半导体激光装置、半导体激光装置的驱动方法和驱动程序与流程

本发明涉及半导体激光装置、半导体激光装置的驱动方法和驱动程序。

背景技术：

以往，具有一种气体分析装置，利用半导体激光装置例如进行排气中的测定对象成分的分析(例如专利文献1)。该气体分析装置具有半导体激光装置，该半导体激光装置射出与测定对象成分的吸收波数对应的振荡波数的激光，该振荡波数设计为吸收波数±1cm^-1的精度。此外，半导体激光装置由于振荡波数根据其动作温度而变化，所以通过对半导体激光装置进行温度调节，激光的振荡波数的变动控制成±0.01cm^-1。另外，在相对于规定的中心波数进行激光的振荡波数的扫描中，其中心波数的变动控制成±0.01cm^-1。

以往，为了进行上述温度调节，将发出激光的半导体激光元件搭载于具有珀尔帖元件的冷却模块。并且，利用搭载于冷却模块的温度传感器的检测温度，控制向珀尔帖元件供给的供给电力。由此，调整半导体激光元件的动作温度，激光的振荡波数的变动控制成±0.01cm^-1。

但是，由于通过与半导体激光元件分开设置的温度传感器来间接测量半导体激光元件的温度，所以即使利用温度传感器的检测温度来进行温度调节，半导体激光元件的温度也不一定与温度传感器的检测温度相同。即，即使利用珀尔帖元件对温度传感器进行温度调节，半导体激光元件的温度也会根据周围温度的变化而变化。其结果，在激光的振荡波数中产生比±0.01cm^-1大的变动。

现有技术文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2009-216385号

技术实现要素：

因此，为了解决上述问题，本发明的主要课题在于抑制半导体激光元件的振荡波数受到周围温度的影响而变动。

即，本发明提供一种半导体激光装置，其特征在于包括：半导体激光元件；调温部，对所述半导体激光元件进行温度调节；温度传感器，检测所述调温部的温度；以及温度控制装置，控制向所述调温部供给的供给信号，以使所述温度传感器的检测温度成为规定的目标温度，所述温度控制装置根据向所述调温部供给的供给信号来改变所述调温部的目标温度。另外，作为向调温部供给的供给信号可以考虑向调温部供给的供给电流、供给电压或供给电力。

在周围温度变化的情况下，向调温部供给的供给信号变化，以使温度传感器的检测温度成为目标温度。此时，半导体激光元件的温度与温度传感器的检测温度不同，振荡波数变化。在本发明中，由于温度控制装置根据向调温部供给的供给信号来改变调温部的目标温度，所以能够抑制由周围温度的变化引起的半导体激光元件的温度的变化，能够抑制半导体激光元件的振荡波数受到周围温度的影响而变动。

作为温度控制装置的具体的实施方式，优选的是，所述温度控制装置包括：关系数据存储部，存储表示向所述调温部供给的供给信号与所述调温部的目标温度的关系的关系数据；供给信号取得部，取得向所述调温部供给的供给信号；以及供给控制部，根据取得的所述供给信号从所述关系数据取得所述调温部的目标温度，并且以成为该取得的目标温度的方式控制向所述调温部供给的供给信号。按照这种结构，能够抑制半导体激光元件的振荡波数受到周围温度的影响而变动。

可以认为在控制调温部的情况下即使在其稳定时供给信号也微小变动。在这种情况下，即使周围温度未变化，也有可能改变目标温度。因此，优选的是，所述供给控制部根据取得的所述供给信号的每个规定期间的平均值，从所述关系数据取得所述调温部的目标温度。此外，优选的是，在取得的所述供给信号的平均值的变化幅度小于规定值的情况下，所述供给控制部不改变所述调温部的目标温度。

在改变半导体激光元件的振荡波数的设定值来使用的情况下，所述关系数据存储部对所述半导体激光器的每个振荡波数存储表示向所述调温部供给的供给信号与所述调温部的目标温度的关系的关系数据。

