一種用于vcsel激光器的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)及其方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于VCSEL半導體激光器脈沖能量的動態(tài)補償系統(tǒng)，包括溫度探測模塊、壽命計數(shù)模塊、控制模塊、驅(qū)動電源模塊、VCSEL激光器模塊；其中，溫度探測模塊與壽命計數(shù)模塊將測得的數(shù)據(jù)送至控制模塊，控制模塊調(diào)節(jié)電流或者脈寬，由驅(qū)動電源模塊對電流或者脈寬的信號進行放大后傳送至VCSEL激光器模塊，由VCSEL激光器模塊根輸出恒定脈沖能量。本發(fā)明在激光器一定的生命周期和特定的溫度范圍內(nèi)，對激光器功率的長期衰減和短期波動進行了動態(tài)補償，實現(xiàn)了近似恒定且更加精確的激光能量輸出，滿足了實際應(yīng)用的需要。這種方法尤其適合相關(guān)激光醫(yī)療應(yīng)用，將使激光醫(yī)療更加穩(wěn)定、精確、安全。
【專利說明】-種用于VCSEL激光器的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)及其方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種脈沖能量補償系統(tǒng)，尤其涉及一種用于VCS化半導體激光器的脈 沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，屬于半導體激光器【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 垂直腔面發(fā)射激光器（Vertical Cavity Surface 血itting Laser,簡稱 VCSEL) 是一種出光方向垂直于外延片的半導體激光器。高功率VCS化激光器則是由成百上千個沿 著外延片表面分布的VCSEL發(fā)光點構(gòu)成的二維陣列。如圖1所示，它具有很高的光學輸出功 率。該種高功率VCS化激光器有著諸多優(yōu)異的特性，包括極高的可靠性、高溫工作穩(wěn)定性， 波長溫漂小、工作壽命長等，逐漸成為未來高功率半導體激光器發(fā)展的重要方向。VCS化激 光器的具體結(jié)構(gòu)如圖2所示。
[000引對于商用的VCS化激光器而言，目前整體的電光轉(zhuǎn)換效率大概為40%，在恒流狀 態(tài)下工作，一般工作電壓1. 8?2. 5V。特定工作溫度下，在闊值電流W上、最大工作電流W 下，其斜率效率（dP/dl)基本為一個常數(shù)，即光學輸出功率隨電流增大呈直線上升。該種特 性使得半導體激光器的光學輸出功率可W通過簡單的電流調(diào)節(jié)進行控制，而一般脈沖工作 的VCS化激光器，其驅(qū)動電流為恒流方波，該樣每個脈沖的能量，取決于驅(qū)動電流的幅度和 方波脈沖的寬度。VCS化激光器的電光特性，如圖3所示。
[0004] VCS化激光器最突出的特性在于其極高的可靠性和超長的使用壽命，一般極少出 現(xiàn)突然性的故障導致激光器停止工作或者災(zāi)難性功率衰減，其激光功率和壽命衰減曲線非 常平穩(wěn)。VCS化激光器的另外一個特性在于適合高溫工作，其激光功率隨溫度上升而衰減的 溫漂特性可W通過實驗確認出一定的曲線特征，如圖4所示。
[0005] 在實際應(yīng)用中，一般的半導體激光器采用特定的電流和脈寬進行驅(qū)動產(chǎn)生特定能 量的激光脈沖，但是隨著激光器的功率衰減（永久性不可恢復(fù)的退化），激光器脈沖能量逐 步降低。另外，在特定的時期內(nèi)，即便沒有功率衰減，半導體激光器的脈沖能量仍然會隨工 作溫度的變化而產(chǎn)生波動。該兩種因素的存在，導致了實際脈沖應(yīng)用中激光能量的長期衰 減和短期波動。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種用于VCS化激光 器的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)。
[0007] 為實現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明采用下述的技術(shù)方案：
[0008] -種用于VCS化激光器的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，包括溫度探測模塊、壽命計數(shù) 模塊、控制模塊、驅(qū)動電源模塊、VCS化激光器模塊；其中，
[0009] 所述溫度探測模塊與所述壽命計數(shù)模塊將測得的數(shù)據(jù)送至所述控制模塊，所述控 制模塊調(diào)節(jié)電流或者脈寬，由所述驅(qū)動電源模塊對所述電流或者脈寬的信號進行放大后傳 送至所述VCS化激光器模塊，由所述VCS化激光器模塊根輸出恒定脈沖能量。
