專(zhuān)利名稱(chēng)：千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(yàn)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(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(kuò)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(xué)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(biāo)、激光打印、激光掃描、激光測(cè)距、激光存儲(chǔ)、 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(gè)重要指標(biāo)。因此，可靠性和壽命測(cè)試的研究成為當(dāng)前器件實(shí)用化和產(chǎn)業(yè)化的重點(diǎn)之一，需要對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列的壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行研制。近年來(lái)，國(guó)外也開(kāi)展了大功率半導(dǎo)體激光器老化篩選及壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的研制，已有產(chǎn)品面世且價(jià)格不菲。德國(guó)ILX lightwave公司生產(chǎn)的LRS-9550大功率單bar條測(cè)試系統(tǒng)可進(jìn)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(yàn)，該系統(tǒng)最多可支持512個(gè)單bar器件的在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，可同時(shí)進(jìn)行不同溫度的多組別的老化及壽命試驗(yàn)，并能夠?qū)y(cè)試后的試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析和處理。美國(guó)國(guó)家宇航局(NASA) LaRc研究中心在承擔(dān)激光器風(fēng)險(xiǎn)減少計(jì)劃(LRRP)項(xiàng)目時(shí)，研究和設(shè)計(jì)了針對(duì)lOOW/bar的組件的老化及壽命試驗(yàn)裝置。該裝置包括光學(xué)和電學(xué)測(cè)量?jī)刹糠?，分別由一個(gè)光學(xué)和電學(xué)多路開(kāi)關(guān)控制，受測(cè)器件采取水冷的方式進(jìn)行溫度控制。該設(shè)備每一個(gè)受測(cè)器件對(duì)應(yīng)一套光學(xué)參數(shù)采集儀器及一套激光驅(qū)動(dòng)電源，成本很高，難以普及。國(guó)內(nèi)如中國(guó)地質(zhì)大學(xué)、山東理工大學(xué)等高校及研究機(jī)構(gòu)也有半導(dǎo)體激光器壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的相關(guān)研究報(bào)道，但均是針對(duì)小功率器件，對(duì)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(yàn)系統(tǒng)均是國(guó)外生產(chǎn)的產(chǎn)品，價(jià)錢(qián)很高。 企業(yè)引進(jìn)這些設(shè)備的成本高、代價(jià)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(fēng)險(xiǎn)。 ILX lightwave公司生產(chǎn)的LRS-9550大功率單bar條測(cè)試系統(tǒng)，其最大電流只有20A，目前國(guó)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(jì)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(cè)試夾具均是針對(duì)單bar條設(shè)計(jì)， 對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列不適用。美國(guó)宇航局研制的壽命測(cè)試系統(tǒng)，每一個(gè)受測(cè)器件對(duì)應(yīng)一臺(tái)激光驅(qū)動(dòng)電源和一套參數(shù)采集儀器，當(dāng)進(jìn)行批量器件的壽命試驗(yàn)時(shí)，成本會(huì)很高，造成資源的極大浪費(fèi)。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的是提供一種千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，用于快速、經(jīng)濟(jì)的評(píng)價(jià)大功率半導(dǎo)體激光器陣列的可靠性水平。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為一種千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于提供多工位受測(cè)器件的驅(qū)動(dòng)電流；參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)壽命試驗(yàn)過(guò)程中器件功率或波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化信息；溫度控制系統(tǒng)， 用于對(duì)受測(cè)器件的穩(wěn)定溫度控制；電路保護(hù)系統(tǒng)，用于對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)過(guò)程中的工作情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到激光器處于非正常工作狀態(tài)時(shí)關(guān)斷功率輸出模塊并給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號(hào)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護(hù)、數(shù)據(jù)保存。優(yōu)選地，電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用一臺(tái)激光器恒流源對(duì)多只大功率半導(dǎo)體激光器陣列同時(shí)驅(qū)動(dòng)。優(yōu)選地，參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、積分球、光譜儀，測(cè)試數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集、處理并記錄，參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的探測(cè)器放置在裝有精密調(diào)整架的步進(jìn)電機(jī)上，通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)器響應(yīng)面到激光光斑的間距，實(shí)現(xiàn)被測(cè)器件與探測(cè)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(cè)試儀、多通道控水裝置及高功率循環(huán)水制冷機(jī)，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(jī)連接。優(yōu)選地，所述電路保護(hù)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(dòng)和開(kāi)、短路因素對(duì)試驗(yàn)器件的影響。