CN107147004B - 一种外腔式半导体激光器结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种外腔式半导体激光器结构，包括激光二极管固定片、透镜安装基座、套管、可调节套筒基座、L型支架、光栅固定基座、反射镜固定基座、外壳、热沉和底座；激光二极管固定片通过螺纹结构实现激光二极管与透镜安装基座的固定。透镜安装基座实现激光二极管与准直透镜同轴。可调节基座用于安装激光头和固定热沉。光栅固定基座用于光栅固定，并与L型支架固定实现外腔长调节。热沉为激光器各器部件提供支撑和安装基准。外壳和底座构成屏蔽腔，将激光器内外环境隔离开来。本发明各个组件布局合理、紧凑，结构稳定，减小了体积，减轻了重量，降低了成本，解决了外腔式半导体激光器结构复杂、不易拆装的问题，具有重要的工程实用价值。

Description

一种外腔式半导体激光器结构
技术领域
本发明涉及一种外腔式半导体激光器结构，特别是一种各个组件布局合理、紧凑，减小了激光器体积、重量和成本，解决了外腔式半导体激光器结构复杂、不易拆装的问题，该结构可用于压窄线宽、提高激光器的可调谐性。
背景技术
80年代以来，激光器在光学以及原子实验中被广泛应用，随着实验的应用，要求的提高，对激光器体积小、重量轻、寿命长、功耗低、可靠性高的需求也越来越迫切。
目前试验中使用的激光器存在一定的缺陷，主要由于激光管的频率对于温度和输入电流的变化十分敏感，现有的半导体空腔较短，导致现有激光器线宽很大并且不利于调谐。另外，现有的激光器结构不具备频率调谐的光反馈机制，只适用于成本较高、工艺较复杂的分布反馈式半导体激光器(DBR)或分布式反馈激光器(DFB)，而并不适用于普通激光二极管(PF)，这使得激光器结构复杂，并且实验成本较高。第三，现有激光器结构复杂，缺少屏蔽外壳，无法满足各类环境条件的实验需求。总之，现有的半导体激光器的结构形式使得激光器体积庞大，组装过程复杂，且没有外壳，不利于半导体激光器精度的提高和进一步小型化。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有半导体激光器技术的不足，提供一种组件布局合理、结构紧凑的外腔式半导体激光器结构，减小了体积和重量，解决了半导体激光器的安装基准问题，采用热沉和屏蔽外壳的组合减少内部环境受外部环境变化的干扰，提高半导体激光器的精度。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种外腔式半导体激光器结构，包括激光二极管安装架、透镜安装基座、套管、可调节套筒基座、L型支架、光栅固定基座、反射镜固定基座、外壳、热沉和底座。非球面准直透镜与激光光源通过透镜安装基座实现同轴定位，并通过螺钉与套管国定；套管通过锁紧螺母紧固在可调节套管基座上。可调节套筒基座与热沉在结构上是分立的，之间通过控温材料隔离，并通过螺钉连接成一个整体，所述结构隔离热沉温度变化对主结构的影响。套管基座通过热沉上的两个定位间隙槽实现定位，并用螺钉紧固在底座上。热沉和外壳均安装在底座上，底座位于激光器结构的最底部，与外壳实现激光器结构与外界环境的隔离。
进一步地，所述结构具有封闭结构，由热沉、底座和外壳形成一个封闭空间使激光器主结构与外部空间隔离，屏蔽外界振动对主结构模态振型的影响。
进一步地，所述套管通过端部和侧面的螺纹安装在可调节套筒基座上，并通过相互之间的配合实现定位。反射式全息光栅与楔形固定块通过压电芯片连接，调节套筒基座上的旋钮可实现闪耀光栅角度的调节，使通过准直透镜后的激光按照固定模态照射在闪耀光栅中心，并在实验中可通过改变压电芯片上的负载电压实现外腔腔长的调节整体部件通过调节套筒。
进一步地，所述反射镜安装基座用于安装反射镜，使经过光栅的零级光再一次被反射这样在调节腔长时能够实现出射光平移变动而不是转动，保证输出光的稳定性。
进一步地，所述L型支架通过螺纹结构与可调节套筒基座进行连接，可调节套筒基座上的调节旋钮通过弹簧结构可改变L型支架的竖直与水平方向上的偏角。
进一步地，所述的可调节套筒基座与热沉在结构上是分立的，之间通过半导体制冷器隔离，并通过螺钉连接成一个整体，所述结构隔离热沉温度变化对主结构的影响。
本发明与现有技术相比的优点在于：
(1)本发明可调节套筒基座用于夹持和固定激光器的核心部件。主结构为激光器各器部件提供支撑和安装基准。套筒用于固定激光二极管并实现与可调节套筒基座的连接。楔形固定块为自由行程压电芯片(PZT)提供支承。半导体制冷器用于隔离热沉温度变化对激光器主结构的影响。热沉、底座和外壳形成一个封闭空间使激光器主结构与外部空间隔离，屏蔽外界振动对主结构模态振型的影响。因此上述结构布局合理、结构紧凑的外腔式半导体激光器结构，减小了体积和重量，解决了外腔式半导体激光器结构复杂、不易拆装的问题，采用半导体制冷器与结构整体形成封闭空间方案减少内部环境受外部环境变化的干扰，提高激光器精度。