[0010] 一種用于VCS化激光器的脈沖能量動態(tài)補償方法，用于實現(xiàn)上述的脈沖能量動態(tài) 補償系統(tǒng)，包括W下步驟：
[0011] (1)采集VCS化激光器的溫度W及壽命參數(shù)；
[0012] (2)利用經(jīng)驗函數(shù)計算脈沖能量補償量，并調(diào)整電流或者脈寬；
[0013] (3)根據(jù)調(diào)整后的電流或者脈寬，輸出恒定脈沖能量。
[0014] 其中較優(yōu)地，所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為：
[00巧]y = 2E-°5x4 _ 0. 0071x3+0. 9195x2 _ 52. 462X+1159. 1，
[0016] 其中，2E 代表W 10為底的一 5次幕乘W 2,變量y代表壽命衰減，自變量X代 表功率溫漂。
[0017] 其中較優(yōu)地，所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為：
[0018] y = _ 0. 0009x3+0. 0463x2 _ 1. 0508X+103. 15，
[0019] 其中，變量y代表壽命衰減，自變量X代表功率溫漂。
[0020] 其中較優(yōu)地，所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為：
[0021] y = - 0. 019x化2. 2736X - 29. 459，
[0022] 其中，變量y代表壽命衰減，自變量X代表功率溫漂。
[0023] 其中較優(yōu)地，所述步驟（2)中，當電流恒定時，通過調(diào)整脈沖寬度實現(xiàn)脈沖能量補 償。
[0024] 其中較優(yōu)地，所述步驟（2)中，當脈沖恒定時，在不超過電流上限的情況下，通過 增大電流實現(xiàn)脈沖能量補償。
[00巧]其中較優(yōu)地，所述增大電流是指將闊值W上的電流成比例增加，且不超過電流上 限值。
[0026] 與現(xiàn)有技術(shù)相比較，本發(fā)明具有W下有益效果：
[0027] 1.系統(tǒng)通過壽命計數(shù)、溫度探測加上控制系統(tǒng)來實現(xiàn)，原理簡單、易于實施；
[0028] 2.可W在激光器壽命周期里實現(xiàn)近似恒定的激光脈沖能量，實現(xiàn)了近似恒定且更 加精確的激光能量輸出，使能量輸出不受壽命衰減的影響，滿足實際應(yīng)用的需要；
[0029] 3.使用該種方案不需要對激光器進行恒溫控制，對溫度可W實時測量和實時補 償，使能量輸出不受工作溫度的影響，適合激光醫(yī)療應(yīng)用，更加穩(wěn)定、精確、安全。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030] 圖1是VCS化激光器的整體結(jié)構(gòu)示意圖；
[003。 圖2是VCS化激光器的具體結(jié)構(gòu)示意圖；
[003引圖3是VCS化激光器的電光特性示意圖；
[0033] 圖4是激光功率和壽命衰減曲線示意圖；
[0034] 圖5是激光功率與溫度之間的關(guān)系曲線示意圖；
[0035] 圖6是本發(fā)明所提供的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0036] 下面結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容進行詳細具體的說明。
[0037] 激光脈沖能量巧nergy，簡寫巧由四個參數(shù)構(gòu)成的特征函數(shù)所確定，如公式（1)所 示：
[0038] E = f(S，T，W，I) (I)
[003引 I)壽命（Shots,簡寫巧，即已用脈沖次數(shù)，洗/化<0,即能量隨已用脈沖次數(shù)增 加而減少；
[0040]。工作溫度（Temperature,簡稱T)，苑/ aT<0即能量隨溫度上升而減??；
[00川如脈沖寬度（Pulse Wi化h，簡稱W)，洗/ aw>o即能量隨脈寬增大而增大； [004引 4)工作電流（Current,簡稱I)，苑/ 01 >0即能量隨電流增大而增大。
[0043] 在實際應(yīng)用中，一般的半導體激光器采用特定的電流和脈寬進行驅(qū)動產(chǎn)生特定能 量的激光脈沖，但是隨著激光器的功率衰減（永久性不可恢復(fù)的退化），激光器脈沖能量逐 步降低。另外，特定的時期內(nèi)，即便沒有功率衰減，激光器脈沖能量仍然會隨工作溫度的變 化而產(chǎn)生波動。由于上述兩種因素的存在，導致了實際脈沖應(yīng)用中激光能量的長期衰減和 短期波動，從而引起不必要的損失，因此需要對上述因素進行相應(yīng)處理。
