CN105024277B - 一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构，包括平板矩形肋片散热器，用于安装半导体激光管的激光器底座、电流源控制器、温度控制器、散热顶盖，用来放置优化光束质量的光学元件的遮光筒六个模块。每个模块的四个角设计螺纹孔，用来进行模块间的安装连接。内部凸台的螺纹孔进行相应电路板固定作用。模块面板上分别开有对应电子元件尺寸的小孔，便于显示，调试等操作。本发明半导体激光器与控制器一体化小型化结构作为小型化原子器件的核心部件之一，其体积小，重量轻，散热均匀，结构紧凑等优点，具有重要的工程使用价值。

Description

一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构

技术领域

本发明涉及一种半导体激光器结构，特别涉及一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构，具体的说是一种半导体激光器安装底座与控制器一体化设计的机械结构。

背景技术

原子、量子技术的快速发展，半导体激光器的发挥的作用更是不容小觑，这就亟需研制体积小足够小，便于组装进其他设备的小型化半导体激光器。传统的激光器组件都是将激光器底座与控制器分别进行结构设计，其中温控部分和电流控制部分又分别设计，这样分为三个部分虽然便于测试，但却明显使得激光器总的体积增大，浪费了安装空间，不利于系统的集成。

美国ILX lightwave、Throlabs是半导体激光器驱动控制器设计的领先公司，但是该公司生产的半导体激光器组件多是分别设计电流控制器，温度控制器，激光器安装底座，没有将三者集成化设计方案，另一方面对于半导体激光器组件都存在体积庞大，笨重的问题。

本发明主要的创新点即在于利用半导体激光管小巧便于安装的优势，设计了将激光管底座与温度控制器，电流控制安装于一体的结构。另外半导体激光器激光光束发散角大是其不可忽视的缺点，针对这一问题，本发明创新性的在出光处安置了一个出光筒，在对透镜选型后，可以将激光光束准直透镜，光放大器等光学元件安置在出光筒内，既节省了安装空间，又避免了因为没有准直放大等使得激光光束质量差的缺点。考虑到半导体激光器温度因素的关键性，在机构设计中考虑了散热设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：本发明从结构上设计一体化，小型化的半导体激光器结构，克服目前国内位对半导体控制器研制多是将电流源控制器与温度控制器分开设计，并且二者在体积上都有笨，大的缺点。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构，包括平板矩形肋片散热片组件、半导体激光器底座组件、半导体激光器电流源控制器组件、半导体激光器温度控制器组件、带散热孔半导体激光器顶盖组件以及遮光筒；其中：

所述的平板矩形肋片散热片组件，用于作为半导体激光器热沉，对激光器底座温控等部件产生的焦耳热散热；

所述的半导体激光器底座组件，用于固定TEC、激光管、热敏电阻、散热铜片，安装与电流源，温控电路电气连接的转接电路板；

所述的半导体激光器电流源控制器组件，用于安装驱动激光器的恒流源PCB板；

所述的半导体激光器温度控制器组件，用于安装温度控制器PCB板；

所述的带散热孔半导体激光器顶盖组件，用于将底座，电流源，温控组为一体，同时顶盖设有散热孔对温控电路板上大功率器件进行散热；

所述的遮光筒，用于安置准直透镜、光隔离器和光放大器。

其中，该半导体激光器与控制器一体化小型化结构将半导体激光器与控制器进行一体化结构设计，控制器为将半导体激光器温度控制器组件与半导体激光器电流源控制器组件集成一体的控制器；其中安装激光管的半导体激光器底座组件与半导体激光器电流源控制器组件通过螺栓连接，半导体激光器温度控制器组件与带散热孔半导体激光器顶盖组件通过螺钉连接，实现一体化的特征。

