CN108508617A - 激光器准直装置及准直方法 - Google Patents

Abstract

一种针对半导体激光器阵列的准直装置包括：调节台和探测设备，通过调节台调节，包括XYZ三维位移调节和三维旋转台调节光纤柱透镜和激光光源相对位置，通过探测设备观察远场光斑确定柱透镜最佳准直位置，最后用紫外固化胶点胶，将光纤柱透镜固定在激光器模块上。还提供一种应用上述装置进行激光准直的方法。本发明的准直装置和方法使得准直方法的位移精度可达0.01mm，角度精度可达0.1°，且设备制作安装简便，操作简单。

Description

激光器准直装置及准直方法

技术领域

本发明涉及激光应用领域，进一步涉及一种激光器准直装置，以及采用该装置进行激光器准直的方法。

背景技术

阵列半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长、覆盖波段范围广、可直接调制等优点，广泛应用于工业加工、激光医疗和军事等领域。典型的瓦级阵列半导体激光器在垂直p-n结方向即快轴方向上输出光束发散角约30°；平行于p-n结方向即慢轴方向上发散角约为10°。这种具有严重像散和发散角的光束严重影响了激光器的使用，因此实际应用时需要对半导体激光器光束进行快轴准直。

在原有工艺条件下，光纤柱透镜的装配误差较大，位移误差和角度误差都将导致激光光源失焦，光束准直效果差，对于激光器阵列会出现管芯准直效果不均的问题，导致光斑呈扇形。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种激光器准直装置及准直方法，以解决以上所述的至少一项技术问题。

(二)技术方案

根据本发明的一方面，提供一种激光器准直装置，包括：调节台，包括激光器调节单元和光纤柱透镜调节单元，其中，所述激光器调节单元包括升降台、第一平移台、第二平移台、旋转台和激光器固定模块；所述激光器固定模块装配于旋转台上，用于固定所述激光器管芯阵列；所述旋转台配置为可绕竖直方向Z轴旋转；所述第一平移台和第二平移台装配于旋转台下方，配置为在水平面内分别沿X轴和Y轴移动，所述X轴、Y轴和Z轴互相垂直；所述升降台装配于第一平移台和第二平移台下方，配置为沿Z轴方向移动；所述光纤柱透镜调节单元包括第一回转台、第二回转台、光纤固定支架和光纤夹具；所述光纤夹具与所述光纤固定支架，用于固定光纤柱透镜，所述光纤柱透镜用于准直所述激光器管芯阵列；所述光纤固定支架装配于第一回转台和第二回转台上，所述第一回转台和第二回转台配置为分别绕X轴和Y轴旋转；探测设备，设置于激光器管芯阵列发出的出射光一侧，用于表征所述激光器经光纤柱透镜准直状态。

进一步的，所述探测设备包括接收屏、红外摄像头和显示器，所述接收屏包括刻度线，用于接收激光器发出的光源以及表征光源的发散角；所述红外摄像头用于拍摄接收屏上的光束成像；所述显示器与所述红外摄像头电性耦接，用于观察光束的准直情况。

进一步的，所述激光器调节单元还包括探针夹具，配置为与所述激光器电性连接为激光器供电；所述激光器固定模块开设激光器电路槽和探针夹具槽，分别固定所述激光器和探针夹具。

进一步的，所述激光器固定模块还包括一夹具固定块，位于所述探针夹具楷上部，配置为通过螺钉铆接以固定位于探针夹具楷内的探针夹具。

进一步的，所述调节台包括底座，所述激光器调节单元和光纤柱透镜调节单元均固定于所述底座上。

进一步的，所述光纤夹具一端开设连接孔，连接孔套入光纤固定支架并通过螺钉固定。

进一步的，所述光纤夹具的另一端包括一硅钢片和固定块，所述硅钢片用于固定光纤柱透镜，并且硅钢片通过固定块固定于光纤夹具上。

根据本发明的另一反面，还提供一种以上任意装置进行激光准直的方法，包括：

将封装有沿慢轴方向排列的激光器管芯阵列安装于所述激光器固定模块上；

截取光纤裸纤作为准直柱透镜，固定于光纤夹具上，使准直柱透镜与激光器管芯阵列平行相对，用于准直激光光束快轴方向；

接通电源使激光器发射激光光束，并通过探测设备探测；

通过调节升降台、第一平移台、第二平移台、旋转台、第一回转台和/或第二回转台，调整激光器管芯阵列与准直柱透镜的相对位置以获得设定的准直效果；

固定准直透镜与激光器管芯阵列的相对位置。

进一步的，将激光器管芯阵列安装于所述激光器固定模块上前先将激光器管芯阵列安装于一热沉上，并且固定准直透镜与激光器管芯阵列的相对位置时，通过紫外固化胶在光纤柱透镜两端点胶，通过紫外灯照射固化，使光纤柱透镜固定在所述热沉上。

