一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体脉冲激光器冷却技术领域，尤其涉及一种半导体脉冲激光器热 电阶梯冷却方法。
【背景技术】
[0002] 半导体脉冲激光器件在通信系统中有着重要作用，与其他类型的半导体脉冲激 光器相比，具有体积小、重量轻、转换效率高、省电等优点。此外在光学测量、气体检测、自 动控制等医疗和军事方面也有很广泛的应用。但半导体脉冲激光器件是一个高热流密度的 光电设备，其性能和使用寿命均受温度的影响，它的额定工作温度会严重影响光束质量和 输出能量。因此半导体脉冲激光器在使用过程中温度控制至关重要，其热管理系统是半导 体脉冲激光器的稳定性和可靠性的保障。半导体脉冲激光器的热管理系统要求有较高的单 位面积的制冷量，精确的温度控制，脉冲半导体脉冲激光器更是要求及时启停的性能，高 热流密度的光电子器件散热问题成为制约光电子器件发展的最大瓶颈。
[0003] 热电制冷因其结构紧凑、易于集成、无任何机械运动部件、噪音低、无磨损、寿命 长，具有高度的可靠性，控制精度高，制冷迅速等优点在半导体脉冲激光器的冷却中有着不 可代替的作用。目前，一些学者通过脉冲过冷效应强化热电模块的制冷效果，解决半导体 连续半导体脉冲激光器的高热流密度和半导体脉冲激光器的结构封装要求冲突问题。
[0004] 现有的脉冲过冷冷却方法多是针对特例及特定工况设计，且没有考虑过脉冲过 冷后引起的温度升高的脉冲增益效应，而这恰是保证热电制冷系统的温度精度要求中最 需要避免或解决的问题。并且对于一定负荷的脉冲半导体脉冲激光器，存在一个临界脉冲 宽度，当半导体脉冲激光器的脉冲宽度小于临界脉冲宽度时，可以通过脉冲过冷冷却脉冲 半导体脉冲激光器；而当半导体脉冲激光器的脉冲宽度大于临界脉冲宽度时，无法通过脉 冲过冷冷却脉冲半导体脉冲激光器。
【发明内容】
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，根据脉冲过冷效应和脉冲增益效应的温度 与时间特征，本发明提供了一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法，当半导体脉冲激光 器的脉冲宽度大于临界脉冲宽度时，通过阶梯脉冲过冷冷却脉冲半导体脉冲激光器，利用 阶梯电压驱动来抵消脉冲增益温度，保证半导体脉冲激光器的温度精度。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明，提供了一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法， 其特征在于，包括以下步骤：
[0007] 1)根据半导体脉冲激光器的额定工作温度Ts选择热电模块，将选择的热电模块安 装在半导体脉冲激光器内，并通过可编程直流电源控制热电模块上的电压，其中，所述热电 模块包括热端和冷端，其用于控制所述半导体脉冲激光器的实际工作温度；
[0008] 2)初始时，可编程直流电源施加在热电模块的电压为恒定电压Us，以使半导体脉 冲激光器的实际工作温度维持在T S±2°C ;
[0009] 3)当半导体脉冲激光器在jt。时刻释放脉冲激光并产生热量Qc，从而使半导体脉 冲激光器的实际工作温度大于Ts+2°C时，热电模块上的电压在jT。时刻开始调整为递减型 的阶梯电压并且此时电压值升高，以使热电模块中的冷端温度下降并与所述半导体脉冲激 光器换热；另外，jt。时刻施加的阶梯电压会在jt。'时刻突变至Us，此时，半导体脉冲激光 器的实际工作温度降低到Ts±2°C;另外，在jt。'时刻至（j+l)t。时刻电压会维持在恒定电 压Us，以使半导体脉冲激光器在该时间区域内的实际工作温度维持在Ts±2°C ;其中，j为 大于零的正整数，jtQ〈jt。' <(j+l)t。。
[0010] 优选地，施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的参数包括阶 段数N、各阶段内的电压U pi及各阶段的持续时间t i，其中，l〈i < N，从而使半导体脉冲激 光器的实际工作温度呈现出衰减震荡过程，其中，半导体脉冲激光器内的温度控制过程如 下：
[0011] 1)设置计时器i=l;
[0012] 2)本步骤包括以下子步骤：
[0013] 2. 1)热电模块的工作电压在jt。时刻由电压值U 3突变为电压值为Upi，其
[0014] 中UP1> Us，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，
[0015] 在jt〇+Ei=1ts肘刻又逐渐上升到温度Tcl;
[0016] 2.2)设置1 = 土+1;
[0017] 2. 3)在知+!：^ M寸刻，热电模块工作电压由Up u突变为Upi,其中Upi
[0018] < I]# ，半导体脉冲激光器的实际工作温度先下降，然后又逐渐上升，
[0019] 在九)+1^=1。时刻又逐渐上升到温度Tcl;
[0020] 2.4)判断i = N是否成立，若否，则返回步骤2. 2)，若是，进入步骤2.5);
[0021 ] 2. 5)在jW= jtn+I；?L： i ts时刻，热电模块工作电压由Upi突变为U s，热电模块冷端 温度逐渐上升到，然后再逐渐下降，最后稳定在Ts ±2°C。
