CN102539116A

CN102539116A - 测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法及装置

Info

Publication number: CN102539116A
Application number: CN2011101006355A
Authority: CN
Inventors: 樊仲维; 朱光
Original assignee: Beijing GK Laser Technology Co Ltd
Current assignee: Beijing GK Laser Technology Co Ltd
Priority date: 2011-04-21
Filing date: 2011-04-21
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2031-04-21
Also published as: CN102539116B

Abstract

本发明公开了一种测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置及方法，其中的方法包括：校准测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置；测量垂直于激光二极管阵列发光面的光谱强度，且通过对相同光谱强度下旋转盘不同的旋转角度进行差值运算，进而获得高功率激光二极管阵列垂直发散角。本发明的优点在于测量装置具有准直系统，能够准确的对激光二极管阵列的垂直发散角和光谱特性进行测量。另外，本发明引入了水冷系统，保证了激光二极管在正常温度下工作。

Description

测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法及装置

技术领域

本发明涉及激光器领域，特别是涉及一种对激光二极管阵列发散角进行测量的装置和方法。

背景技术

由于高功率激光二极管阵列具有体积小，功率大，效率高，可靠性好等优点，目前已经广泛应用于工业、医疗、军事等领域。

在高功率二极管阵列中，其发散角的测量，对于高功率激光二极管发光的耦合具有极其重要的意义。不过，由于大功率激光二极管阵列的光场分布十分复杂且不对称，并且一般来讲，其上的发光单元输出光波是非相干的，远场区域的光强可以是单个发光单元光强的简单叠加。对于典型的高功率激光二极管阵列而言，每个发光单元垂直(横模方向)输出光束的发散角约在40°～60°之间，属于非旁轴光波范畴。

此外，异质结激光二极管阵列的垂直(横模方向)发散角具有类高斯光束特性，所以其发散角的定义较之其它激光二极管阵列可以和高斯光束发散角定义相近，即，可以定义强度为峰值强度1/e²。

对于激光二极管阵列发散角的测量，目前有两种方法，一种是直臂法，就是以发光线为轴作中心，然后旁边再加一个直臂，且通过转动直臂来测量相应的发散角。该方法的优点是简单且容易操作，缺点就是很难保证转轴和发光线是同心，并且需要较大的空间进行直臂操作。另一种是圆盘法，其固定探测器，让激光二极管的发光面旋转，从而测量相应的发散角。其优点是在对低功率的激光二极管进行测量时节省空间，缺点就是测量高功率激光二极管时，如果机械设计不当容易引起转轴和发光线不同心，从而导致测量的准确性不高。

另外，由于激光二极管的输出功率和光谱特性都与本身的温度有关，当使用高功率激光二极管时，必须通循环水使其在恒定的温度下保持正常的工作状态。因此，在对高功率激光二极管阵列进行测量时，最大的问题还是在于循环水系统的引入。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种既能对高功率激光二极管垂直发散角进行测量，又能对光谱特性进行量测的方法和装置。

本发明提出一种测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法，该方法包括如下步骤：

校准和调试测量用的高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置；

测量垂直于激光二极管阵列发光面的光谱强度，且通过对相同光谱强度下旋转盘不同旋转角度之间进行差值运算，进而获得高功率激光二极管阵列垂直发散角。

所述校准和调试测量用的高功率激光二极管阵列垂直发散角装置的步骤进一步包括：

校准红光指示器，以保证在旋转盘旋转过程中激光二极管阵列发光面位置不发生改变；

粗调Z方向的一维俯仰调节器，使得高功率激光二极管阵列的发光线移动到红光指示器发出的红光附近；

精确调节X方向的第一位移调节器，Y方向的第二位移调节器和Z方向上的一维俯仰调节器，进一步使得高功率激光二极管阵列的发光线和红光指示器的红光相切；

调整光纤耦合透镜的位置，且使高功率激光二极管阵列发光面和该光纤耦合透镜相对，并在光纤耦合透镜前面加渐变衰减片，且通过改变衰减倍数和调整可变光阑的通光孔径，直至在光谱仪上显示光谱特征峰值。

