专利名称：半导体激光器热弛豫时间的测试装置及其测量方法
技术领域：
本发明涉及半导体激光器，特别是一种半导体激光器的热弛豫时间的测试装置及其测试方法。
背景技术：
半导体激光器的热特性是实际应用中一个重要问题。高热阻会导致激光器有源区高的温升，从而导致激光器阈值电流变大、斜率效率下降、输出功率降低，更严重的是影响器件的寿命。除了热阻，半导体激光器另一热特性参量为热弛豫时间。对于脉冲工作状态下的半导体激光器而言，热弛豫时间参量是一个很重要的参数。
当半导体激光器施加方波电流时，激光器结温在脉冲内逐渐上升，经过一段时间，结温达到稳态值。结温变化可以表示为T＝T0+RthP[1-exp(-Δt/τ)] (1)其中Rth为激光器热阻值，P为注入热流，τ为热弛豫时间，T0为没有电流注入时的激光器结温。
热弛豫时间反映了激光器结温升高的快慢。对一些工作在短脉冲的激光器而言，若其热弛豫时间大则在脉冲内的温升很小；若热弛豫时间小则激光器结温在很短的时间内就达到稳态值。
热弛豫时间的现有测试方案是在先技术[1](H.I.Abdelkader，H.HHausien，and J.D.Martin.Temperature rise and thermal rise-time measurement of a semiconductorlaser diode.Rev.Sci.Instrum.63(3)，March 19922004-2007)中，H.I.Abdelkader研究了半导体激光器的阈值电流和斜率效率随结温的变化关系，通过测试脉冲工作下不同脉冲时刻的激光器光功率变化，得到不同时刻的结温升，从而计算得到热弛豫时间值。但是短的脉冲下激光器光功率值比较小，不同时刻的激光器光功率变化难以精确测定，需要比较精密的设备。在先技术[2](M.Voss，C.Lier，U.Menzel，A.Barwolff，andT.Elsaesser.Time-resolved emission studies of GaAs/AlGaAs laser diodearrays on different heat sinks.J.Appl.phys.79(2).15 January 19961170-1172)中，M.Voss et.al.通过对光谱仪接收装置CCD设置光开关，然后测试不同开关时间的光谱来得到激光器动态热特性。此技术对脉冲光信号采用光开关，要求精确控制开关时间，对光信号控制要求太高。
发明内容
本发明克服上述现有技术的不足，提供一种半导体激光器的热弛豫时间的测量装置及其测试方法，本发明的技术解决方案如下一种半导体激光器的热弛豫时间的测量装置，该装置的构成是一脉冲电源，该脉冲电源的输出端接半导体激光器，沿该半导体激光器的激光前进方向依次是准直系统和光谱仪，光电倍增管位于所述的光谱仪的输出狭缝，光电倍增管的输出端接Boxcar积分器的输入端，所述的脉冲电源的同步输出端经过延时电路连接Boxcar积分器的触发输入端，计算机输入端数据采集卡连接Boxcar积分器输出端。
本发明半导体激光器的热弛豫时间的测试方法，其特征在于该方法包括下列步骤①首先设定Boxcar积分器的参数取样脉冲信号Tg为0.5us，扫描时间Ts为150s；其次设定延时电路的延时时间不超过5ms；光谱仪的狭缝宽度为10μm-40μm；②开启激光器脉冲电源，固定光谱仪扫描波长λs1，Boxcar积分器产生的取样脉冲信号扫描光电倍增管由光功率信号转化的电信号，计算机对Boxcar积分器输出进行采集，得到电信号数据I1……li……，从一系列电信号数据Ii以及相应的时间t得到电信号峰值出现的时间t＝um1；③改变光谱仪的扫描波长λsi(i＝2，3....15)，重复第二步过程，得到一系列电信号峰值出现时间umi(i＝2，3....15)。
④将扫描波长λsi和峰值出现时间umi利用下式求出τi，再平均得到该激光器的热弛豫时间参量值ττ=-umln[1-λS-λP(T0)λT′RthP]]]>式中λs为光谱仪固定的扫描波长值，um为对应光功率峰值出现时间，λp(T0)为初始峰值波长，λT′为光谱温度系数。
所述的延时电路的延时时间应为0.2ms。
所述的狭缝宽度为30μm。
与其它测试方法相比，本发明的优点是不需测试激光器阈值电流和斜率效率随结温的变化关系；使用电开关，较光开关容易控制，整个实验装置造价低，容易搭建，方法简单、稳定性好。
图1为本发明装置的结构示意图。
图2为由测试结果得到的扫描波长与光功率峰值时间的关系图。
图1中1-半导体激光器，2-脉冲电源，3-延时电路，4-准直系统，5-光谱仪，6-光电倍增管，7-Boxcar积分器，8-计算机具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明。
先请参阅图1所示。图1为本发明装置实施例的结构示意图。由图可见，本发明半导体激光器的热弛豫时间的测试装置，其特征在于该装置的构成是一脉冲电源2，该脉冲电源2的输出端接半导体激光器1，沿该半导体激光器1的激光前进方向依次是准直系统4和光谱仪5，光电倍增管6位于所述的光谱仪5的输出狭缝，光电倍增管6的输出端接Boxcar积分器7的输入端，所述的脉冲电源2的同步输出端经过延时电路3连接Boxcar积分器7的触发输入端，计算机8输入端数据采集卡连接Boxcar积分器7输出端。