其中，利用PCB板厚度仅有1.6mm的优势，对电流源PCB板竖装在半导体激光器电流源控制器组件内的方法，压缩半导体激光器电流源控制器组件高度尺寸，最小化设计PCB板尺寸，将半导体激光器电流源控制器组件与PCB板形状相结合的设计方法，实现电流源控制器组件的体积尺寸做到最小的设计；其他部件如半导体激光器温度控制器组件，半导体激光器底座组件都是采用该种方法，压缩设计尺寸；遮光筒内可以安置准直优化光束质量的光学元件，实现了小型化的特征。

其中，通过对电路板，整体结构热分析，对平板矩形肋片散热片组件进行底板厚度、肋片厚度、肋片间距设计，对带散热孔顶盖组件设计，并按平板矩形肋片散热片组件、半导体激光器底座组件、电流源控制器组件、温度控制器组件、带散热孔顶盖组件的顺序组装，可以在良好的热条件下工作，实现热平衡的特征；为了组装好的半导体激光器、控制器一体化结构便于放置，在半导体激光器底座组件与电流源控制器组件同侧打螺纹孔安装支架。

其中，所述的半导体激光器底座组件中，通过半导体激光器底座组件来固定激光LD管，该一体化小型化结构适用于安装TO-46封装的任何波长激光管，在半导体激光器底座组件中设计两个凸台用来接触安装TEC组件，凸台大小与TEC长宽相匹配，便于传导热量，TEC 组件上面放置铜片，且激光管，热敏电阻保证安装与铜片接触，便于进行准确温度传导控制；

所述的半导体激光器电流源控制器组件中，通过激光器电流源控制器外壳安装恒流源 PCB板，并在电流源底壳设计一高度适宜的圆筒形凸台，筒内径与透镜外径通过螺纹，使底座激光管射出激光光束与凸透镜焦点共轴，且凸透镜安装恰好使得激光管位于其焦点位置，筒内径设计一定的螺纹为透镜提供伸缩的行程，便于调焦，筒外径攻螺纹以与遮光筒组合；

所述的半导体激光器温度控制器组件中，通过激光器温度控制器外壳安装温控PCB板，考虑到温控与恒流源使用共同电源，且温控电路板与电流源电路板都通过串口线与底座激光管相接，为了便于一体化走线组装，将温控外壳的底部掏空，只留四个带螺纹孔的边角凸台与PCB板固定；

所述的遮光筒中，通过激光器遮光筒遮挡电路中的发光元件的杂散光，遮光筒长度L与电流源外壳的高l1，电流源壳底壁厚h1，温控外壳的高l2有关，本发明使得L＝l1+l2+l3-h1，遮光筒的内径与电流源外壳底部圆筒型凸台的外径通过螺纹配合，如果电流源外壳底部圆筒型凸台外部没有攻螺纹，也可以通过过盈配合组装，遮光筒的另一端通过螺纹连接激光器外壳的激光器顶盖组件；

其中，通过所述的带散热孔半导体激光器顶盖组件分别与所述的半导体激光器温度控制器组件，所述的遮光筒相连接，激光器顶盖设计散热孔，以加强温度控制器PCB板上大功率元件散热；

所述的平板矩形肋片散热片组件中，通过激光器散热器与半导体激光器底座组件组合，增加激光管散热能力，起到热沉作用。

本发明的原理在于：

一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构，将半导体激光器的底座，控制器集成于一体的方法实现半导体激光器结构小型化。其中控制器包括恒流源控制器与温度控制器。通过最小化设计控制器的电路板，利用PCB板很薄的特点，最小化设计安装电路的结构，同时根据激光器发热特点，合理组装各部件，实现结构紧凑，另外遮光筒部分的设计，合理的利用了整个结构空间。该部分通过对透镜选型计算可以巧妙的放置准直透镜，光隔离器等于其中，最终小型化激光器与控制器结构，因为增加了优化光束的光学元件，使得激光的光束质量优于普通结构中放置的激光器。

本发明与现有技术相比的优点：

本发明半导体激光器结构实现了激光器，电流源控制器，温度控制器一体化组装，通过小型化设计，具有小巧、便携的优点。该内部电路调试只需将用于各个模块组装一起的螺钉，螺栓拆卸即可，便于拆装。

