CN101442181B - 一种半导体激光器准直透镜制作装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能够改变准直透镜面形的一种半导体激光器准直透镜制作装置，解决了现有准直透镜或透镜组体积大、成本高、装调困难、能量利用率低等问题。本发明包括二维微调台、环形紫外光源、电极、注射器、光斑检测摄像机和面形检测光路；半导体激光器位于环形紫外光源中央，且二者位于二维微调台上；环形紫外光源环壁内侧面均布设有三个以上紫外发光二极管；面形检测光路由白光光源、反光镜、镜头和面形检测摄像机组成；电极和注射器垂直位于二维微调台上方，且半导体激光器、电极、光斑检测摄像机三者的轴向中心线重合。本发明工艺简单，成本低；在半导体激光器的出光窗口上直接滴液滴制作准直透镜，免装调，且体积小，重量轻，能量利用率高。

Description

一种半导体激光器准直透镜制作装置

技术领域

本发明涉及一种准直透镜制作装置，特别涉及能够改变准直透镜的面形并能够实时检测半导体激光器出射光束准直状态的半导体激光器准直透镜制作装置。

背景技术

半导体激光器作为一种小型高可靠性的光源，具有体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可直接调制等优点，因此广泛应用在光通讯、光存储、激光加工、激光手术等领域。

但是，半导体激光器由于其特殊的有源区波导结构，其出射光束在平行于结平面的发散角在10°-20°范围，而垂直于结平面的发散角在30°-60°范围，因此，其发出的激光波面不是平面波，也不是球面波，而是像散椭圆高斯光束，其出射光束的截面是椭圆。这就给半导体激光器的准直带来了困难，必须分别对两个方向上的光束进行准直。

目前常见的半导体激光器准直方法主要有球面单透镜法、组合球面透镜法、组合柱面透镜法等等。球面单透镜法是采用单个球面透镜对半导体激光器出射光束进行准直，由于只有单个透镜，使准直系统体积小、重量轻、装调方便，且反射面较少，光束能量利用率较高；但是球面单透镜无法实现对两个方向上光束的同时准直，因此得到的光束仍然是椭圆形，准直效果差。组合球面透镜法是采用两片或两片以上的球面透镜，每片或每组透镜分别对垂直于结(快轴)方向和平行于结(慢轴)方向的光束进行准直；这种方法可以实现对两方向光束的同时准直，能得到圆形截面的出射光束。组合柱面透镜法的原理与组合球面透镜法类似，柱面透镜1和柱面透镜2正交放置，利用柱面透镜1准直快轴方向光束，柱面透镜2准直慢轴方向光束，由于柱面镜或光楔类元件在一个方向的放大率为1，而另一个方向的放大率具有增大或减小的效果，因此与球面组合透镜法相比，装调较为方便，能得到较好的光束准直效果。例如中国专利公开号CN1553243，公开日2004年12月08日，名称为“采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法”的专利，该发明涉及一种采用微透镜阵列对实现大功率半导体激光束准直的方法，正交连续微透镜中的两柱面微透镜分别对垂直结方向(快轴方向)和平行结方向(慢轴方向)的光束进行准直。快轴方向采用单一柱面镜实现准直；慢轴方向采用多个柱面透镜排列起来形成线阵，每一个微透镜和一个发光区一一对应，分别对每一个发光区的光束进行准直。该发明实现了对大功率半导激光器光束的准直和消像散，从而得到能量集中，发散角小，准直度高的激光光束。该发明所涉及的半导体激光器准直方法就属于组合柱面透镜法。

该方法的不足之处在于：采用多片透镜组合的方式，体积较大，重量较重，成本较高，多片透镜的安装调试困难，且光束能量在光学面上的反射及光学元件对能量的吸收随着透镜数量的增多而增大，因此能量利用率较低。而且，在实际生产中，每个半导体激光器产品的发散角参数不可能完全一样，总是存在误差，因此用同一参数的准直系统不能最好地实现对每个半导体激光器的准直，不能为每个半导体激光器量身定做准直系统。