(2)本发明可调节套筒基座作为本发明中激光器结构的重要基准部件，连接激光器主结构、L型支架、激光二极管固定套筒、楔形固定块，实现各部件安装基准的统一，保证陀螺仪各主要部件的装配精度。
(3)本发明楔形固定块为自由行程压电芯片(PZT)提供支承，反射式全息光栅紧固在压电芯片上，通过改变压电芯片上的负载电压实现外腔腔长的精确调节，利于激光器的小型化。
(4)本发明L型支架通过螺纹结构与可调节套筒基座进行连接，螺纹结构后附带弹簧结构，可调节套筒基座上的调节旋钮通过安装限位孔与L型支架同一端面接触，可通过旋钮改变L型支架的竖直与水平方向上的偏角，实现激光出射方向的调节。
(5)本发明的反射镜安装基座用于安装反射镜，使经过光栅的零级光再一次被反射这样在调节腔长时能够实现出射光平移变动而不是转动，保证输出光的稳定性。
(6)本发明的可调节套筒基座与热沉在结构上是分立的，之间通过半导体制冷器隔离，并通过螺钉连接成一个整体，隔离底座温度变化导致的主结构温度变化，减少器件热变形。
(7)本发明的主要结构采用硬铝材料，并进行表面阳极氧化黑化处理，在减轻整体结构重量，减小结构体积的同时，有效的提高了整体结构的耐磨性、耐腐蚀性和绝缘性，具有重要的工程实用价值。
附图说明
图1为本发明一种外腔式半导体激光器的结构简图；
图2为本发明的套筒和可调节套筒基座端面图和轴向剖面图，其中，图2(a)为端面图，图2(b)为轴向剖面图；
图3为本发明的光栅固定基座和反射镜固定基座的端面图和轴向剖面图，其中，图3(a)为端面图，图3(b)为轴向剖面图；
图4为本发明的透镜安装基座端面图和轴向剖面图，其中，图4(a)为端面图，图4(b)为轴向剖面图；
图5为本发明的主结构与底座装配体的轴侧视图、剖面图和右视图，其中，图5(a)为轴侧视图，图5(b)为剖视图。
图中附图标记含义为：1为激光二极管固定片，2为透镜安装基座，3为套管，4为可调节套筒基座，5为L型支架，6为光栅固定基座，7为反射镜固定基座，8为外壳，9为热沉，10为底座，11为半导体制冷器，22为基座，23为透镜橡胶卡环，24为激光二极管压紧卡环，30为第一调节旋钮，31为第二调节旋钮，32为第三调节旋钮，33为第一销孔，34为第二销孔，35为第三销孔，36为第一六角卡孔，37为第二六角卡孔，38为第三六角卡孔，39为第一压紧块，40为第二压紧块，50为螺纹孔，51为第一通孔，52为第二通孔，53为螺纹通孔，55为第一沉孔，56为第二沉孔，57为第三沉孔，60为第三通孔，61为第一基准孔，62为第四通孔，63为第二基准孔，70为孔，75为第一固定槽，76为第二固定槽，77为第三固定槽，78为第四固定槽，79为第五通孔。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
本发明一种外腔式半导体激光器结构的具体实施结构如图1所示，包括激光二极管固定片1、透镜安装基座2、套管3、可调节套筒基座4、L型支架5、光栅固定基座6、反射镜固定基座7、固定螺丝、锁紧螺母、外壳8、热沉9、底座10、半导体制冷器11。所述透镜安装基座2一方面用于激光二极管和准直透镜的定位与固定，另一方面通过顶部螺纹安装在套管3内；套管3通过底部和侧面的螺纹实现与可调节套筒基座4的定位，通过热沉9上的螺母进行固定与压紧；光栅固定基座6用于固定光栅与自由行程的压电芯片，实现腔长的调节；反射镜安装基座7通过光栅固定基座6实现定位，并紧固在光栅固定基座6上；热沉9一面通过紧固螺钉与可调节套筒基座4连接，另一面通过两侧的第一固定槽75、第二固定槽76与底座10连接，并实现半导体制冷器的定位与压紧；外壳8和热沉9均安装在底座上，底座10位于激光器的最底部，与外壳9构成了激光器的封闭结构；底座两侧留有第三固定槽77、第四固定槽78，可将整个激光器结构固定在光学平台上。
图2为本发明的套筒和可调节套筒基座端面图和轴向剖面图，其中图2(a)为端面图，图2(b)为轴向剖面图。主体部分为套筒3和可调节套筒基座4。套筒3的右端开有螺纹通孔53，紧固螺钉通过可调节套筒基座上的第二通孔52实现套筒3与可调节套筒基座4的定位与固定。套管3的底端开有螺纹孔50，紧固螺钉通过热沉9中心的第五通孔79和可调节套筒基座上的第一通孔51，实现半导体制冷器、可调节套筒基座4和套管3的定位与固定。可调节套筒基座端面上留有第一销孔33、第二销孔34、第三销孔35，留有卡口的第一调节旋钮30、第二调节旋钮31、第三调节旋钮32分别通过销孔上的销钉固定，调节是可使用六角扳手通过调节旋钮后面的第一六角卡孔36、第二六角卡孔37、第三六角卡孔38进行俯仰、左右角度的微调。