附图说明

图1是本发明一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构的整体结构的爆炸示意图；

图2a-图2c是本发明三维剖面图；

图2a为半导体激光器左视图；

图2b为本发明整体结构局部剖视图；

图2c为本发明整体结构装配图；

图3a-图3d为本发明部件的二维图；

图3a为半导体激光器底座部件的俯视图；

图3b为半导体激光器电流源控制器部件的三视图；

图3c为半导体激光器温度控制器部件的俯视图；

图3d为半导体激光器散热顶盖的俯视图。

其中附图标记含义为：1为平板矩形肋片式散热器，2为半导体激光器底座组件，3为半导体激光器电流控制器组件，4为半导体激光器温度控制器组件，5为半导体激光器顶盖组件，6为遮光筒，7为半导体激光器底座与半导体激光器电流源控制器连接螺孔，8为半导体激光器电流源控制器与半导体激光器温度控制器连接螺孔，9为散热片与激光器底座连接螺纹孔。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明为一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构，包括平板矩形肋片式散热器组件1、半导体激光器底座组件2、半导体激光器电流源控制器组件3、半导体激光器温度控制器组件4、半导体激光器顶盖组件5、遮光筒6。其中遮光筒6是安装在电流源控制器组件3 与电流源顶盖组件5之间的结构。内部准直透镜a、c，光放大器b，光隔离器d等光学元件在计算好参数之后固定于遮光筒6内，而激光管固定于半导体激光器底座组件2，通过安装于半导体激光器电流源控制器组件3的底壳凸台的透镜然后通过遮光筒6，经过内部光路后输出发散角较小的激光光束，本发明总体尺寸为89mmx93.5mmx114.2mm。

另外包括一些螺钉、螺栓用来组装整个结构，如图2b所示，半导体激光器底座组件2 与半导体激光器电流源控制器螺纹孔7，半导体激光器电流源控制器与半导体激光器温度控制器组装螺纹孔8、平板矩形肋片式散热器组件1与半导体激光器底座组件2连接螺纹孔9。图2c为本发明的结构整体装配图，其中图上小孔10为用来与支架固定的螺纹孔，小孔11、 12分别为电流控制器与温度控制器中预留的电位器，开关旋钮孔。

如图3a所示图中A1所指的四个螺纹孔用来连接半导体激光器底座与电流源控制器，图中A2所指四个螺纹孔用来连接半导体激光器底座与散热片，图中A3所指的四个螺纹孔用来固定激光器控制器与激光管连接所需的转接电路板。图中A4所指的两个小凸台为用来接触固定TEC，图中A5所指圆孔用来固定TO-46封装的半导体激光管。

半导体激光器电流控制器组件三视图如图3b所示，图中B1所指四个螺纹孔用来固定电流控制器的PCB板，B3所指四个螺纹孔用来连接电流源控制器与温度控制器。由于电流控制器的PCB板需要与激光器底座转接电路板连接，故特留两槽即B2，用来走线，实现一体化功能。B4所指圆形凸台为内外均攻有螺纹的筒，内螺纹用来旋装透镜B1，外径用来旋装遮光筒，遮光筒内可以放置准直透镜，光隔离器，光放大器等光学元件。B5所指两个小孔为预留的电位器，开关旋钮孔。

半导体激光器温度控制器组件俯视图如图3c所示，图中C1所指4个螺纹孔用来连接温度控制器与顶盖，C2所指4个螺纹孔用来固定温度控制器PCB板，为了便于温控电源与电流控制器电源线连接，温控与转接板走线便于连接，在本发明 中，除了四个凸台用来固定PCB板，其余底壁部分取掉。

半导体激光器顶盖组件三视图如图3d所示，图中D1所指圆形小凸台外径与遮光筒内径过盈配合相连接。D2所指4个螺纹孔与激光器温控组件相连接。D3所指开槽为散热孔。

Claims (1)

