(yōu)點(diǎn)在半導(dǎo)體脈沖激光器的冷卻中有著不 可代替的作用。目前，一些學(xué)者通過(guò)脈沖過(guò)冷效應(yīng)強(qiáng)化熱電模塊的制冷效果，解決半導(dǎo)體 連續(xù)半導(dǎo)體脈沖激光器的高熱流密度和半導(dǎo)體脈沖激光器的結(jié)構(gòu)封裝要求沖突問(wèn)題。
[0004] 現(xiàn)有的脈沖過(guò)冷冷卻方法多是針對(duì)特例及特定工況設(shè)計(jì)，且沒(méi)有考慮過(guò)脈沖過(guò) 冷后引起的溫度升高的脈沖增益效應(yīng)，而這恰是保證熱電制冷系統(tǒng)的溫度精度要求中最 需要避免或解決的問(wèn)題。并且對(duì)于一定負(fù)荷的脈沖半導(dǎo)體脈沖激光器，存在一個(gè)臨界脈沖 寬度，當(dāng)半導(dǎo)體脈沖激光器的脈沖寬度小于臨界脈沖寬度時(shí)，可以通過(guò)脈沖過(guò)冷冷卻脈沖 半導(dǎo)體脈沖激光器；而當(dāng)半導(dǎo)體脈沖激光器的脈沖寬度大于臨界脈沖寬度時(shí)，無(wú)法通過(guò)脈 沖過(guò)冷冷卻脈沖半導(dǎo)體脈沖激光器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，根據(jù)脈沖過(guò)冷效應(yīng)和脈沖增益效應(yīng)的溫度 與時(shí)間特征，本發(fā)明提供了一種半導(dǎo)體脈沖激光器熱電階梯冷卻方法，當(dāng)半導(dǎo)體脈沖激光 器的脈沖寬度大于臨界脈沖寬度時(shí)，通過(guò)階梯脈沖過(guò)冷冷卻脈沖半導(dǎo)體脈沖激光器，利用 階梯電壓驅(qū)動(dòng)來(lái)抵消脈沖增益溫度，保證半導(dǎo)體脈沖激光器的溫度精度。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明，提供了一種半導(dǎo)體脈沖激光器熱電階梯冷卻方法， 其特征在于，包括以下步驟：
[0007] 1)根據(jù)半導(dǎo)體脈沖激光器的額定工作溫度Ts選擇熱電模塊，將選擇的熱電模塊安 裝在半導(dǎo)體脈沖激光器內(nèi)，并通過(guò)可編程直流電源控制熱電模塊上的電壓，其中，所述熱電 模塊包括熱端和冷端，其用于控制所述半導(dǎo)體脈沖激光器的實(shí)際工作溫度；
[0008] 2)初始時(shí)，可編程直流電源施加在熱電模塊的電壓為恒定電壓Us，以使半導(dǎo)體脈 沖激光器的實(shí)際工作溫度維持在T S±2°C ;
[0009] 3)當(dāng)半導(dǎo)體脈沖激光器在jt。時(shí)刻釋放脈沖激光并產(chǎn)生熱量Qc，從而使半導(dǎo)體脈 沖激光器的實(shí)際工作溫度大于Ts+2°C時(shí)，熱電模塊上的電壓在jT。時(shí)刻開始調(diào)整為遞減型 的階梯電壓并且此時(shí)電壓值升高，以使熱電模塊中的冷端溫度下降并與所述半導(dǎo)體脈沖激 光器換熱；另外，jt。時(shí)刻施加的階梯電壓會(huì)在jt。'時(shí)刻突變至Us，此時(shí)，半導(dǎo)體脈沖激光 器的實(shí)際工作溫度降低到Ts±2°C;另外，在jt。'時(shí)刻至（j+l)t。時(shí)刻電壓會(huì)維持在恒定電 壓Us，以使半導(dǎo)體脈沖激光器在該時(shí)間區(qū)域內(nèi)的實(shí)際工作溫度維持在Ts±2°C ;其中，j為 大于零的正整數(shù)，jtQ〈jt。' <(j+l)t。。
[0010] 優(yōu)選地，施加在熱電模塊上的遞減型的階梯電壓在一個(gè)突變周期內(nèi)的參數(shù)包括階 段數(shù)N、各階段內(nèi)的電壓U pi及各階段的持續(xù)時(shí)間t i，其中，l〈i < N，從而使半導(dǎo)體脈沖激 光器的實(shí)際工作溫度呈現(xiàn)出衰減震蕩過(guò)程，其中，半導(dǎo)體脈沖激光器內(nèi)的溫度控制過(guò)程如 下：
[0011] 1)設(shè)置計(jì)時(shí)器i=l;
[0012] 2)本步驟包括以下子步驟：