(三)有益效果

1、本发明通过XYZ三维位移调节架，θ_xθ_yθ_z三维旋转台组成六维调节架对光纤柱透镜和激光器进行精密调节，使得光纤准直效果达到最佳状态，安装位移精度可达到0.01mm，角度精度可达到0.1°；

2、工艺采用红外摄像头和显示屏观察光束在带刻度的接收屏上的准直情况，观察结果直观可靠；

3、本发明的准直方法中，在确定光纤和激光器管芯阵列位置后，采用紫外固化胶固定，紫外固化剂具有机械支撑能力，粘性强，固化速度快，保证固化后光纤位置不发生变化。

4、本发明的准直方法中，装调设备安装方便，工艺简单，准直效果好，准直后激光光束发散角可达到0.5°。

附图说明

图1是本发明实施例的激光器准直装置调节台示意图；

图2是图1中的第一回转台示意图；

图3是图1中的旋转台示意图；

图4是图1中的升降台示意图；

图5是图1中的第一平移台示意图；

图6是图1中的激光器固定模块示意图；

图7是图1中的探针夹具示意图；

图8是图1中的光纤夹具示意图；

图9是图1中的光纤固定支架示意图；

图10是图1中的底座示意图；

图11是本发明实施例的激光器准直装置接收屏示意图。

具体实施方式

根据本发明的基本构思，适应半导体激光器管芯阵列快轴准直的需求，提供一种激光器准直装置和准直方法，通过XYZ三维位移调节架，θ_xθ_yθ_z三维旋转组成六维调节装置对光纤柱透镜和激光器进行精密调节，使得光纤准直效果达到最佳状态。

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

根据本发明实施例的一方面，提供一种激光器准直装置。图1是本发明实施例的激光器准直装置调节台的示意图。本发明实施例的调节装置，总体上包括调节台100和探测设备两个部分。调节台100用于通过XYZ轴三维位移调节以及θ_xθ_yθ_z三维旋转，对光纤柱透镜和激光器进行精密调节。为保证激光器光源出射面水平，由XYZ三维位移调节架和θ_z旋转台调节激光器管芯阵列，由θ_xθ_y回转台调节光纤的倾斜角。

参见图1，对于调节台，其包括激光器调节单元110和光纤柱透镜调节单元120。激光器调节单元110可以实现三维方向的平移以及一维的旋转，光纤柱透镜调节单元120能够实现两维的旋转。

其中，激光器调节单元110包括升降台111、第一平移台112、第二平移台113、旋转台114和激光器固定模块115。其中，对于激光器调节单元110，一种装配方式可以是：激光器调节单元110从下往上依次为一个升降台111，两个平移台(第一平移台112和第二平移台113)，一个旋转台114，激光器固定模块115。所述激光器固定模块115装配于旋转台114上，用于固定所述激光器管芯阵列；所述旋转台114配置为可绕竖直方向Z轴旋转；所述第一平移台112和第二平移台113装配于旋转台114下方，配置为在水平面内分别绕X轴和Y轴移动，其中，X轴、Y轴和Z轴互相垂直。

图3是图1中的旋转台示意图。旋转台114可以实现激光器的沿垂直方向的旋转θ_z调整(绕Z轴旋转)。旋转台上装配有固定模块，旋转台旋转角度精度可达到0.05°-0.3°，进一步优选的为0.1°。

图4是图1中的升降台111示意图。该升降台111能够实现对激光器管芯阵列的垂直方向的平移调整。所述升降台装配于第一平移台和第二平移台下方，配置为沿Z轴方向移动(也即垂直方向的平移调整)。移动精度可以为0.005-0.03mm，进一步优选的为0.01mm。

图5是图1中的第一平移台112示意图。第一平移台112能够实现对激光器管芯阵列的水平面中一方向的移动，本实施例中所实现的是在水平面内沿X轴方向移动。该第一平移台112装配在旋转台的下方，配置为沿水平面内的X轴方向移动从而带动激光器管芯阵列的移动。移动精度可以为0.005-0.03mm，进一步优选的为0.01mm。