发明内容

为了解决现有半导体激光器准直透镜或透镜组体积大、成本高、装调困难、能量利用率不高等问题，本发明提供一种工艺简单、体积小、制造成本低、免装调，能量利用率高，且能为每个半导体激光器量身定做准直透镜的一种半导体激光器准直透镜制作装置。

实现上述目的的结构设计方案是这样的：

一种半导体激光器准直透镜制作装置包括主框架、二维微调台1、环形紫外光源2、电极6、注射器14、光斑检测摄像机8和面形检测光路；

所述主框架由底部的方形底板16，左部的左侧板9，后部的后侧板10组成，左侧板9下部设有反光镜孔；主框架中部设有二维微调台1，二维微调台1上设有环形紫外光源2，二维微调台1中部设有半导体激光器3，半导体激光器3位于环形紫外光源2中央，半导体激光器3的出光窗口位于顶面，准直透镜4位于半导体激光器3的出光窗口；

所述环形紫外光源2环壁下部均布设有两个以上的门形缺口，环壁内侧面均布设有三个以上紫外发光二极管；左侧板9的反光镜孔位于环形紫外光源2环壁下部左侧的门形缺口处，

所述二维微调台1右部设有白光光源15，白光光源15位于环形紫外光源2环壁下部右侧的门形缺口处，与白光光源15对应在左侧板9的反光镜孔外侧设有反光镜5，反光镜5的上方设有镜头17，镜头17连接着面形检测摄像机18，面形检测摄像机18安装在左侧板9外侧上部；

所述面形检测光路由所述的白光光源15、反光镜5、镜头17和面形检测摄像机18组成，且白光光源15、反光镜5、镜头17和面形检测摄像机18的光轴位于同一个垂直面内；

所述左侧板9内侧壁上部设有左侧板电动平移台7，左侧板电动平移台7上设有光斑检测摄像机8；所述后侧板10前侧壁上部设有后侧板电动平移台11，后侧板电动平移台11上通过支架12设有可左右转动的电动转台13，电动转台13位于二维微调台1的上方，电动转台13上设有电极6和注射器14，且电极6和注射器14垂直位于二维微调台1上方，电极6位于光斑检测摄像机8的下方；所述电极6呈圆柱筒形，电极6的轴向中心线到电动转台13转动中心线的距离和注射器14轴向中心线到电动转台13转动中心线的距离相等；且所述的半导体激光器3、电极6、光斑检测摄像机8三者的轴向中心线重合。

所述电极6由上部的绝缘塑料圆筒和圆筒底部的导电玻璃粘合而成，导电玻璃为椭圆形，且长轴方向与半导体激光器3的慢轴方向一致，导电玻璃的上表面设有氧化铟锡镀层；电极6接0-5500V电压。

所述准直透镜4材料为经紫外光照射能固化的光敏胶。

所述环形紫外光源2的环壁内侧均布设有3-8个紫外发光二极管，发光波长365nm。

所述二维微调台1在水平面两个方向每个方向的移动分辨率为0.001-0.1mm，每个方向的移动行程为5-30mm。

所述左侧板电动平移台和后侧板电动平移台的型号均为GCD-104100M的电控平移台，行程100mm，分辨率0.001mm。

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、采用电场操控液滴透镜面形技术，利用电极和半导体激光器外壳形成的电场，使准直透镜的面形能够随电场作用而改变，从自然状态下的球面变化为两个方向曲率不同的非球面，从而制作非球面的准直透镜，实现对半导体激光器两个方向光束的同时准直。

2、采用单透镜，体积小，重量轻，能量利用率高；在半导体激光器的出光窗口上直接滴液滴制作准直透镜，免装调，且工艺简单，成本低；透镜表面由液滴表面张力和电场作用力相互作用平衡形成，表面光洁度高。