[0013] 2. 1)熱電模塊的工作電壓在jt。時(shí)刻由電壓值U 3突變?yōu)殡妷褐禐閁pi，其
[0014] 中UP1> Us，半導(dǎo)體脈沖激光器的實(shí)際工作溫度先下降，然后又逐漸上升，
[0015] 在jt〇+Ei=1ts肘刻又逐漸上升到溫度Tcl;
[0016] 2.2)設(shè)置1 = 土+1;
[0017] 2. 3)在知+!：^ M寸刻，熱電模塊工作電壓由Up u突變?yōu)閁pi,其中Upi
[0018] < I]# ，半導(dǎo)體脈沖激光器的實(shí)際工作溫度先下降，然后又逐漸上升，
[0019] 在九)+1^=1。時(shí)刻又逐漸上升到溫度Tcl;
[0020] 2.4)判斷i = N是否成立，若否，則返回步驟2. 2)，若是，進(jìn)入步驟2.5);
[0021 ] 2. 5)在jW= jtn+I；?L： i ts時(shí)刻，熱電模塊工作電壓由Upi突變?yōu)閁 s，熱電模塊冷端 溫度逐漸上升到，然后再逐漸下降，最后穩(wěn)定在Ts ±2°C。
[0022] 優(yōu)選地，施加在熱電模塊上的遞減型的階梯電壓在一個(gè)突變周期內(nèi)的階段數(shù)N、各 階段內(nèi)的電壓Upi及各階段的持續(xù)時(shí)間t 確定方法如下：
[0023] a)對(duì)N、Upi和持續(xù)時(shí)間t i賦值；
[0024] b)通過(guò)熱控制方程獲取jt。'時(shí)刻的P型熱電臂冷端溫度T。,，獲取過(guò)程如下：
[0025] 將熱電模塊簡(jiǎn)化為P型熱電臂，而P型熱電臂的溫度場(chǎng)是時(shí)間和空間的連續(xù)函數(shù)； 將P型熱電臂分別進(jìn)行空間和時(shí)間的離散化以對(duì)其瞬態(tài)傳熱方程的數(shù)值求解，其中P型熱 電臂的熱控制方程為：
[0027] 熱電模塊初始工作時(shí)，其溫度為環(huán)境溫度，因此初始條件為：
[0028] T(:，0)= Ta
[0029] 其邊界條件如下：

[0032] 其中，I = ((U- a p (Th-Ta)) /R ;
[0033] a p為P型熱電臂塞貝克系數(shù)；kp為P型熱電臂熱導(dǎo)率；〇 p為P型熱電臂電導(dǎo)率； Pp為P型熱電臂密度；Cp為P型熱電臂比熱容；R h為熱端熱阻;Ap為P型熱電臂截面積；Qcp 為P型熱電臂冷端產(chǎn)冷量，1；為P型熱電臂熱端溫度；Ta為環(huán)境溫度；T。,為半導(dǎo)體脈沖激 光器的實(shí)際工作溫度；L為P型熱電臂長(zhǎng)度，I為P型熱電臂中的電流，R為P型熱電臂的總 電阻。
[0034] 另外，采用有限元差分法和Gear算法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，對(duì)每個(gè)階段的電壓進(jìn)行數(shù)值 計(jì)算，得到j(luò) V時(shí)刻Tty值。
[0035]c)判斷T。,是否在T S±2°C范圍內(nèi)，如果是，則進(jìn)入步驟d)，如果否，則進(jìn)入步驟 a)；
[0036] d)利用步驟c)獲得N、Upi和時(shí)間t ^勺值進(jìn)行仿真和/或?qū)嶒?yàn)進(jìn)行驗(yàn)證，以判斷 T。,是否在T S±2°C范圍內(nèi)，如果是，則進(jìn)入步驟e)，如果否，則進(jìn)入步驟a);
[0037]e)確定N、Upi和時(shí)間ti的值。
[0038] 總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，能夠取得下列有 益效果：
[0039] 1)本發(fā)明通過(guò)給熱電模塊施以合適的階梯電壓，減小脈沖電壓和脈沖電壓的持續(xù) 時(shí)間，從而減小過(guò)冷溫度和增益溫度，保證半導(dǎo)體脈沖激光器的溫度要求。
[0040] 2)本發(fā)明通過(guò)階梯冷卻處理高熱流密度的冷負(fù)荷和焦耳熱通過(guò)熱容引起的遲滯 效應(yīng)，有效解決溫度增益過(guò)大問(wèn)題。
