CN104596639B - 一种用于半导体光源的远场三维强度的表征装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于半导体光源的远场三维强度的表征装置，能够探测半导体光源真实的远场三维强度分布。该表征装置，包括底座、光电探测器、旋转组件和摆动组件；所述旋转组件固定于底座上，摆动组件通过安装支架固定于旋转组件的旋转部，使得摆动组件的整体能够由所述旋转组件带动旋转且其自身的摆动保持相对独立；光电探测器固定安装于摆动组件上，光电探测器因摆动组件的摆动形成的弧形轨迹始终垂直于旋转部的旋转平面，并与旋转部的旋转轴共面。本发明结构简明，可靠性高，不存在旋转臂之间相互干涉现象，能够测得半导体激光器辐射强度真实的空间三维分布，可进一步实现远场特性表征。

Description

一种用于半导体光源的远场三维强度的表征装置

技术领域

本发明属于半导体光源测试技术领域，涉及一种用于半导体光源的远场三维强度的表征装置，测试半导体光源在远场处随角度变化的空间光强度分布。

背景技术

半导体光源主要包括半导体激光光源和LED光源。

半导体激光器具有体积小、重量轻、效率高、寿命长等优点，已广泛用于激光加工、激光医疗、激光显示及科学研究领域，成为新世纪发展快、成果多、学科渗透广、应用范围大的综合性高新技术。半导体激光器的远场特性不仅在评价激光光束长距离传播的均匀性具有重要性；同时可以用于分析半导体激光器内部失效机制，为研制高性能半导体激光器提供依据；也是为设计光束准直系统，提供准确发散角数据，是进一步提高光纤耦合效率的重要依据。为此，精确快速地表征半导体激光器远场特性显得尤为重要。

半导体激光器的远场特性已有多种表征方法，如刀口法，二阶矩法，可变光阑法，但是都存在的不同缺陷。刀口法只适用于只有一个光斑的椭圆或圆光束，不能用来测量半导体激光器阵列发出的分散光束。二阶矩法是利用CCD测出激光束某一截面上的光能量(功率)分布密度，获得半导体激光器上远场光能量的空间分布。但由于CCD光敏面较小，无法接收只进行简单准直的大发散光束，另外阵列二极管的功率都比较大，容易使CCD产生饱和，只有将光能量进行衰减再探测，但是经过大幅度衰减后，光强分布的大量高阶分量被滤掉，从而无法得到完整的光强分布和准确的光斑尺寸，测量误差很大，因此这种方法只适合小功率的激光器。可变光阑法是将一个可变孔径的光阑放置于光束测量平面上，改变孔径的大小，测量透过的功率或能量的变化。该方法适合测量圆形光束对于半导体激光器的椭圆形光束则无法测量。

目前测试半导体激光器远场发散角通常采用毛玻璃CCD成像法和双轴旋转空间扫描法。在毛玻璃CCD成像法中，激光照射到毛玻璃上产生散射光斑，CCD所采集到的散射光斑和激光实际的光斑存在不一致的空间分布，不能客观反映半导体激光器远场的强度分布。双轴旋转空间扫描法(中国专利申请CN101825517A、CN101929889A)采用以半导体激光器为圆心，两扫描臂为半径，两臂上放置探测器，分别探测半导体激光器的快轴和慢轴方向的远场空间强度分布。该方法能够真实反映半导体激光器的空间强度分布，但是半导体激光器必须和探测器在同一扫描面内，使用过程中极易出现半导体激光器略微倾斜放置，因此在远场处测试强度会产生较大的强度测试偏差。

而对于LED光源，目前LED光源空间分布的探测主要采用半圆扫描法(中国专利申请200810027632.1)，在该方法中，光电探测器放置于半圆上，通过旋转半圆环便可采集LED光源的空间分布。该方法中所放置的LED强度探测器受到自身体积限制，空间角分辨率低，引起了所探测的强度分布中的细节不能得到充分的分辨。