此外，本发明还提供一种半导体激光装置的驱动方法，所述半导体激光装置具有：半导体激光元件、对所述半导体激光元件进行温度调节的调温部、以及检测所述调温部的温度的温度传感器，在所述半导体激光装置中，控制向所述调温部供给的供给信号，以使所述温度传感器的检测温度成为规定的目标温度，所述半导体激光装置的驱动方法的特征在于，根据向所述调温部供给的供给信号来改变所述调温部的目标温度。

此外，本发明还提供一种半导体激光器的驱动程序，所述半导体激光装置包括：半导体激光元件；调温部，对所述半导体激光元件进行温度调节；温度传感器，检测所述调温部的温度；以及控制装置，控制向所述调温部供给的供给信号，以使所述温度传感器的检测温度成为规定的目标温度，所述驱动程序的特征在于，使所述控制装置发挥根据向所述调温部供给的供给信号来改变所述调温部的目标温度的功能。

按照如上所述的本发明，由于根据向调温部供给的供给信号来改变调温部的目标温度，所以能够抑制半导体激光元件的振荡波数受到周围温度的影响而变动。

附图说明

图1是使用本实施方式的半导体激光装置的排气分析装置的整体示意图。

图2是同一种实施方式的半导体激光装置的整体示意图。

图3是与同一种实施方式的半导体激光元件部的光波导方向正交的剖视图。

图4是同一种实施方式的半导体激光元件部的a-a线剖视图。

图5是表示量子级联激光器的发光原理的图。

图6是同一种实施方式的半导体激光装置的功能框图。

图7是表示同一种实施方式的周围温度变化时的动作内容的示意图。

附图标记说明

10···气体分析装置

11···测定单元

12···光检测器

13···分析部

100···半导体激光装置

2···半导体激光元件

32···珀尔帖元件(调温部)

4···温度传感器

5···温度控制装置

51···关系数据存储部

52···供给信号取得部

53···供给控制部

具体实施方式

下面，参照附图对本发明一种实施方式的半导体激光装置进行说明。

如图1所示，本实施方式的半导体激光装置100例如用于气体分析装置10，该气体分析装置10对从内燃机或外燃机排出的排气或大气中的测定对象成分进行分析。在此，气体分析装置10具有：导入排气的多重反射型的测定单元11；半导体激光装置100，向测定单元11照射激光；光检测器12，检测通过测定单元11的激光；以及分析部13，利用光检测器12的检测信号对测定对象成分进行分析。

具体地说，半导体激光装置100射出相对于测定对象成分的吸收波数为±1cm^-1左右的振荡波数的激光，如图2所示，其包括：半导体激光元件2；调温模块3，对该半导体激光元件2进行温度调节；设置于该调温模块3的温度传感器4；以及温度控制装置5，基于该温度传感器4的检测温度来控制调温模块3。

半导体激光元件2例如是量子级联激光元件(qcl：quantumcascadelaser量子级联激光器)，例如振荡中红外(4μm～10μm)的激光。该半导体激光元件2也能够通过被提供的电流(或电压)来调制(改变)振荡波数(振荡波长)。半导体激光元件2通过激光控制装置6来控制其电流(或电压)。

如图3和图4所示，半导体激光元件2例如是分布反馈型激光器(dfb激光器：distributedfeedbacklaser)，包括设置在半导体基板20上的由包层和芯层构成的光波导路2a。在该光波导路3a中，由于包层的折射率与芯层的折射率的差异，光通过芯层。

具体地说，在半导体激光元件2中，在半导体基板20的上表面，缓冲层21、芯层22、上部包层23和覆盖层24以此顺序形成。此外，这些层21～24均沿同一方向延伸，并且其宽度方向的侧面被保护膜25覆盖，由此形成沿一个方向延伸的光波导路2a。另外，保护膜25是无机膜，例如可以是sio2或sio2和si3n4的组合。