第二平移台113可以位于第一平移台112的上方或者是下方，第二平移台113的设置方式参照第一平移台112，不同处在于，第二平移台113是沿着水平面内的Y轴方向移动，带动激光器管芯阵列相应的沿Y轴移动。

图6是图1中激光器固定模块115示意图。该激光器固定模块115用于固定待准直的激光器管芯阵列。可选的激光器固定模块用于固定激光器管芯阵列以及探针夹具116，相应的激光器固定模块；所述激光器固定模块开设激光器电路槽1151和探针夹具槽1152，分别固定所述激光器和探针夹具。该探针夹具用于激光器供电。图6中激光器固定模块装配在旋转台上，激光器及其电路固定在激光器电路槽1处。

图7是图1中的探针夹具116示意图。可选的，图1中的激光器调节单元还包括探针夹具116，配置为与所述激光器电性连接为激光器供电。该探针夹具可放置于探针夹具槽内，并可通过夹具固定块1153固定于激光器固定模块中。该夹具固定块位于探针夹具槽上方，放置探针夹具后，在将固定块通过螺丝紧固以限定探针夹具的位置。激光器电路电源由如图7所示的探针夹具引入，探针夹具固定于探针夹具槽内，并由探针夹具固定块上螺丝固定。

其中，光纤柱透镜调节单元包括第一回转台121、第二回转台122、光纤固定支架123和光纤夹具124；所述光纤夹具124与光纤固定支架123，用于固定光纤柱透镜，光纤柱透镜用于准直所述激光器管芯阵列；光纤固定支架装配于第一回转台121和第二回转台122上，第一回转台121和第二回转台122配置为分别沿X轴旋转和Y轴旋转。第一回转台和第二回转台的上下位置可以互换。光纤柱透镜调节单元120可以由下往上可以为两个回转台(第一回转台和第二回转台)，光纤固定支架和光纤夹具。第一回转台和第二回转台可实现θ_xθ_y两维旋转调节，该调节方式作用于光纤柱透镜而非激光器光源，可确保出射光束与接收屏刻度线平行，方便读取发散角。

图2是图1中的第一回转台示意图，第一回转台配置为沿X轴方向旋转，实现由θ_x精密回转台调节光纤柱透镜的倾斜角。第一回转台的旋转角度精度可达到0.05°-0.3°，进一步优选的为0.1°。

图8是图1中的光纤夹具124示意图。光纤夹具一端开设连接孔1241，连接孔1241套入光纤固定支架123并通过螺钉固定；光纤夹具的另一端包括一硅钢片1243和固定块1242，硅钢片1243用于固定光纤柱透镜，并且硅钢片1243通过固定块1242固定于光纤夹具上。

图9是图1中的光纤固定支架123示意图。光纤夹具124可以通过连接孔1241与光纤固定支架的连接杆连接固定，光纤固定支架123的下端装配第一回转台121和第二回转台122。

对于调节装置中的探测设备，其设置于激光器管芯阵列发出的出射光一侧，用于接收经光纤柱透镜准直后的出射光，并表征激光器经光纤柱透镜准直状态。

参见图1，探测设备可包括接收屏、红外摄像头和显示器。图11是本发明实施例的激光器准直装置接收屏示意图。接收屏包括刻度线，用于接收激光器发出的光源以及表征光源的发散角；红外摄像头用于拍摄接收屏上的光束成像；而显示器与所述红外摄像头电性耦接，用于观察光束的准直情况。例如，接收屏放置在离激光器光源1米处，接收屏上可有表征1m处发散角角度的刻度线，红外摄像头拍摄接收屏上光束成像，通过显示器观察光束准直情况。

图10是图1中的底座示意图。可选的，调节装置还可包括底座130，该底座130用于固定和限制激光器调节台和光纤调节台的位置，保证调节时设备机械稳定性，底座130上的螺孔限定了两部分的位置，使调节时光纤和激光器相对位置确定，调节架稳固，方便操作。可选的，将第一回转台121或第二回转台122装配于底座上；以及将升降台111同样装配于底座上。

根据本发明实施例的另一方面，还提供一种激光准直的方法。该方法中包括如下步骤：

1、实施例所用激光器管芯阵列安装在12mm×14mm的黄铜热沉上，准直用光纤柱透镜裸纤直径为0.8mm，用剥纤钳剥离光纤涂覆层，截取10mm长的光纤裸纤作为准直柱透镜；