進(jìn)一步地，試驗(yàn)器件樣品臺(tái)及參數(shù)測(cè)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(xiàn)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(cè)量設(shè)備安置在步進(jìn)電機(jī)上，步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)下，實(shí)現(xiàn)了單個(gè)測(cè)量設(shè)備對(duì)10個(gè)工位的大功率半導(dǎo)體激光器陣列的自動(dòng)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)，降低了壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的成本；微機(jī)控制測(cè)試數(shù)據(jù)自動(dòng)采集，測(cè)試程序能自動(dòng)檢測(cè)受測(cè)器件是否達(dá)到失效判據(jù)。采用一臺(tái)大功率半導(dǎo)體激光器電流源驅(qū)動(dòng)10只串聯(lián)方式連接的大功率半導(dǎo)體激光器列陣，同時(shí)輔以精密保護(hù)控制電路，將試驗(yàn)過(guò)程中達(dá)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(duì)試驗(yàn)器件的損傷，降低了壽命試驗(yàn)系統(tǒng)的成本。( 試驗(yàn)器件采用水冷的方式進(jìn)行溫度控制，為降低試驗(yàn)系統(tǒng)成本，開(kāi)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(tái)高功率水冷機(jī)連接，通過(guò)調(diào)節(jié)水流量和水流速度，可實(shí)現(xiàn)一臺(tái)水冷機(jī)同時(shí)對(duì)10個(gè)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(yàn)過(guò)程中空氣中的氧氣使激光器腔面發(fā)生氧化，導(dǎo)致試驗(yàn)器件發(fā)生非正常退化，試驗(yàn)器件樣品臺(tái)及參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)放置在密封箱內(nèi)，密封箱上設(shè)有排氣口、引線(xiàn)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(yàn)前將箱內(nèi)的空氣抽掉，再充入氮?dú)?，?shí)現(xiàn)了試驗(yàn)器件的氮?dú)獗Ｗo(hù)。


下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作一進(jìn)步的詳細(xì)說(shuō)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(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果示意圖。圖3是50°C、100A應(yīng)力條件壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果示意圖。圖4是50°C、115A應(yīng)力條件壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)結(jié)果示意圖。
具體實(shí)施例方式請(qǐng)參閱圖1，本發(fā)明的千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)主要由電源驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)、電路保護(hù)系統(tǒng)、溫度控制系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)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(píng)價(jià)試驗(yàn)。電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)用于提供多工位受測(cè)器件的驅(qū)動(dòng)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(guò)單片機(jī)控制實(shí)現(xiàn)。參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)由步進(jìn)電機(jī)、積分球、光譜儀等部件組成，用來(lái)監(jiān)測(cè)壽命試驗(yàn)過(guò)程中器件功率或波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化信息，測(cè)試數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)自動(dòng)采集，處理并記錄。單只測(cè)試器件的測(cè)試等待時(shí)間為25秒，測(cè)試時(shí)間為25秒；相鄰2只器件的運(yùn)行時(shí)間為8秒，每次循環(huán) 10只器件。參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的探測(cè)器放置在裝有精密調(diào)整架的步進(jìn)電機(jī)上，通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)器響應(yīng)面到激光光斑的間距，實(shí)現(xiàn)被測(cè)器件與探測(cè)器的直接位置鎖定，降低了多次測(cè)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(cè)試儀、多通道控水裝置及高功率循環(huán)水制冷機(jī)等部件構(gòu)成，其作用是實(shí)現(xiàn)對(duì)受測(cè)器件的穩(wěn)定溫度控制。電路保護(hù)系統(tǒng)主要包括瞬態(tài)尖峰或浪涌保護(hù)電路、短路保護(hù)電路、斷路保護(hù)電路、 過(guò)壓保護(hù)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(duì)半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)過(guò)程中的工作情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到激光器處于非正常工作狀態(tài)時(shí)關(guān)斷功率輸出模塊并給控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號(hào)。計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)由工控機(jī)、數(shù)據(jù)采集卡及VB語(yǔ)言編程的程序軟件構(gòu)成，其作用是實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護(hù)、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(píng)價(jià)試驗(yàn)。下面例子是利用本發(fā)明試驗(yàn)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(píng)價(jià)試驗(yàn)，試驗(yàn)分3組進(jìn)行，第一組壽命試驗(yàn)條件是溫度25°C、電流100A ；第二組壽命試驗(yàn)條件是溫度50°C、電流100A ；第三組壽命試驗(yàn)條件是50°C、電流115A。