缓冲层21和上部包层23均为由inp构成的层。另外，可以在缓冲层21和芯层22之间设置由inp构成的下部包层，也可以使缓冲层21作为包层发挥功能。

覆盖层24是由ingaas构成的层，其上表面的一部分(宽度方向两侧)被保护层25覆盖。此外，覆盖层24的上表面的其他部分(宽度方向中央部)被上部电极26覆盖。

芯层22具有：由ingaas构成的下部引导层221、通过注入电流而发出光的活性层222、以及由ingaas构成的上部引导层223。

活性层222由具有多个阱层的多重量子阱结构构成，并且是成为发光区域的半导体层和成为注入区域的半导体层以规定数交替层叠而构成。另外，多个阱层的厚度可以不同。成为发光区域的半导体层由ingaas和inalas交替层叠而构成，成为注入区域的半导体层由ingaas和inalas交替层叠而构成。

以上述方式构成的半导体激光元件部是如图5所示多个阱层以多级连接并通过形成在这些量子阱中的子带间的光学跃迁而发出光的量子级联激光器。另外，半导体激光器2可以是分布反射型激光器(dbr激光器)。

在该半导体激光元件2中，在芯层22和上部包层23之间即在上部引导层223上形成有衍射光栅2b(参照图4)。该衍射光栅2b由在上部引导层223交替形成的凹部和凸部构成，凹部和凸部沿上部引导层223的宽度方向延伸。规定振荡波数的光通过该衍射光栅2b增强并选择性地放大。另外，规定振荡波数由衍射光栅2b的间距来规定。

在半导体基板20的下表面设置有下部电极37。并且，通过向上部电极26和下部电极27提供激光振荡用的电流(或电压)，射出由衍射光栅2b规定的规定振荡波数的激光。激光振荡用的上部电极26和下部电极27与电流源(或电压源)连接，激光控制装置8控制该电流源(或电压源)。

激光控制装置6通过输出电流(或电压)控制信号来控制半导体激光元件2的电流源(或电压源)。具体地说，激光控制装置6通过输出电流(或电压)控制信号来控制半导体激光元件2的电流源(或电压源)，能够使半导体激光元件2连续振荡(cw)或以脉冲状振荡(脉冲驱动)。另外，在脉冲驱动也包括光检测器中的检测信号为连续的准连续振荡(准cw)。

调温模块3具有：基板31，半导体激光元件2搭载在作为一面的表面；以及作为调温部的珀尔帖元件32，以吸热面与该基板31的作为另一面的背面接触的方式设置。珀尔帖元件32是能够通过电流控制发热和吸热的半导体元件，并且具有如下结构：利用金属电极将交替排列的多个n型半导体和p型半导体串联并由一对陶瓷基板夹持它们。另外，调温模块3可以不具备基板31，而在珀尔帖元件32的吸热侧的陶瓷基板上搭载半导体激光元件。此外，作为调温部能够使用压缩机、使用电热丝、使用风扇以及使用水冷方式等。

温度传感器4设置在所述基板31的表面，检测搭载有半导体激光元件2的基板31的温度。该温度传感器4例如是热敏电阻。在本实施方式中，温度传感器4与半导体激光元件2分开设置，但是也可以与半导体激光元件2接触设置。

在本实施方式中，半导体激光元件2和冷却模块3收容在气密容器7内。在该气密容器7中，在与半导体激光元件2的光射出部相对的部位形成有用于向外部导出激光的光导出部71。在该光导出部71设置有光学窗部件8，该光学窗部件8稍许(例如2度)倾斜，以使被光学窗部件8反射的激光不会再次返回半导体激光元件2。由收容有该半导体激光元件2和冷却模块3等的气密容器7构成发光模块。

温度控制装置5基于温度传感器4的检测温度，对向珀尔帖元件32供给的供给电流、供给电压或供给电力进行反馈控制。具体地说，温度控制装置5通过输出电流(或电压)控制信号来控制珀尔帖元件32的电流源(电压源)。