图3为本发明的光栅固定基座和反射镜固定基座的端面图和剖面图，其中图3(a)为端面图，图3(b)为轴向剖面图。光栅固定基座6和反射镜固定基座7是本发明一种外腔式半导体激光器结构的重要部件之一。主体部分为光栅固定基座6和反射镜固定基座7。光栅固定基座6上留有直径为3mm的两个通孔：第三通孔60、第四通孔62，可通过L型支架5上的第一基准孔61、第二基准孔63实现光栅固定基座6的定位与固定。反射镜固定基座7上的孔70用于固定反射镜。
图4为本发明的L型支架端面图和剖面图，其中图4(a)为端面图，图4(b)为轴向剖面图。L型支架5上的第一基准孔61、第二基准孔63与光栅固定基座上的孔60、62对准，并通过螺钉与实现光栅固定基座6的定位与固定。剖面图中，L型支架5留有第一沉孔55、第二沉孔56、第三沉孔57，与可调节套筒基座4剖面图中的第一压紧块39、第二压紧块40相接处，在转动调节旋钮时，通过压紧块的相对位置进行可调节套筒基座4角度的微调。
图5为本发明的透镜安装基座端面图和剖面图，其中图5(a)为端面图，图5(b)为轴向剖面图。透镜安装基座2是固定激光二极管的重要部件之一，包括基座22、透镜橡胶卡环23和激光二极管压紧卡环24。准直透镜通过左边螺纹旋入，透镜橡胶卡环23主要用于保证透镜位置的相对稳定并减小实验过程中与内壁的摩擦。激光二极管由透镜安装基座2左端放入，调整好位置后，激光二极管压紧卡环24由同一方位旋入并实现激光二极管的压紧，避免实验过程中激光二极管的移动。
本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims (6)

1.一种外腔式半导体激光器结构，其特征在于：包括激光二极管固定片(1)、透镜安装基座(2)、套管(3)、可调节套筒基座(4)、L型支架(5)、光栅固定基座(6)、反射镜固定基座(7)、外壳(8)、热沉(9)和底座(10)；所述透镜安装基座(2)一方面用于激光二极管和准直透镜的定位与固定，另一方面通过顶部螺纹安装在套管(3)内；套管(3)通过底部和侧面的螺纹实现与可调节套筒基座(4)的定位，通过热沉(9)上的螺母进行固定与压紧；光栅固定基座(6)用于固定光栅与自由行程的压电芯片，实现腔长的调节；反射镜固定基座(7)通过光栅固定基座(6)实现定位，并紧固在光栅固定基座(6)上；热沉(9)一面通过紧固螺钉与可调节套筒基座(4)连接，另一面通过两侧的固定槽与底座(10)连接，并实现半导体制冷器的定位与压紧；外壳(8)和热沉(9)均安装在底座上，底座(10)位于激光器的最底部，与外壳(8)构成了激光器的封闭结构。
2.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器结构，其特征在于：所述的可调节套筒基座(4)与热沉(9)在结构上是分立的，之间通过半导体制冷器隔离，并通过螺钉连接成一个整体。
3.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器结构，其特征在于：L型支架(5)通过螺纹结构与可调节套筒基座(4)进行连接，可调节套筒基座(4)上的调节旋钮配合使用六角扳手可改变L型支架(5)的竖直与水平方向上的偏角。
4.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器结构，其特征在于：所述的光栅为反射式全息光栅，所述的反射式全息光栅与光栅固定基座(6)通过压电芯片(PZT)连接，通过改变压电芯片上的负载电压实现外腔腔长的调节。
5.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器结构，其特征在于：所述的准直透镜为非球面准直透镜，所述非球面准直透镜与激光光源通过透镜安装基座(2)实现同轴定位，并通过螺钉与套管(3)固定；套管(3)通过锁紧螺母紧固在可调节套管基座(4)上。
6.根据权利要求1所述的一种外腔式半导体激光器结构，其特征在于：所述反射镜固定基座(7)用于安装反射镜，使经过光栅的零级光再一次被反射这样在调节腔长时能够实现出射光平移变动而不是转动。
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