发明内容

本发明主要克服现有半导体光源远场强度测试装置中存在的不足，提供一种用于半导体光源的远场三维强度的表征装置，能够探测半导体光源真实的远场三维强度分布。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种用于半导体光源的远场三维强度的表征装置，包括底座、光电探测器、旋转组件和摆动组件；所述旋转组件固定于底座上，摆动组件通过安装支架固定于旋转组件的旋转部，使得摆动组件的整体能够由所述旋转组件带动旋转且其自身的摆动保持相对独立；光电探测器固定安装于摆动组件上，光电探测器因摆动组件的摆动形成的弧形轨迹始终垂直于旋转部的旋转平面，并与旋转部的旋转轴共面。

基于以上方案，本发明还进一步作如下优化：

摆动组件具有弯折形态，整体上主要分为摆动部和直线型的驱动部，光电探测器固定安装于摆动部上，驱动部的自转能够带动摆动部以驱动部的轴心线为轴进行旋转。

摆动组件的驱动电机是与所述驱动部同轴安装的旋转电机。

驱动部与摆动部可以是一体件，也可以是分立件相固连。

摆动组件优化的第一类形式：

光电探测器固定安装于摆动部的中部，记该位置为A点，驱动部的轴心线与摆动部相交有两个交点记为B、C，则AB与AC为轴对称且距离相等；交点B和交点C处分别沿所述轴心线形成延伸部，所述安装支架具有两个支撑臂，分别对应套接在这两个延伸部；其中一个延伸部即作为所述驱动部，旋转电机位于支撑臂的外侧。

交点B和交点C可以直接作为摆动部的两个末端，即摆动部与驱动部端接。

在这种摆动组件的结构形式下，摆动部通常优选U型或者V型。

摆动组件优化的第二类形式：

光电探测器固定安装于摆动部的自由末端；驱动部的轴心线与摆动部相交只有一个交点，该交点处沿所述轴心线形成延伸部即作为所述驱动部；所述安装支架具有一个支撑臂，套接在该延伸部，套接位置位于旋转电机的内侧。

在这种摆动组件的结构形式下，摆动部通常优选不超过90度的弧型或者斜向的直线型。

对于本发明表征装置，还可以设置一个封装壳体，在封装壳体的前端面开设通光孔，通光孔与摆动部的安装距离保证光电探测器对通光孔入光的180度扫描。

采用以上表征装置实现远场三维强度测量的方法，包括以下步骤：

(1)使旋转组件保持在某一测量方位角，驱动摆动组件的摆动部旋转半周，光电探测器获得在当前测量方位角处的光强180度分布；

(2)驱动旋转组件步进一个方位角，再次执行步骤(1)；

(3)继续步骤(2)，直至旋转组件步进完成180度方位角，最终获得了空间三维强度分布。

摆动组件的驱动电机和旋转组件的驱动电机都可以采用步进电机。或者也可以是电机连续转动，通过采样控制确定离散测量位点。

本发明具有以下优点：

(1)本发明的半导体光源的远场三维强度的表征装置可以用于测试半导体激光光源、LED光源的远场强度。

(2)本发明的半导体光源的远场三维强度的表征装置结构简明，可靠性高，不存在旋转臂之间相互干涉现象。

(3)本发明的半导体光源的远场三维强度的表征装置能够测得半导体激光器辐射强度真实的空间三维分布，可进一步实现远场特性表征。

(4)本发明的半导体光源的远场三维强度的表征装置消除了传统方案半导体激光器和探测器由于中心对准偏差引起的测量校正。

附图说明

图1为本发明实施例一的结构示意图。

图2为本发明实施例二的结构示意图。

图3为本发明实施例三的结构示意图(与图2中通光孔的安装方位相反)。

图4为本发明三维空间扫描的示意图。

图5为本发明实施例三所示结构初始位置。

图6为本发明实施例三所示结构旋转组件步进90度方位角。

图7-图10分别给出了四种较佳的摆动组件的结构形式，如V型、U型、斜向的直线型(自由端安装光电探测器)、90度弧形(自由端安装光电探测器)。

附图标号说明：

1-底座，2-光电探测器，3-摆动组件；4-旋转组件；5-(摆动组件的)摆动部；6-摆动组件的驱动电机(摆动组件的驱动部)；7-旋转组件的驱动电机(旋转组件的驱动部)；8-安装支架；9-支撑臂；10-旋转部；11-通光孔；12-半导体光源，13-吸光隔板。