3、采用实时检测技术，在电场操控准直透镜面形的同时，实时检测半导体激光器出射光束截面的光斑图像，面形检测光路实时检测准直透镜的面形图像，并图像处理分析，评价出射光束的准直状态；并采用紫外光固化技术，在检测到出射光束已准直时，将透镜固化得到为该半导体激光器量身定做的固体准直透镜。

附图说明

图1为本发明的等轴测视图；

图2为本发明的主视图；

图3为本发明的控制电路示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

参见图1、图2，一种半导体激光器准直透镜制作装置包括主框架、二维微调台1、环形紫外光源2、电极6、注射器14、光斑检测摄像机8和面形检测光路；

主框架由底部的方形底板16，左部的左侧板9，后部的后侧板10组成，左侧板9下部开设有反光镜孔；主框架中部安装有二维微调台1，二维微调台1在水平面两个方向每个方向的移动分辨率为0.001-0.1mm，每个方向的移动行程为5-30mm，例如大恒新纪元科技股份有限公司型号为GCM-120302BM的二维平移台，每个方向的移动分辨率0.01mm，行程25mm；二维微调台1上安装有环形紫外光源2，二维微调台1中部安装有半导体激光器3，半导体激光器3位于环形紫外光源2中央，半导体激光器3的出光窗口位于顶面；准直透镜4位于半导体激光器3的出光窗口，准直透镜4由光敏胶经紫外光照射固化而成。

环形紫外光源2环壁下部均布开设有四个门形缺口，环壁内侧面均布安装有3-8个紫外发光二极管；紫外发光二极管发光波长365nm，可以调整每个紫外发光二极管的俯仰角，使其发出的光束集中照射在准直透镜4上，环形紫外光源2开启时可以将准直透镜4固化成为固体透镜。左侧板9的反光镜孔位于环形紫外光源2环壁下部左侧的门形缺口处，

二维微调台1右部安装有白光光源15，白光光源15位于环形紫外光源2环壁下部右侧的门形缺口处，与白光光源15对应在左侧板9的反光镜孔外侧安装有反光镜5，反光镜5的上方安装有镜头17，镜头17连接着面形检测摄像机18，面形检测摄像机18安装在左侧板9外侧上部；

面形检测光路由所述的白光光源15、反光镜5、镜头17和面形检测摄像机18组成，且白光光源15、反光镜5、镜头17和面形检测摄像机18的光轴位于同一个垂直面内；面形检测光路由白光光源15照明，经俯仰角可调的反光镜5，用镜头17将准直透镜4的侧面轮廓在面形检测摄像头18上成像，这样可以检测准直透镜4在电场中的变形情况，也可以监视电极6和准直透镜4之间的间距。

左侧板9内侧壁上部安装有左侧板电动平移台7，左侧板电动平移台7上安装有光斑检测摄像机8，左侧板电动平移台7可以带动光斑检测摄像机8在垂直方向移动，使光斑检测摄像机8可以检测半导体激光器3出射光束在光轴方向不同位置的截面光斑图像，从而判断半导体激光器3出射光的准直状态；后侧板10前侧壁上部安装有后侧板电动平移台11，左侧板电动平移台7和后侧板电动平移台11选用大恒新纪元科技股份有限公司型号为GCD-104100M的电控平移台，行程100mm，分辨率0.001mm；后侧板电动平移台11上通过支架12安装有可左右转动的电动转台13，电动转台13位于二维微调台1的上方，电动转台13上安装有电极6和注射器14，且电极6和注射器14垂直位于二维微调台1上方，电极6位于光斑检测摄像机8的下方；电极6呈圆柱筒形，电极6由上部的绝缘塑料圆筒和圆筒底部的导电玻璃粘合而成，导电玻璃为椭圆形，且长轴方向与半导体激光器3的慢轴方向一致，导电玻璃的上表面设有氧化铟锡镀层；电极6接0-5500V电压。电极6的轴向中心线到电动转台13的转动中心线的距离和注射器14轴向中心线到电动转台13的转动中心线的距离相等；通过调整二维微调台1，可以精密调整半导体激光器3在水平面上的位置，使半导体激光器3、电极6、光斑检测摄像机8三者的中心线重合。电动转台13实现电极6和注射器14在准直透镜4正上方位置的切换，注射器14或电极6由后侧板电动平移台11带动实现在垂直方向上的移动，使注射器14可以方便准确地将液滴滴在半导体激光器3的出光窗口上，或者调整电极6和半导体激光器3之间的间距，从而调整两者之间的电场，实现准直透镜4面形的调整。