进一步，上述所述调整光纤耦合透镜的位置，且使高功率激光二极管阵列发光面和该光纤耦合透镜相对，并在光纤耦合透镜前面加渐变衰减片，且通过改变衰减倍数和调整可变光阑的通光孔径，直至在光谱仪上显示光谱特征峰值的步骤还包括，如果在光谱仪上没有特征峰的时候，则逐渐减少衰减倍数，直到光谱仪上面有特征峰的出现；如果没有衰减却仍然没有特征峰时，则微调可变光阑的通光孔径，直到光谱仪上有特征峰为止。

此外，还进一步包括，如果光谱仪上显示的特征峰比较小，则增加可变光阑的通光孔径；如果特征峰仍然很小，则移近一下可变光阑相对于光耦合透镜的距离，直到光谱仪屏幕上的特征峰达到饱和强度的70％～90％。

所述特征峰的强度为饱和强度的80％。

所述测量垂直于激光二极管阵列发光面的光谱强度，且通过对相同光谱强度下旋转盘不同旋转角度之间的差值运算，进而获得高功率激光二极管阵列垂直发散角的步骤进一步包括：

转动旋转盘，记录峰值强度为1/e²时旋转盘的角度；

进一步，再将旋转盘旋转至相对另一侧，记录此时峰值强度为1/e²时旋转盘的角度；

将前后两次旋转盘角度进行差值运算处理，得到高功率激光二极管阵列的垂直发散角。

此外，本发明还提出一种测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，该装置包括刻有角度坐标的底盘、转动设置于底盘上且具有刻度线的旋转盘、设置于底盘中心且穿过旋转盘的中心轴、安装于旋转盘上且位于中心轴旁的第一位移调节器、固定在第一位移调节器上的L型支架、安装在L型支架上的第二位移调节器、装设于第二位移调节器上的一维俯仰调节器、安装在一维俯仰调节器上的激光二极管阵列支架工装、与所述激光二极管阵列支架工装相连的水冷系统以及正对于激光二极管阵列的发光面且用于对激光二极管阵列的光谱特性进行测量的光谱特性测试装置。

所述光谱特性测试装置包括光谱仪以及光纤耦合透镜，其中，所述光谱仪包括用于连接光纤的光纤接头，所述光纤耦合透镜为增设于该光纤接头处。

所述激光二极管阵列支架工装呈U型。

所述中心轴中设置有与中心轴同轴的红光指示器。

所述水冷系统包括水冷机以及与所述贯穿孔相连接的循环水管。

所述激光二极管阵列支架工装包括底座、支杆以及热沉，其中，所述底座上设置有贯穿底座的连接孔，在该底座两端分别设置有支杆，且在该支杆相对于底座的另一端处设置有贯穿孔，所述热沉两端分别与该所述贯穿孔相连。

所述热沉呈中空状，所述激光二极管阵列为装设于其上。

所述光纤耦合透镜前面附加有可变光阑以及衰减片。

本发明所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法及装置具有以下优点：

1)引入了水冷系统，保证了激光二极管在正常温度下工作；

2)准直系统的引入，即通过将红光指示器放置在中心轴内，保证发光线和转轴中心共线，提高测量的准确性；

3)能够准确的测量激光二极管的发散角和光谱特性。

附图说明

图1为本发明所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置的部分结构示意图。

图2为本发明所述支架的Z方向和Y方向的结构示意图。

图3为本发明所述激光二极管阵列支架工装的结构示意图。

图4为本发明所述光谱特性测试装置示意图。

图5为本发明所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法流程图之一。

图6为本发明所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法流程图之二。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例来对本发明所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置和方法作进一步的详细说明。

参照图1～4中所示，本发明所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置包括底盘1、旋转盘2、中心轴3、第一位移调节器4、L型支架5、第二位移调节器6、一维俯仰调节器7、激光二极管阵列支架工装8、水冷系统以及光谱特性测试装置10。