具体实施方式

如图1所示，本发明实施例一的结构示意图，本发明的主要部件有底座1、光电探测器2、旋转组件4和摆动组件3；光电探测器2用于探测半导体光源所发出的光。旋转组件4固定于底座1上，摆动组件2通过安装支架8固定于旋转组件4的旋转部10，使得摆动组件3的整体能够由所述旋转组件4带动旋转且其自身的摆动保持相对独立；光电探测器2固定安装于摆动组件3上，光电探测器2因摆动组件3的摆动形成的弧形轨迹始终垂直于旋转部10的旋转平面，并与旋转部10的旋转轴共面。

如图1所示摆动组件3的主体为半圆形或者U型的摆动部5，摆动部5的两端平直延伸，分别与安装支架8的两个支撑臂9对应套接，其中一个延伸部即作为直接带动摆动部5的驱动部，摆动组件的驱动电机6位于一个支撑臂7的外侧。

本实施例中，可以将该用于半导体光源的远场三维强度装置设置在封装壳体内此外，可以设计通光孔11与旋转组件4的驱动电机7分别位于摆动部的两侧，通光孔11与摆动组件3的摆动部5的安装距离保证光电探测器对通光孔入光的180度扫描。将光电探测器2固定安装于摆动部5的中部，摆动组件的驱动电机4驱动摆动部5(带动光电探测器2)围绕转动轴心线旋转，旋转形成的弧线轨迹垂直于旋转部10的旋转平面，并与旋转部10的旋转轴共面。所述弧线轨迹满足对通光孔11出光的180度扫描。旋转组件4的驱动电机7安装于底座1上，在固定底座1上还安装有吸光隔板8，吸光隔板8用作对多余光的吸收。

在进行测试时，将半导体光源设置在通光孔处，按照如下步骤进行测试：

(1)使旋转组件4保持在某一测量方位角，驱动摆动组件3的摆动部5旋转半周，光电探测器2获得在当前测量方位角处的光强180度分布；

(2)驱动旋转组件4步进一个方位角，再次执行步骤(1)；

(3)继续步骤(2)，直至旋转组件4步进完成180度方位角，最终获得了空间三维强度分布。

如图2所示为本发明实施例二的结构示意图，本发明的主要部件有底座1、光电探测器2、旋转组件4和摆动组件3；光电探测器2用于探测半导体光源所发出的光。旋转组件4固定于底座1上，摆动组件3通过安装支架8固定于旋转组件4的旋转部10，使得摆动组件3的整体能够由所述旋转组件4带动旋转且其自身的摆动保持相对独立；光电探测器2固定安装于摆动组件3上，光电探测器2因摆动组件3的摆动形成的弧形轨迹始终垂直于旋转部10的旋转平面，并与旋转部10的旋转轴共面。所述安装支架8具有两个支撑臂9，摆动部5的两端平直延伸，分别与安装支架8的两个支撑臂9对应套接；其中一个延伸部即作为所述驱动部，旋转电机位于支撑臂的外侧。

如图3所示为本发明实施例三的结构示意图，本发明的主要部件有底座1、光电探测器2、旋转组件4和摆动组件3。旋转组件4固定于底座1上，摆动组件3通过安装支架8固定于旋转组件4的旋转部10上，使得摆动组件3的整体能够由所述旋转组件4带动旋转且其自身的摆动保持相对独立；光电探测器2固定安装于摆动组件3上，光电探测器2因摆动组件3的摆动形成的弧形轨迹始终垂直于旋转部10的旋转平面，并与旋转部10的旋转轴共面。所述安装支架8具有两个支撑臂9，摆动部5的两端平直延伸，分别与安装支架8的两个支撑臂9对应套接；其中一个延伸部即作为摆动组件3的驱动部，摆动组件的驱动电机6位于其中一个支撑臂9的外侧。

本实施例中，可以将该用于半导体光源的远场三维强度装置设置在封装壳体内，通光孔11设置在旋转组件4上，并与旋转组件4的驱动电机7同轴安装于封装壳体的前端面；旋转组件4的驱动电机7的输出轴和旋转组件4均为套管形式，留出所述通光孔的位置即可。