[0044] 對于特定類型的VCS化激光器，因壽命衰減是緩慢的且功率溫漂是可預(yù)見的，我 們可W通過實驗，如圖5所示，得到激光器的壽命衰減W及功率溫漂的經(jīng)驗函數(shù)，如下式所 示：
[0045] y = 2E_〇5x4 _ 0. 0071x3+0. 9195x2 _ 52. 462X+1159. 1 似
[0046] 其中，2E 代表W 10為底的一5次幕乘W 2,變量y代表壽命衰減，自變量X代 表功率溫漂。
[0047] 或者為：
[0048] y =_ 0. 0009x3+0. 0463x2 _ 1. 0508X+103. 15 (3)
[0049] 其中，變量y代表壽命衰減，自變量X代表功率溫漂。
[0050] y = _ 0. 019x化2. 2736X _ 29. 459 (4)
[0051] 其中，變量y代表壽命衰減，自變量X代表功率溫漂。
[0052] 通過輕微調(diào)整脈沖寬度或者工作電流，實現(xiàn)對激光器脈沖能量的動態(tài)補償，在一 定的壽命和溫度范圍內(nèi)實現(xiàn)了近似恒定且更加精確的激光能量輸出。
[0053] 圖6所示為本發(fā)明公開的一種用于VCS化激光器的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，包括 溫度探測模塊、壽命計數(shù)模塊、控制模塊、驅(qū)動電源模塊、VCS化激光器模塊。其中，溫度探 測模塊與壽命計數(shù)模塊將所測得的數(shù)據(jù)送至控制模塊，控制模塊基于經(jīng)驗函數(shù)進行處理， 根據(jù)激光器的功率衰減情況，調(diào)節(jié)電流或者脈寬，由驅(qū)動電源模塊對所產(chǎn)生的電流或者脈 寬信號進行放大后傳送至VCS化激光器模塊，由VCS化激光器模塊根據(jù)補償信號輸出恒定 脈沖能量。
[0054] 實施例一：在電流恒定狀態(tài)下的脈寬補償
[005引假設(shè)VCS化激光器壽命每一百萬次脈沖衰減0. 8%，在25?35C工作溫度下的溫 漂特性近似為每升高1度功率下降1. 2%，激光器初始壽命為100W(25°C標定），電流恒定， 脈寬為100ms，初始單脈沖能量為100W*100ms = 10J。則我們可W預(yù)測激光器在第五百萬 次使用壽命時，激光器功率（25C標定）衰減為100W*(1 - 0. 8%巧）=96W，假定當時水溫 為3(TC，則實時功率為96W*(1 - 1. 2% *5) = 90. 24W。為了實現(xiàn)恒定IOJ的脈沖能量，我 們在不調(diào)整電流的情況下，可W通過調(diào)整脈寬來實現(xiàn)，即動態(tài)調(diào)整脈寬為l00ms*100/90. 24 =110. 8ms。
[0056] 該樣，我們就實現(xiàn)了和實際結(jié)果及其接近的，近似恒定的激光脈沖能量輸出。
[0057] 實施例二：在脈寬恒定狀態(tài)下的電流補償
[0058] 實施例一的補償也可W通過增大電流來實現(xiàn)（前提是增大后的電流不能超過激 光器的電流上限）。假定激光器闊值電流為10A，初始工作電流為80A，電流上限為110A，在 脈寬不變的情況下，根據(jù)半導體激光器的電光特性，為了補償激光能量，需要將闊值W上電 流成比例增加。即提高工作電流到10A+(80A - 10A)*100W/90. 24W = 87. 57A(該個電流未 超過上限，安全有效）。該樣便實現(xiàn)了相同的激光脈沖能量。
[0059] 為實現(xiàn)上述脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，本發(fā)明還公開了一種用于VCS化激光器的脈 沖能量動態(tài)補償方法，包括：
[0060] (1)采集VCS化激光器的溫度W及壽命參數(shù)；
[0061] (2)利用經(jīng)驗函數(shù)計算脈沖能量補償量，并調(diào)整輸出電流或者脈寬；
[0062] (3)根據(jù)調(diào)整后的輸出電流或者脈寬輸出恒定脈沖能量。
[0063] 本發(fā)明采用簡單、單向、開環(huán)的控制系統(tǒng)，無須復(fù)雜的探測與反饋調(diào)整系統(tǒng)，適用 于具有平穩(wěn)壽命衰減特征且適合高溫工作的VCS化激光器。其中，激光器的壽命衰減和溫 度漂移是可預(yù)見的，可W通過實驗擬合出經(jīng)驗函數(shù)。本發(fā)明的系統(tǒng)在一定的壽命和溫度范 圍內(nèi)，實施依賴于壽命計數(shù)和溫度探測、壽命一功率、溫度一功率的經(jīng)驗函數(shù)，通過激光驅(qū) 動電源的脈寬調(diào)整或電流調(diào)整（或二者同時調(diào)整）來實現(xiàn)，可W預(yù)見和預(yù)測的工作狀態(tài)，實 現(xiàn)恒定的激光脈沖能量輸出。