利用图1所述的装置进行半导体激光器的热弛豫时间的测试方法，包括下列步骤①首先设定Boxcar积分器7的参数取样脉冲信号Tg为0.5us，扫描时间Ts为150s；其次设定延时电路3的延时时间为0.2ms。光谱仪5的狭缝宽度为1所述的狭缝宽度为30μm；②开启激光器脉冲电源2，固定光谱仪5扫描波长λs1，Boxcar积分器7产生的取样脉冲信号扫描光电倍增管6由光功率信号转化的电信号，计算机8对Boxcar积分器7输出进行采集，得到电信号数据I1……li……，从一系列电信号数据Ii以及相应的时间t得到电信号峰值出现的时间t＝um1；③改变光谱仪5的扫描波长λsi(i＝2，3....15)，重复第二步过程，得到一系列电信号峰值出现时间umi(i＝2，3....15)。
④将扫描波长λsi和峰值出现时间umi利用下式求出τi，再平均得到该激光器的热弛豫时间参量值ττ=-umln[1-λs-λP(T0)λT′RthP]]]>式中λs为光谱仪固定的扫描波长值，um为对应光功率峰值出现时间，λp(T0)为初始峰值波长，λT′为光谱温度系数。
光功率信号峰值时间为从电流脉冲开始注入到激光器光功率峰值出现所需要的时间。在对Boxcar积分器7输出数据进行采集时，同时需要采集取样脉冲信号。实验中设定当采集到取样脉冲信号时，开始采集Boxcar积分器7输出信号。从而，每次Boxcar积分器7输出信号采集都是在同一时刻开始。实验过程中，因为取样脉冲宽度为0.5μs，数据采集卡采集速率最高为40k/s，不易采样。因此将取样脉冲信号展宽为宽度250μs的同步信号，送入计算机8采样。当采集到该信号上升沿时，数据采集卡开始采集Boxcar积分器7输出信号。
图2为固定波长λs与平均峰值时间um的关系图。由(3)式，当λs-λP(T0)λT′RthP<<1]]>时，um与λs线性变化，(3)式写为τ=-umλs-λP(T0)λT′RthP.]]>所以由图(2)中拟合曲线的斜率可以计算得到该激光器热弛豫时间值为390μs。
权利要求
1一种半导体激光器的热弛豫时间的测试装置，其特征在于该装置的构成是一脉冲电源(2)，该脉冲电源(2)的输出端接半导体激光器(1)，沿该半导体激光器(1)的激光前进方向依次是准直系统(4)和光谱仪(5)，光电倍增管(6)位于所述的光谱仪(5)的输出狭缝，光电倍增管(6)的输出端接Boxcar积分器(7)的输入端，所述的脉冲电源(2)的同步输出端经过延时电路(3)连接Boxcar积分器(7)的触发输入端，计算机(8)输入端数据采集卡连接Boxcar积分器(7)输出端。
2.利用权利要求1所述的装置进行半导体激光器的热弛豫时间的测试方法，其特征在于该方法包括下列步骤①首先设定Boxcar积分器(7)的参数取样脉冲信号Tg为0.5us，扫描时间Ts为150s；其次设定延时电路(3)的延时时间不超过5ms；光谱仪(5)的狭缝宽度为10μm-40μm；②开启激光器脉冲电源(2)，固定光谱仪(5)扫描波长λs1，Boxcar积分器(7)产生的取样脉冲信号扫描光电倍增管(6)由光功率信号转化的电信号，计算机(8)对Boxcar积分器(7)输出进行采集，得到电信号数据I1......li......，从一系列电信号数据Ii以及相应的时间t得到电信号峰值出现的时间t＝um1；③改变光谱仪(5)的扫描波长λsi(i＝2，3....15)，重复第二步过程，得到一系列电信号峰值出现时间umi(i＝2，3....15)。④将扫描波长λsi和峰值出现时间umi利用下式求出τi，再平均得到该激光器的热弛豫时间参量值ττ=-umln[1-λs-λP(T0)λT′RthP]]]>式中λs为光谱仪固定的扫描波长值，um为对应光功率峰值出现时间，λp(T0)为初始峰值波长，λT′为光谱温度系数。
3.根据权利要求2所述的半导体激光器的热弛豫时间的测试方法，其特征在于所述的延时电路(3)的延时时间应为0.2ms。
4.根据权利要求2所述的半导体激光器的热弛豫时间的测试方法，其特征在于所述的狭缝宽度为30μm。
全文摘要
一种半导体激光器的热弛豫时间的测量装置及其测试方法，该装置的构成是一脉冲电源，该脉冲电源的输出端接半导体激光器，沿该半导体激光器的激光前进方向依次是准直系统和光谱仪，光电倍增管位于所述的光谱仪的输出狭缝，光电倍增管的输出端接Boxcar积分器的输入端，所述的脉冲电源的同步输出端经过延时电路连接Boxcar积分器的触发输入端，计算机输入端数据采集卡连接Boxcar积分器输出端。本发明的优点是不需测试激光器阈值电流和斜率效率随结温的变化关系；装置造价低，容易搭建，方法简单、稳定性好。
文档编号G01R31/26GK1693915SQ20051002655
公开日2005年11月9日 申请日期2005年6月8日 优先权日2005年6月8日
发明者陈晨, 辛国锋, 方祖捷 申请人:中国科学院上海光学精密机械研究所