其中，所述底盘1呈圆盘状，且在该底盘1上刻有角度坐标，具体设计中，该底盘1上的角度为-90°到+90°之间。

所述旋转盘2为活动设置于底盘1上，且在该旋转盘2盘面上具有刻度线，以便于其与底盘1发生相对位置移动的情况下可以根据该刻度线所在位置读出相应的转动角度。

所述中心轴3为设置于底盘1中心且穿过旋转盘2，故上述旋转盘2为通过围绕该中心轴3在底盘1上进行旋转，实际设计时，该所述中心轴3的直径可为20mm，在该所述中心轴3的轴心处挖直径为10～15mm的洞(图中未示)，且在该洞中放置有一直径为13.5mm的红光指示器31，该所述洞的直径大小可根据放置于该洞中的实际红光指示器31的大小来决定，测量时，通过不断旋转旋转盘2让红光指示器31发出的红光310能够垂直向上射出，并且通过微调红光指示器31的方向让其在出射方向1m的空间范围内都能够保持传播方向不变，进一步保证激光二极管阵列的发光面位置在旋转盘旋转过程中不发生改变。

所述第一位移调节器4为X方向的一维位移调节器，其安装于旋转盘2上且位于中心轴3旁，例如，在实际测量时，该第一位移调节器4可安装在距离中心轴3轴心85mm处，位移范围在10mm内。

所述L型支架5，其一边固定在第一位移调节器4上，以便于随着第一位移调节器4沿着旋转盘2半径的方向移动。

所述第二位移调节器6为Y方向的一维位移调节器，且安装在L型支架5上的，目的在于让待测样品100(高功率激光二极管阵列)可以在垂直于旋转盘2半径的方向移动，实际操作时，该第二位移调节器6安装在与旋转盘2相距150mm的L型支架5位置处进行安装。

所述一维俯仰调节器7装设于第二位移调节器6上，该一维俯仰调节器7为Z方向上的俯仰调节器，其可在竖直方向进行俯仰，目的在于让待测样品100能够在Z方向上有俯仰变化，实际操作时，该俯仰角度范围可设置为±5°。

基于上述，在本发明中，所述X方向、Y方向和Z方向为分别基于旋转盘2所在水平面的水平横向方向、水平竖向方向以及垂直竖向方向。

所述激光二极管阵列支架工装8安装在一维俯仰调节器7上，其呈U型，在该U型支架工装主要包括底座80以及设置于底座80两端的支杆81。其中，且在所述底座80开设有贯穿该底座80的连接孔82，相应的在一维俯仰调节器7上开设有螺孔，进而通过在连接孔82处置螺钉并螺紧于上述一维俯仰调节器7上开设的螺孔中，从而将所述激光二极管阵列支架工装8装设于一维俯仰调节器7上；且在所述支杆81上设置有贯穿孔810。

所述水冷系统包括水冷机90以及与所述贯穿孔相连接的循环水管91，且在该贯穿孔与循环水管91相接处采用胶圈密封。

所述光谱特性测试装置10用于对激光二极管阵列的光谱特性进行测量，实际应用中，该光谱特性测试装置10可以置于旋转盘2上且与激光二极管阵列的发光面正对，亦可与旋转盘2处于分离状态，置设于旋转盘2旁且正对于激光二极管阵列的发光面。该光谱特性测试装置10包括光谱仪101以及光纤耦合透镜102，其中，所述光谱仪101为光纤光谱仪，该光谱仪101包括光纤接头，所述光纤接头用以接入光纤，所述光纤耦合透镜102为增设于该光谱仪101光纤接头处，便于将发散光耦合进入到光纤中；此外，在该光纤耦合透镜102前面还附加有可变光阑103，以用于调节相应的光通量，同时还匹配一定的衰减片(图中未示)，防止在调节的时候将光谱仪中的CCD打坏。