[0022] 优选地，施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内的阶段数N、各 阶段内的电压Upi及各阶段的持续时间t 确定方法如下：
[0023] a)对N、Upi和持续时间t i赋值；
[0024] b)通过热控制方程获取jt。'时刻的P型热电臂冷端温度T。,，获取过程如下：
[0025] 将热电模块简化为P型热电臂，而P型热电臂的温度场是时间和空间的连续函数； 将P型热电臂分别进行空间和时间的离散化以对其瞬态传热方程的数值求解，其中P型热 电臂的热控制方程为：
[0027] 热电模块初始工作时，其温度为环境温度，因此初始条件为：
[0028] T(:，0)= Ta
[0029] 其边界条件如下：
[0032] 其中，I = ((U- a p (Th-Ta)) /R ;
[0033] a p为P型热电臂塞贝克系数；kp为P型热电臂热导率；〇 p为P型热电臂电导率； Pp为P型热电臂密度；Cp为P型热电臂比热容；R h为热端热阻;Ap为P型热电臂截面积；Qcp 为P型热电臂冷端产冷量，1；为P型热电臂热端温度；Ta为环境温度；T。,为半导体脉冲激 光器的实际工作温度；L为P型热电臂长度，I为P型热电臂中的电流，R为P型热电臂的总 电阻。
[0034] 另外，采用有限元差分法和Gear算法进行数值计算，对每个阶段的电压进行数值 计算，得到j V时刻Tty值。
[0035]c)判断T。,是否在T S±2°C范围内，如果是，则进入步骤d)，如果否，则进入步骤 a)；
[0036] d)利用步骤c)获得N、Upi和时间t ^勺值进行仿真和/或实验进行验证，以判断 T。,是否在T S±2°C范围内，如果是，则进入步骤e)，如果否，则进入步骤a);
[0037]e)确定N、Upi和时间ti的值。
[0038] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有 益效果：
[0039] 1)本发明通过给热电模块施以合适的阶梯电压，减小脉冲电压和脉冲电压的持续 时间，从而减小过冷温度和增益温度，保证半导体脉冲激光器的温度要求。
[0040] 2)本发明通过阶梯冷却处理高热流密度的冷负荷和焦耳热通过热容引起的迟滞 效应，有效解决温度增益过大问题。
[0041] 3)本发明通过阶梯冷却使高热流密度的半导体脉冲激光器温度呈现出衰减振荡 过程，温度精度控制在± 2 °C。
【附图说明】
[0042] 图1是本发明中半导体脉冲激光器冷却方法的流程图；
[0043] 图2(a)、图2(b)和图2(c)分别是本发明实施过程中热电模块上的半导体脉冲激 光器释放的热量、电压和半导体脉冲激光器内的温度随时间变化的曲线图；
[0044] 图3是本发明中热电模块简化成的P型热电臂的示意图。
【具体实施方式】
[0045] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要 彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0046] 参照图1~图3, 1、一种半导体脉冲激光器热电阶梯冷却方法，其特征在于，包括 以下步骤：
[0047] 1)根据半导体脉冲激光器的额定工作温度Ts选择热电模块，将选择的热电模块安 装在半导体脉冲激光器内，并通过可编程直流电源控制热电模块上的电压，其中，所述热电 模块包括热端和冷端，其用于控制所述半导体脉冲激光器的实际工作温度；
[0048] 2)初始时，可编程直流电源施加在热电模块的电压为恒定电压Us，以使半导体脉 冲激光器的实际工作温度维持在T S±2°C ;
[0049] 3)当半导体脉冲激光器在jt。时刻释放脉冲激光并产生热量Qc，从而使半导体脉 冲激光器的实际工作温度大于Ts+2°C时，热电模块上的电压在jT。时刻开始调整为递减型 的阶梯电压并且此时电压值升高，以使热电模块中的冷端温度下降并与所述半导体脉冲激 光器换热；另外，jt。时刻施加的阶梯电压会在jt。'时刻突变至Us，此时，半导体脉冲激光 器的实际工作温度降低到Ts±2°C;另外，在jt。'时刻至（j+l)t。时刻电压会维持在恒定电 压Us，以使半导体脉冲激光器在该时间区域内的实际工作温度维持在Ts±2°C ;其中，j为 大于零的正整数，jtQ〈jt。' <(j + l)t。。
[0050] 半导体脉冲激光器工作时，其释放的是脉冲激光，即其是间断性地发射激光；其在 jt。时刻释放脉冲激光时会产生Qc = W的热量，而在初始和中间没有发射激光时，Qc = 0， 是不产生热量的。虽然Qc = 〇时激光器不产生热量，但是此时的环境温度是高于激光器设 定工作温度Ts，所以为了抵消环境的热量，使激光器实际工作温度稳定在T S±2°C，此时热 电模块仍然处于工作状态，工作电压为恒定电压Us。
[0051] 热电模块的热物性问题可简化为P型热电臂的导热问题，导热问题的温度场是时 间和空间的连续函数。优选地，施加在热电模块上的递减型的阶梯电压在一个突变周期内 的参数包括阶段数N、各阶段内的电压U pi及各阶段的持续时间t i，其中，l〈i