[0064] W上對本發(fā)明所提供的用于VCS化激光器的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)及其方法進 行了詳細的說明。對本領(lǐng)域的一般技術(shù)人員而言，在不背離本發(fā)明實質(zhì)精神的前提下對它 所做的任何顯而易見的改動，都將構(gòu)成對本發(fā)明專利權(quán)的侵犯，將承擔相應(yīng)的法律責任。
【權(quán)利要求】
1. 一種用于VCSEL激光器的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于包括：溫度探測模塊、 壽命計數(shù)模塊、控制模塊、驅(qū)動電源模塊、VCSEL激光器模塊；其中， 所述溫度探測模塊與所述壽命計數(shù)模塊將測得的數(shù)據(jù)送至所述控制模塊，所述控制模 塊調(diào)節(jié)電流或者脈寬，由所述驅(qū)動電源模塊對所述電流或者脈寬的信號進行放大后傳送至 所述VCSEL激光器模塊，由所述VCSEL激光器模塊根輸出恒定脈沖能量。
2. 如權(quán)利要求1所述的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于： 所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為： y = 2E -°5x4 - 0. 0071x3+0. 9195x2 - 52. 462x+1159. 1， 其中，2E^°5代表以10為底的一 5次冪乘以2,變量y代表壽命衰減，自變量x代表功 率溫漂。
3. 如權(quán)利要求1所述的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于： 所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為： y = - 0. 0009x3+0. 0463x2 - 1. 0508x+103. 15, 其中，變量y代表壽命衰減，自變量x代表功率溫漂。
4. 如權(quán)利要求1所述的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于： 所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為： y = - 0. 019x2+2. 2736x - 29. 459, 其中，變量y代表壽命衰減，自變量x代表功率溫漂。
5. -種用于VCSEL激光器的脈沖能量動態(tài)補償方法，用于實現(xiàn)權(quán)利要求1?4中任意 一項所述的脈沖能量動態(tài)補償系統(tǒng)，其特征在于：包括以下步驟： (1) 采集VCSEL激光器的溫度以及壽命參數(shù)； (2) 利用經(jīng)驗函數(shù)計算脈沖能量補償量，并調(diào)整電流或者脈寬； (3) 根據(jù)調(diào)整后的電流或者脈寬，輸出恒定脈沖能量。
6. 如權(quán)利要求5所述的脈沖能量動態(tài)補償方法，其特征在于： 所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為： y = 2E -°5x4 - 0. 0071x3+0. 9195x2 - 52. 462x+1159. 1， 其中，2E^°5代表以10為底的一 5次冪乘以2,變量y代表壽命衰減，自變量x代表功 率溫漂。
7. 如權(quán)利要求5所述的脈沖能量動態(tài)補償方法，其特征在于： 所述控制模塊采用經(jīng)驗函數(shù)進行數(shù)據(jù)處理，所述經(jīng)驗函數(shù)為： y = - 0. 0009x3+0. 0463x2 - 1. 0508x+103. 15, 或者是 y = - 0. 019x2+2. 2736x - 29. 459, 其中，變量y代表壽命衰減，自變量x代表功率溫漂。
8. 如權(quán)利要求5所述的脈沖能量動態(tài)補償方法，其特征在于： 所述步驟（2)中，當電流恒定時，通過調(diào)整脈沖寬度實現(xiàn)脈沖能量補償。
9. 如權(quán)利要求5所述的脈沖能量動態(tài)補償方法，其特征在于： 所述步驟（2)中，當脈沖恒定時，在不超過電流上限的情況下，通過增大電流實現(xiàn)脈沖 能量補償。
10.如權(quán)利要求9所述的脈沖能量動態(tài)補償方法，其特征在于： 所述增大電流是指將閾值以上的電流成比例增加，且不超過電流上限值。
【文檔編號】H01S5/068GK104362509SQ201410643998
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年11月10日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月10日
【發(fā)明者】李陽, 李德龍 申請人:李德龍