1.一种半导体激光器与控制器一体化小型化结构，其特征在于：包括平板矩形肋片散热片组件(1)、半导体激光器底座组件(2)、半导体激光器电流源控制器组件(3)、半导体激光器温度控制器组件(4)、带散热孔半导体激光器顶盖组件(5)以及遮光筒(6)；其中：

所述的平板矩形肋片散热片组件(1)，用于作为半导体激光器热沉，对激光器底座温控部件产生的焦耳热散热；

所述的半导体激光器底座组件(2)，用于固定TEC、激光管、热敏电阻、散热铜片，安装与电流源、温度控制器PCB板电气连接的转接电路板；

所述的半导体激光器电流源控制器组件(3)，用于安装驱动激光器的恒流源PCB板；

所述的半导体激光器温度控制器组件(4)，用于安装温度控制器PCB板；

所述的带散热孔半导体激光器顶盖组件(5)，用于将半导体激光器底座组件、半导体激光器电流源控制器组件、半导体激光器温度控制器组件为一体，同时顶盖设有散热孔对温控电路板上大功率器件进行散热；

所述的遮光筒(6)，用于安置准直透镜、光隔离器和光放大器；

该半导体激光器与控制器一体化小型化结构将半导体激光器与控制器进行一体化结构设计，控制器为将半导体激光器温度控制器组件(4)与半导体激光器电流源控制器组件(3)集成一体的控制器；其中安装激光管的半导体激光器底座组件(2)与半导体激光器电流源控制器组件(3)通过螺栓连接，半导体激光器温度控制器组件(4)与带散热孔半导体激光器顶盖组件(5)通过螺钉连接，实现一体化的特征；

利用PCB板厚度仅有1.6mm的优势，对电流源PCB板竖装在半导体激光器电流源控制器组件(3)内的方法，压缩半导体激光器电流源控制器组件(3)高度尺寸，最小化设计PCB板尺寸，将半导体激光器电流源控制器组件(3)与PCB板形状相结合的设计方法，实现电流源控制器组件的体积尺寸做到最小的设计；半导体激光器温度控制器组件(4)、半导体激光器底座组件(2)都是压缩设计尺寸；遮光筒内安置准直优化光束质量的光学元件，实现了小型化的特征；

按平板矩形肋片散热片组件(1)、半导体激光器底座组件(2)、电流源控制器组件(3)、温度控制器组件(4)、带散热孔顶盖组件(5)的顺序组装，可以在良好的热条件下工作，实现热平衡的特征；为了组装好的半导体激光器、控制器一体化结构便于放置，在半导体激光器底座组件(2)与电流源控制器组件(3)同侧打螺纹孔安装支架；

所述的半导体激光器底座组件(2)中，通过半导体激光器底座组件(2)来固定激光LD管，该一体化小型化结构适用于安装TO-46封装的任何波长激光管，在半导体激光器底座组件(2)中设计两个凸台用来接触安装TEC组件，凸台大小与TEC长宽相匹配，便于传导热量，TEC组件上面放置铜片，且激光管，热敏电阻保证安装与铜片接触，便于进行准确温度传导控制；

所述的半导体激光器电流源控制器组件(3)中，通过半导体激光器电流源控制器组件外壳安装恒流源PCB板；

所述的半导体激光器温度控制器组件(4)中，通过半导体激光器温度控制器组件外壳安装温控PCB板，考虑到温控与恒流源使用共同电源，且温控电路板与电流源电路板都通过串口线与底座激光管相接，为了便于一体化走线组装，将半导体激光器温度控制器组件外壳的底部掏空，只留四个带螺纹孔的边角凸台与PCB板固定；

其中，通过所述的带散热孔半导体激光器顶盖组件(5)分别与所述的半导体激光器温度控制器组件(4)，所述的遮光筒(6)相连接，激光器顶盖设计散热孔，以加强温度控制器PCB板上大功率元件散热；

所述的平板矩形肋片散热片组件(1)中，通过激光器散热器与半导体激光器底座组件组合，增加激光管散热能力，起到热沉作用。