此外，在相对于底座80且U型支架工装的开口一端并位于两支杆81之间装设有一热沉83，实际应用中，该所述热沉82为一微型水冷散热片，且该热沉83呈中空状，其与支杆81的贯穿孔810连接，且通过螺纹拧紧，所述激光二极管阵列为装设在该热沉83上，该所述热沉83、贯穿孔810、循环水管91以及水冷机90构成一个水循环通道。

再参见图5和图6所示，其为本发明所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法流程图。

本发明所述测量方法包括：

步骤501：校准和调试测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置；

该步骤501进一步包括：

(1)在使用前去校准相应的红光指示器31，使其在旋转盘2旋转过程中传播方向不变，保证激光二极管阵列的发光面位置不发生变化；

(2)将高功率激光二极管阵列装到激光二极管阵列支架工装8上，接通水冷系统，并对其密封性进行检查，看是否有漏水现象；

(3)将X方向的第一位移调节器4，Y方向的第二位移调节器6，Z方向的一维俯仰调节器7，L型支架5等按照相应的顺序固定到旋转盘2上，与此同时再将高功率激光二极管阵列支架工装8通过底座80上的连接孔82固定到一维俯仰调节器7上，并对其先实施粗调，已使得高功率激光二极管阵列的发光线移动到红光指示器31发出的红光310附近；

(4)精确调节X方向，Y方向位置和Z方向上的俯仰，让高功率激光二极管阵列的发光线和红光指示器31的光相切，确保所述发光线和旋转盘2的圆心共线；

(5)调整放置光谱特性测试装置10，实际测量时，可将光谱特性测试装置10的光纤耦合透镜102放置到一个X方向距离所述发光线100mm位置，Z方向高度为180mm的架子(图中未示)上，该高度可根据高功率激光二极管阵列发光线的中心位置的不同，设计不同的高度，在测量时，由于高功率激光二极管阵列的功率比较大，所以水平距离较远；

(6)将高功率激光二极管阵列的发光面和光纤耦合透镜102相对，且通过在光纤耦合透镜102前面加渐变衰减片以及调整可变光阑103的通光孔径，以确保能够在光谱仪101上显示相应的光谱特征峰值。

实际调试时，在上述步骤(6)所述过程中，如果在光谱仪101上没有出现特征峰，则可以采用逐渐减少衰减倍数的方式，直到光谱仪101上面有特征峰的出现。另外，由于在正常测量的时候，需要取下衰减片，故在没有衰减的时候却仍然没有特征峰的情况下，则可以采用适当的调节可变光阑103通光孔径的方式，直到光谱仪101上有特征峰为止。

如果特征峰比较小的情况，也可以通过增加可变光阑103的通光孔径，如果仍然很小的话，则亦可以适当的移近可变光阑103相对激光二极管阵列之发光面的距离，直到光谱仪101屏幕上的特征峰达到饱和强度，实际应用中，该特征峰强度可以为饱和强度的70％～90％(不同的峰值功率需要放在不同的位置)。

步骤502：测量时，在水冷系统水温稳定时通过光谱仪101首先对垂直于激光二极管阵列发光面的光谱强度进行测量，并通过对相同光谱强度下旋转盘的不同旋转角度之间进行差值运算，从而获得高功率激光二极管阵列的垂直发散角，其中所述光谱强度的峰值强度最好为饱和强度的80％左右；

步骤502进一步包括：

步骤5021：转动旋转盘，获知峰值强度为1/e²时旋转盘的角度；

步骤5022：继续转动旋转盘，且将其旋转到步骤5021位置的相对另一侧，并获知此时峰值强度为1/e²时旋转盘的角度；

步骤5023：对步骤5021和步骤5022前后两次转动角度进行差值运算，进而获得高功率激光二极管阵列的垂直发散角。

另外，由于激光二极管阵列的发散角的定义有多种，通常有1/2，1/10和1/e²等，因此，虽然本发明所述方案中选用的为1/e²，但并不说明不能对其它发散角进行测量。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法，其特征在于，包括以下步骤：

校准测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置；

2.根据权利要求1所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法，其特征在于，所述校准测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置的步骤进一步包括：