该温度控制装置5作为结构是具有cpu、存储器、输入输出接口和ad转换器等的通用或专用计算机。并且，温度控制装置5基于存储于存储器的驱动程序使cpu及其周边设备动作，由此控制向珀尔帖元件32供给的供给电力。

具体地说，如图6所示，温度控制装置5具有：存储关系数据的关系数据存储部51，该关系数据表示使半导体激光元件2的振荡波数固定时的温度传感器4的目标温度与珀尔帖元件32的供给电力的关系；供给数据取得部52，取得表示向珀尔帖元件32供给的供给电力的供给数据；以及供给控制部53，对向珀尔帖元件32供给的供给电力进行反馈控制。

关系数据存储部51存储有关系数据，该关系数据表示使半导体激光元件2的振荡波数(振荡波长λ1)固定时的温度传感器4的目标温度t与珀尔帖元件32的供给电力p的关系。

该关系数据的生成方法例如如下所述。

将作为供试件的半导体激光装置100的发光模块收容于恒温容器(未图示)，使周围温度(外部空气温度)例如从5℃变更到45℃，以在该周围温度下使半导体激光元件2的振荡波长固定(λ1)的方式控制珀尔帖元件32。

将在各周围温度下半导体激光元件2的振荡波长固定(λ1)时的珀尔帖元件32的检测温度和此时的供给电力进行记录。关于该供给电力，检测向珀尔帖元件32供给的供给电流和供给电压并根据这些供给电流和供给电压来计算供给电力。

由此，在使半导体激光元件2的振荡波长固定(λ1)的情况下，知道周围温度变化时的目标温度与供给电力的关系。将表示这个的关系数据存储在关系数据存储部51中。在此，关系数据可以表示各目标温度的绝对值(t1、t2、t3、···)与各供给电力的绝对值(p1、p2、p3、···)的关系，也可以表示相对于成为基准的目标温度(t1)的变化部分(δt1(＝t2-t1)、δt2(＝t3-t1)、···)与相对于成为基准的供给电力(p1)的变化部分(δp1(＝p2-p1)、δp2(＝p3-p1)、···)的关系。

另外，在不仅生成一个振荡波长(λ1)而生成不同的振荡波长(λ2)的关系数据的情况下，进行与上述相同的作业。另外，关系数据并不限定于两个，可以具有多个振荡波长各自的关系数据。

此外，还将周围温度相关联于该关系数据，由此能够根据供给电力来检测周围温度。即，也能够将珀尔帖元件32用作周围温度传感器。

供给数据取得部52在以温度传感器4的检测温度成为固定的目标温度的方式控制珀尔帖元件32的状态下，取得向该珀尔帖元件32供给的供给电流和供给电压，并且利用这些供给电流和供给电压来计算供给电力。

在此，由电流传感器检测向珀尔帖元件32供给的供给电流，由电压传感器检测供给电压。另外，在对珀尔帖元件32进行电流控制的情况下，能够使用该电流控制的设定值，在对珀尔帖元件32进行电压控制的情况下，能够使用该电压控制的设定值。供给数据取得部52将计算出的供给电力数据向供给控制部53输出。

供给控制部53从关系数据存储部51接收关系数据，并且从供给数据取得部52接收供给电力数据。并且，供给控制部53根据供给电力数据和关系数据改变温度传感器4的目标温度，以使振荡波数(振荡波长)固定，并且控制珀尔帖元件32的供给电力，以使温度传感器4的检测温度成为变更后的目标温度。另外，供给控制部53构成为在取得的供给电力的变化幅度小于规定值的情况下不改变珀尔帖元件32的目标温度。在此，规定值是用于区别在周围温度不变化时在以成为目标温度的方式控制珀尔帖元件32的状态下产生的供给电力的变化幅度和周围温度变化时产生的供给电力的变化幅度的阈值。