半导体激光器3外壳接地，电极6接高电压，电极6的电压范围为0-5500V可调；电极6和半导体激光器3外壳形成的电场可以操控准直透镜4的面形，使其成为快轴方向和慢轴方向曲率不同的非球面透镜，从而实现对两个方向发散角不同的半导体激光器光束的准直。

参见图3，图3是本发明的控制电路示意图。图3中：7是左侧板电动平移台，11是后侧板电动平移台，13是电动转台，14是注射器，100是光电限位传感器，8是光斑检测摄像机，18是面形检测摄像机，6是电极，200是AT89S52单片机，300是图像采集卡，400是高压电源，500是主控计算机，600是终端显示器。

由主控计算机500控制整套装置的运行。AT89S52单片机200发出驱动信号，控制各部件运动。光电限位传感器100安装在左侧板电动平移台7、后侧板电动平移台11、电动转台13和注射器14上，作为各部件移动或转动的零点和终点，由AT89S52单片机200处理光电限位传感器100的信号，防止各部件碰撞。由图像采集卡300实时采集光斑检测摄像机8和光斑检测摄像机18的图像信息，传给主控计算机500进行图像处理，并在终端显示器600上显示图像。由主控计算机500控制高压电源400，向电极6施加高电压，操控准直透镜4的面形。

其操作过程是，用注射器14将光敏胶滴在半导体激光器3的出光窗口上形成准直透镜4，利用电极6和半导体激光器3外壳形成的电场操控准直透镜4的面形，使准直透镜4的面形由球面变为非球面。同时，由光斑检测摄像机8实时检测半导体激光器3出射光束的准直状态，面形检测光路实时检测准直透镜4的面形，在检测到半导体激光器3的出射光已经到达准直状态时，开启环形紫外光源2将准直透镜4固化，得到为该半导体激光器3量身定做的单个非球面的准直透镜。

当要制作一个半导体激光器准直透镜时，(这里整句删除)首先，电动转台13将注射器14转动至半导体激光器3的正上方，后侧板电动平移台11再将注射器14向下移动，并用二维微调台1微调半导体激光器3在水平面上的位置，使注射器14将液滴准确地滴在半导体激光器3的出光窗口的中央形成准直透镜4；接着，电动转台13切换注射器14和电极6的位置，使电极6转动至准直透镜4正上方，此时高压电源400向电极6施加电压，利用电场作用操控准直透镜4的面形；同时，光斑检测摄像机8实时检测半导体激光器3的出射光斑图像，由左侧板电动平移台7带动光斑检测摄像机8在垂直方向上移动，使光斑检测摄像机8可以检测半导体激光器3出射光束在光轴方向不同位置的截面光斑图像，从而判断半导体激光器3出射光束的准直状态，并由面形检测光路实时检测准直透镜4面形的改变，并监视准直透镜4和电极6的间距防止微液滴由于电场作用过强而被吸至电极6；如果光斑检测摄像机8检测到的半导体激光器3的出射光束尚未到达准直状态，则可以由后侧板电动平移台11改变电极6与半导体激光器3的间距或者由高压电源400改变电极6的电压来调整电场，从而调整准直透镜4的面形，调整出射光束状态；如果光斑检测摄像机8检测到半导体激光器3的出射光束已经到达准直状态，则开启环形紫外光源2将准直透镜4固化，并由后侧板电动平移台11将电极6向上移动回初始位置；这样，为半导体激光器3量身定做的非球面准直透镜就制作完成了。