校准红光指示器，以保证在旋转盘旋转过程中激光二极管阵列的发光面位置不发生改变；

调整光纤耦合透镜的位置，且使高功率激光二极管阵列发光面和该光纤耦合透镜相对，并在光纤耦合透镜前面加渐变衰减片，且通过改变衰减倍数和调整可变光阑的通光孔径，从而使光谱仪上显示光谱的特征峰值。

3.根据权利要求1所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法，其特征在于，测量垂直于激光二极管阵列发光面的光谱强度，且通过对相同光谱强度下旋转盘不同旋转角度之间进行差值运算，进而获得高功率激光二极管阵列垂直发散角的步骤进一步包括：

转动旋转盘，记录峰值强度为1/e²时旋转盘的角度；

进一步，再将旋转盘旋转至相对另一侧，记录此时强度为1/e²时旋转盘的角度；

将记录的前后两次旋转盘角度进行差值运算处理，得到高功率激光二极管阵列的垂直发散角。

4.根据权利要求2所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法，其特征在于，调整光纤耦合透镜的位置，使高功率激光二极管阵列发光面和该光纤耦合透镜相对，并在光纤耦合透镜前面加渐变衰减片，且通过改变衰减倍数和调整可变光阑的通光孔径，直至在光谱仪上显示光谱特征峰值的步骤进一步包括：

如果在光谱仪上没有特征峰的时候，则逐渐减少衰减倍数，直到光谱仪上面有特征峰的出现；如果没有衰减却仍然没有特征峰时，则微调可变光阑的通光孔径，直到光谱仪上有特征峰为止。

5.根据权利要求2所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法，其特征在于，调整光纤耦合透镜的位置，使高功率激光二极管阵列发光面和该光纤耦合透镜相对，并在光纤耦合透镜前面加渐变衰减片，且通过改变衰减倍数和调整可变光阑的通光孔径，直至在光谱仪上显示光谱特征峰值的步骤还进一步包括：

如果光谱仪上显示的特征峰比较小，则增加可变光阑的通光孔径；如果特征峰仍然很小，则移近一下可变光阑相对于光耦合透镜的距离，直到光谱仪屏幕上的特征峰强度达到饱和强度的70％～90％。

6.根据权利要求5所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的方法，其特征在于，所述特征峰强度为饱和强度的80％。

7.一种测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，该装置包括刻有角度坐标的底盘、转动设置于底盘上且具有刻度线的旋转盘、设置于底盘中心且穿过旋转盘的中心轴、安装于旋转盘上且位于中心轴旁的第一位移调节器、固定在第一位移调节器上的支架、安装在支架上的第二位移调节器、装设于第二位移调节器上的一维俯仰调节器、安装在一维俯仰调节器上的激光二极管阵列支架工装、与所述激光二极管阵列支架工装相连的水冷系统以及正对激光二极管阵列的发光面且用于对激光二极管阵列的光谱特性进行测量的光谱特性测试装置。

8.根据权利要求7所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，所述光谱特性测试装置包括光谱仪以及光纤耦合透镜，其中，所述光谱仪包括用于连接光纤的光纤接头，所述光纤耦合透镜为增设于该光纤接头处。

9.根据权利要求7所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，所述激光二极管阵列支架工装呈U型。

10.根据权利要求7所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，所述中心轴中设置有与中心轴同轴的红光指示器。

11.根据权利要求8所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，所述光纤耦合透镜前面附加有可变光阑以及衰减片。

12.根据权利要求9所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，所述激光二极管阵列支架工装包括底座、支杆以及热沉，其中，所述底座上设置有贯穿底座的连接孔，在该底座两端分别设置有支杆，且在该支杆相对于底座的另一端处设置有贯穿孔，所述热沉两端分别与该所述贯穿孔相连。

13.根据权利要求9所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，所述水冷系统包括水冷机以及与所述贯穿孔相连接的循环水管。

14.根据权利要求12所述测量高功率激光二极管阵列垂直发散角的装置，其特征在于，所述热沉呈中空状，所述激光二极管阵列为装设于其上。