<半导体激光装置100的动作>

接着，参照图7，说明用于使半导体激光装置100的振荡波数(振荡波长)固定的动作。另外，以下所示的温度是用于进行说明的，与实际的数值不同。

例如，周围温度(外部空气温度)是27℃，在控制珀尔帖元件32使温度传感器4的检测温度成为25.0度的状态下，使半导体激光元件2振荡。此时，实际的半导体激光元件2的温度例如是70.0度。

在这种状态下，激光控制装置6控制向半导体激光元件2提供的电流(或电压)，使规定波数(规定波长)的激光从半导体激光元件2射出(参照图7(1))。

并且，在周围温度从27℃向30℃变化的情况下，温度控制装置5控制珀尔帖元件32，使温度传感器4的检测温度成为25℃。此时，由于周围温度变化，向珀尔帖元件32供给的供给电力增加，半导体激光元件2被过度冷却，例如变化为69.6度且振荡波数(振荡波长)变动(参照图7(2))。

温度控制装置5的供给数据取得部52取得珀尔帖元件32的供给电力数据。并且，温度控制装置5的供给控制部53根据供给电力数据和关系数据改变目标温度，以使半导体激光元件2的振荡波数(振荡波长)固定。例如，将温度传感器4的目标温度变更为24.5℃。由此，供给控制部53控制珀尔帖元件32的供给电力，以使温度传感器4的检测温度成为24.5℃(参照图7(3))。

<本实施方式的效果>

按照本实施方式的半导体激光装置100，利用使半导体激光元件2的振荡波数(振荡波长)固定时的目标温度与珀尔帖元件32的供供给电力的关系，以使半导体激光元件2的振荡波数固定的方式改变目标温度，因此能够抑制半导体激光元件2的振荡波数受到周围温度的影响而变动。

例如，在半导体激光装置100对排气中的测定对象成分进行分析的情况下，除了半导体激光元件2自身产生的热量的影响以外，半导体激光元件10的周围温度有可能由于作为样品气体的排气的温度影响或大气的温度影响而大幅度变动。应用了本发明的半导体激光装置100能够抑制半导体激光元件2的振荡波数受到周围温度的影响而变动，因此能够精度良好地对排气进行分析。此外，在半导体激光装置100对大气中的污染物质等进行分析的情况下，例如有可能在野外从数小时到数日连续分析而容易受到大气的温度影响。应用了本发明的半导体激光装置100能够抑制半导体激光元件2的振荡波数受到周围温度的影响而变动，因此能够精度良好地对大气中的污染物质进行分析。

<其他变形实施方式>

另外，本发明并不限定于所述各实施方式。

例如，温度控制装置5的电力控制部53利用供给电力数据和关系数据来改变目标温度，但是也可以利用这些数据来调整供给电力。例如电力控制部53利用δwncorr＝a×ppel+b的关系来调整供给电力。另外，δwncorr是振荡波数(振荡波长的倒数)的修正量，ppel是向珀尔帖元件32的供给电力。系数a、b是根据包含于关系数据的值或关系数据求出的值。

所述实施方式的供给信号取得部可以取得表示向调温部供给的供给电流或供给电压的供给信号。在这种情况下，在关系数据存储部中存储有表示使半导体激光元件的振荡波数固定时的目标温度与调温部的供给电流或供给电压的关系的关系数据。并且，供给控制部根据供给信号和关系数据以使振荡波数(振荡波长)固定的方式改变温度传感器4的目标温度，并且控制调温部的供给电流或供给电压，以使温度传感器4的检测温度成为变更后的目标温度。

在所述实施方式中，对具有量子级联激光元件的半导体激光装置进行了说明，但是也可以具有其他半导体激光元件2。

温度控制装置5可以根据向珀尔帖元件供给的供给电流和供给电压来监测珀尔帖元件的电阻值的变化，进行珀尔帖元件的劣化判断或寿命判断。

此外，只要不违反本发明的宗旨，可以进行各种实施方式的变形或组合。

工业实用性

按照本发明，能够抑制半导体激光元件的振荡波数受到周围温度的影响而变动。