[0041] 3)本發(fā)明通過(guò)階梯冷卻使高熱流密度的半導(dǎo)體脈沖激光器溫度呈現(xiàn)出衰減振蕩 過(guò)程，溫度精度控制在± 2 °C。
【附圖說(shuō)明】
[0042] 圖1是本發(fā)明中半導(dǎo)體脈沖激光器冷卻方法的流程圖；
[0043] 圖2(a)、圖2(b)和圖2(c)分別是本發(fā)明實(shí)施過(guò)程中熱電模塊上的半導(dǎo)體脈沖激 光器釋放的熱量、電壓和半導(dǎo)體脈沖激光器內(nèi)的溫度隨時(shí)間變化的曲線圖；
[0044] 圖3是本發(fā)明中熱電模塊簡(jiǎn)化成的P型熱電臂的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0045] 為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì) 本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并 不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要 彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。
[0046] 參照?qǐng)D1~圖3, 1、一種半導(dǎo)體脈沖激光器熱電階梯冷卻方法，其特征在于，包括 以下步驟：
[0047] 1)根據(jù)半導(dǎo)體脈沖激光器的額定工作溫度Ts選擇熱電模塊，將選擇的熱電模塊安 裝在半導(dǎo)體脈沖激光器內(nèi)，并通過(guò)可編程直流電源控制熱電模塊上的電壓，其中，所述熱電 模塊包括熱端和冷端，其用于控制所述半導(dǎo)體脈沖激光器的實(shí)際工作溫度；
[0048] 2)初始時(shí)，可編程直流電源施加在熱電模塊的電壓為恒定電壓Us，以使半導(dǎo)體脈 沖激光器的實(shí)際工作溫度維持在T S±2°C ;
[0049] 3)當(dāng)半導(dǎo)體脈沖激光器在jt。時(shí)刻釋放脈沖激光并產(chǎn)生熱量Qc，從而使半導(dǎo)體脈 沖激光器的實(shí)際工作溫度大于Ts+2°C時(shí)，熱電模塊上的電壓在jT。時(shí)刻開始調(diào)整為遞減型 的階梯電壓并且此時(shí)電壓值升高，以使熱電模塊中的冷端溫度下降并與所述半導(dǎo)體脈沖激 光器換熱；另外，jt。時(shí)刻施加的階梯電壓會(huì)在jt。'時(shí)刻突變至Us，此時(shí)，半導(dǎo)體脈沖激光 器的實(shí)際工作溫度降低到Ts±2°C;另外，在jt。'時(shí)刻至（j+l)t。時(shí)刻電壓會(huì)維持在恒定電 壓Us，以使半導(dǎo)體脈沖激光器在該時(shí)間區(qū)域內(nèi)的實(shí)際工作溫度維持在Ts±2°C ;其中，j為 大于零的正整數(shù)，jtQ〈jt。' <(j + l)t。。
[0050] 半導(dǎo)體脈沖激光器工作時(shí)，其釋放的是脈沖激光，即其是間斷性地發(fā)射激光；其在 jt。時(shí)刻釋放脈沖激光時(shí)會(huì)產(chǎn)生Qc = W的熱量，而在初始和中間沒(méi)有發(fā)射激光時(shí)，Qc = 0， 是不產(chǎn)生熱量的。雖然Qc = 〇時(shí)激光器不產(chǎn)生熱量，但是此時(shí)的環(huán)境溫度是高于激光器設(shè) 定工作溫度Ts，所以為了抵消環(huán)境的熱量，使激光器實(shí)際工作溫度穩(wěn)定在T S±2°C，此時(shí)熱 電模塊仍然處于工作狀態(tài)，工作電壓為恒定電壓Us。
[0051] 熱電模塊的熱物性問(wèn)題可簡(jiǎn)化為P型熱電臂的導(dǎo)熱問(wèn)題，導(dǎo)熱問(wèn)題的溫度場(chǎng)是時(shí) 間和空間的連續(xù)函數(shù)。優(yōu)選地，施加在熱電模塊上的遞減型的階梯電壓在一個(gè)突變周期內(nèi) 的參數(shù)包括階段數(shù)N、各階段內(nèi)的電壓U pi及各階段的持續(xù)時(shí)間t i，其中，l〈i