試驗(yàn)系統(tǒng)正常運(yùn)行超過(guò)13500小時(shí)，獲得97500器件小時(shí)壽命試驗(yàn)數(shù)據(jù)，采集了 577974個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)，驗(yàn)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(guò)2 X IO9次脈沖次數(shù)，滿(mǎn)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(biāo)要求。請(qǐng)參閱圖2、圖3和圖4，是利用本發(fā)明壽命試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行壽命評(píng)價(jià)試驗(yàn)的結(jié)果，結(jié)果表明，本發(fā)明試驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定，能夠滿(mǎn)足工呈對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列的壽命評(píng)價(jià)需求。本發(fā)明提供了一套經(jīng)濟(jì)適用的大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)系統(tǒng)，帶來(lái)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(píng)價(jià)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(duì)大功率半導(dǎo)體激光器進(jìn)行在線(xiàn)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(jì)提供了技術(shù)支持，加速激光器陣列可靠性增長(zhǎng)過(guò)程。本發(fā)明采用步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)參數(shù)測(cè)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(dòng)監(jiān)測(cè)，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(shí)現(xiàn)了快速、經(jīng)濟(jì)的對(duì)大功率半導(dǎo)體激光器陣列的壽命評(píng)價(jià)。
權(quán)利要求
1.一種千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，它包括電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于提供多工位受測(cè)器件的驅(qū)動(dòng)電流；參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)壽命試驗(yàn)過(guò)程中器件功率或波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化信息；溫度控制系統(tǒng)，用于對(duì)受測(cè)器件的穩(wěn)定溫度控制；電路保護(hù)系統(tǒng)，用于對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)過(guò)程中的工作情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到激光器處于非正常工作狀態(tài)時(shí)關(guān)斷功率輸出模塊并給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號(hào)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護(hù)、數(shù)據(jù)保存。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)采用一臺(tái)激光器恒流源對(duì)多只大功率半導(dǎo)體激光器陣列同時(shí)驅(qū)動(dòng)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)包括步進(jìn)電機(jī)、積分球、光譜儀，測(cè)試數(shù)據(jù)由計(jì)算機(jī)采集、處理并記錄，參數(shù)測(cè)試系統(tǒng)的探測(cè)器放置在裝有精密調(diào)整架的步進(jìn)電機(jī)上，通過(guò)調(diào)節(jié)探測(cè)器響應(yīng)面到激光光斑的間距，實(shí)現(xiàn)被測(cè)器件與探測(cè)器的直接位置鎖定。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)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(cè)試儀、多通道控水裝置及高功率循環(huán)水制冷機(jī)，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(jī)連接。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，所述電路保護(hù)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(dòng)和開(kāi)、短路因素對(duì)試驗(yàn)器件的影響。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，其特征在于，試驗(yàn)器件樣品臺(tái)及參數(shù)測(cè)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(xiàn)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(kāi)了一種千瓦級(jí)大功率半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)在線(xiàn)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，它包括電流驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，用于提供多工位受測(cè)器件的驅(qū)動(dòng)電流；參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，用于監(jiān)測(cè)壽命試驗(yàn)過(guò)程中器件功率或波長(zhǎng)隨時(shí)間的變化信息；溫度控制系統(tǒng)，用于對(duì)受測(cè)器件的穩(wěn)定溫度控制；電路保護(hù)系統(tǒng)，用于對(duì)半導(dǎo)體激光器陣列壽命試驗(yàn)過(guò)程中的工作情況進(jìn)行檢測(cè)，當(dāng)監(jiān)測(cè)到激光器處于非正常工作狀態(tài)時(shí)關(guān)斷功率輸出模塊并給計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)發(fā)出異常信號(hào)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，主要用于實(shí)現(xiàn)測(cè)試參數(shù)數(shù)據(jù)的采集、分析處理、控制、LD安全保護(hù)、數(shù)據(jù)保存。
文檔編號(hào)G01R31/26GK102590723SQ20111026129
公開(kāi)日2012年7月18日 申請(qǐng)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(guó)光, 雷志鋒, 黃云 申請(qǐng)人:工業(yè)和信息化部電子第五研究所