此外，也可以设计为通光孔11与旋转组件4的驱动电机7分别位于摆动部的两侧。

如图5和图6为本实施例三测试过程的示意图，针对半导体光源12空间光分布，进行两个方向的扫描，一个方向的扫描用于获取特定方位角的强度探测，另一个方向的扫描用于对180度方位角的扫描。在某一特定方位角处，以半导体光源12为旋转中心，获得在该方位角处的空间强度分布；以等间隔改变方位角，获得另一方位角处的空间强度分布；如此继续，最终获得半导体光源在远场处的空间三维强度分布。

如图4为本发明的三维空间扫描的示意图，第一步使旋转组件4保持在某一测量方位角，驱动摆动组件3的摆动部5旋转半周，第二步驱动旋转组件4步进一个方位角后，再次驱动摆动组件3的摆动部5旋转半周；第三步继续重复第二步，直至直至旋转组件4步进完成180度方位角，最终获得了空间三维强度分布。

图7-图10分别给出了四种较佳的摆动组件的结构形式，如V型、U型、斜向的直线型(自由端安装光电探测器)、90度弧形(自由端安装光电探测器)。

如图7所示，摆动组件为V型，摆动组件的驱动部的轴心线与摆动部的摆动部有两个交点，光电探测器安装在摆动组件的摆动部的中部。

如图8所示，摆动组件为U型，摆动组件的驱动部的轴心线与摆动部的摆动部有两个交点，光电探测器安装在摆动组件的摆动部的中部。

如图9所示，摆动组件的摆动部为斜向的直线型，摆动组件的驱动部的轴心线与摆动部的摆动部有一个交点，光电探测器安装在自由端。

如图10所示，摆动组件的摆动部为不超过90度的弧形，摆动组件的驱动部的轴心线与摆动部的摆动部有一个交点，光电探测器安装在自由端。

Claims (4)

1.一种用于半导体光源的远场三维强度的表征装置，其特征在于：包括底座、光电探测器、旋转组件和摆动组件；

所述旋转组件固定于底座上，摆动组件通过安装支架固定于旋转组件的旋转部，使得摆动组件的整体能够由所述旋转组件带动旋转且其自身的摆动保持相对独立；光电探测器固定安装于摆动组件上，光电探测器因摆动组件的摆动形成的弧形轨迹始终垂直于旋转部的旋转平面，并与旋转部的旋转轴共面；

所述摆动组件具有弯折形态，整体上主要分为摆动部和直线型的驱动部，光电探测器固定安装于摆动部上，驱动部的自转能够带动摆动部以驱动部的轴心线为轴进行旋转；

摆动组件的驱动电机是与所述驱动部同轴安装的旋转电机；摆动组件的驱动电机和旋转组件的驱动电机采用步进电机，或者驱动电机连续转动、通过采样控制确定离散测量位点；

所述光电探测器固定安装于摆动部的自由末端；驱动部的轴心线与摆动部相交只有一个交点，该交点处沿所述轴心线形成延伸部即作为所述驱动部；所述安装支架具有一个支撑臂，套接在该延伸部，套接位置位于旋转电机的内侧。

2.根据权利要求1所述的用于半导体光源的远场三维强度的表征装置，其特征在于：所述摆动部为不超过90度的弧型或者斜向的直线型。

3.根据权利要求1或2所述的用于半导体光源的远场三维强度的表征装置，其特征在于：该用于半导体光源的远场三维强度的表征装置具有封装壳体，在封装壳体的前端面开设通光孔，通光孔与摆动部的安装距离保证光电探测器对通光孔入光的180度扫描。

4.采用权利要求1所述表征装置实现远场三维强度测量的方法，包括以下步骤：

(1)使旋转组件保持在某一测量方位角，驱动摆动组件的摆动部旋转半周，光电探测器获得在当前测量方位角处的光强180度分布；

(2)驱动旋转组件步进一个方位角，再次执行步骤(1)；

(3)继续步骤(2)，直至旋转组件步进完成180度方位角，最终获得了空间三维强度分布。