Claims (6)

1.一种半导体激光器准直透镜制作装置，其特征在于：包括主框架、二维微调台(1)、环形紫外光源(2)、电极(6)、注射器(14)、光斑检测摄像机(8)和面形检测光路；

所述主框架由底部的方形底板(16)，左部的左侧板(9)，后部的后侧板(10)组成，左侧板(9)下部设有反光镜孔；主框架中部设有二维微调台(1)，二维微调台(1)上设有环形紫外光源(2)，二维微调台(1)中部设有半导体激光器(3)，半导体激光器(3)位于环形紫外光源(2)中央，半导体激光器(3)的出光窗口位于顶面，准直透镜(4)位于半导体激光器(3)的出光窗口；

所述环形紫外光源(2)环壁下部均布设有两个以上的门形缺口，环壁内侧面均布设有三个以上紫外发光二极管；左侧板(9)的反光镜孔位于环形紫外光源(2)环壁下部左侧的门形缺口处；

所述二维微调台(1)右部设有白光光源(15)，白光光源(15)位于环形紫外光源(2)环壁下部右侧的门形缺口处，与白光光源(15)对应在左侧板(9)的反光镜孔外侧设有反光镜(5)，反光镜(5)的上方设有镜头(17)，镜头(17)连接着面形检测摄像机(18)，面形检测摄像机(18)安装在左侧板(9)外侧上部；

所述面形检测光路由所述的白光光源(15)、反光镜(5)、镜头(17)和面形检测摄像机(18)组成，且白光光源(15)、反光镜(5)、镜头(17)和面形检测摄像机(18)的光轴位于同一个垂直面内；

所述左侧板(9)内侧壁上部设有左侧板电动平移台(7)，左侧板电动平移台(7)上设有光斑检测摄像机(8)；所述后侧板(10)前侧壁上部设有后侧板电动平移台(11)，后侧板电动平移台(11)上通过支架(12)设有可左右转动的电动转台(13)，电动转台(13)位于二维微调台(1)的上方，电动转台(13)上设有电极(6)和注射器(14)，且电极(6)和注射器(14)垂直位于二维微调台(1)上方，电极(6)位于光斑检测摄像机(8)的下方；所述电极(6)呈圆柱筒形，电极(6)的轴向中心线到电动转台(13)转动中心线的距离和注射器(14)轴向中心线到电动转台(13)转动中心线的距离相等；且所述的半导体激光器(3)、电极(6)、光斑检测摄像机(8)三者的轴向中心线重合。

2.根据权利要求1所述的一种半导体激光器准直透镜制作装置，其特征在于：所述电极(6)由上部的绝缘塑料圆筒和圆筒底部的导电玻璃粘合而成，导电玻璃为椭圆形，且长轴方向与半导体激光器(3)的慢轴方向一致，导电玻璃的上表面设有氧化铟锡镀层；电极(6)接0-5500V电压。

3.根据权利要求1所述的一种半导体激光器准直透镜制作装置，其特征在于：所述准直透镜(4)材料为经紫外光照射能固化的光敏胶。

4.根据权利要求1所述的一种半导体激光器准直透镜制作装置，其特征在于：所述环形紫外光源(2)的环壁内侧均布设有3-8个紫外发光二极管，发光波长365nm。

5.根据权利要求1所述的一种半导体激光器准直透镜制作装置，其特征在于：所述二维微调台(1)在水平面两个方向每个方向的移动分辨率为0.001-0.1mm，每个方向的移动行程为5-30mm。

6.根据权利要求1所述的一种半导体激光器准直透镜制作装置，其特征在于：所述左侧板电动平移台和后侧板电动平移台的型号均为GCD-104100M的电控平移台，行程100mm，分辨率0.001mm。

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