2、用少量紫外固化胶将截取的光纤固定在图8所示光纤夹具的硅钢片的尖端上，用螺丝在固定块上固定；

3、将带激光器管芯阵列的黄铜热沉固定在图6所示的激光器电路槽1内，接通电源使激光器发光照射到1m处的接收屏上，通过红外摄像头和显示器观察激光成像图形；

4、通过六维调节架调节激光器管芯阵列和光纤柱透镜相对位置，使透镜对激光光束快轴准直效果达到最佳，准直效果由出射光束在接收屏上的发散角读数表征；

5、用紫外固化胶在光纤两端点胶，并用紫外灯照射20秒，照射时间根据紫外灯功率确定，将光纤固定在激光器所在热沉上，维持准直效果；

6、断开光纤与光纤夹具上硅钢片的连接，取下激光器模块。

应用本发明提出的工艺流程和设备装调的激光器管芯阵列，激光光束快轴发散角可达到0.5°。验证了该装调工艺精度高，准直效果好，操作简便的特点。由六维调节架调节光纤柱透镜及激光器管芯阵列光源相对位置至准直效果最佳后，用紫外固化胶和紫外灯粘接固定光纤和激光器，紫外固化胶在紫外线照射下可在20秒内固化，且紫外固化胶有机械支撑能力，能够保持光纤柱透镜和激光器的相对位置，使准直效果不发生变化。

本发明实施例将通过xyz三维位移调节架和θ_xθ_yθ_z三维旋转台调节光纤柱透镜和激光器模块之间的相对位置，保证激光器管芯阵列光源在柱透镜焦面上，安装位移精度可达到0.01mm，角度精度可达到0.1°，准直后发散角小于0.5°，工艺流程精简，设备制作容易，装配效果优异。该方法是一种将半导体激光光束快轴准直的工艺，快轴准直后的激光可用于激光引信、空间探测等领域。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种激光器准直装置，其特征在于包括：

调节台，包括激光器调节单元和光纤柱透镜调节单元，其中，

所述激光器调节单元包括升降台、第一平移台、第二平移台、旋转台和激光器固定模块；所述激光器固定模块装配于旋转台上，用于固定所述激光器管芯阵列；所述旋转台配置为可绕竖直方向Z轴旋转；所述第一平移台和第二平移台装配于旋转台下方，配置为在水平面内分别沿X轴和Y轴移动，所述X轴、Y轴和Z轴互相垂直；所述升降台装配于第一平移台和第二平移台下方，配置为沿Z轴方向移动；

所述光纤柱透镜调节单元包括第一回转台、第二回转台、光纤固定支架和光纤夹具；所述光纤夹具与所述光纤固定支架，用于固定光纤柱透镜，所述光纤柱透镜用于准直所述激光器管芯阵列；所述光纤固定支架装配于第一回转台和第二回转台上，所述第一回转台和第二回转台配置为分别绕X轴和Y轴旋转；

探测设备，设置于激光器管芯阵列发出的出射光一侧，用于表征所述激光器经光纤柱透镜准直状态。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述探测设备包括接收屏、红外摄像头和显示器，所述接收屏包括刻度线，用于接收激光器发出的光源以及表征光源的发散角；所述红外摄像头用于拍摄接收屏上的光束成像；所述显示器与所述红外摄像头电性耦接，用于观察光束的准直情况。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述激光器调节单元还包括探针夹具，配置为与所述激光器电性连接为激光器供电；所述激光器固定模块开设激光器电路槽和探针夹具槽，分别固定所述激光器和探针夹具。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述激光器固定模块还包括一夹具固定块，位于所述探针夹具槽上部，配置为通过螺钉铆接以固定位于探针夹具槽内的探针夹具。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述调节台包括底座，所述激光器调节单元和光纤柱透镜调节单元均固定于所述底座上。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述光纤夹具一端开设连接孔，连接孔套入光纤固定支架并通过螺钉固定。

7.根据权利要求6所述的装置，其特征在于，所述光纤夹具的另一端包括一硅钢片和固定块，所述硅钢片用于固定光纤柱透镜，并且硅钢片通过固定块固定于光纤夹具上。

8.应用权利要求1-7任一所述装置进行激光准直的方法，其特征在于包括：

将封装有沿慢轴方向排列的激光器管芯阵列安装于所述激光器固定模块上；

截取光纤裸纤作为准直柱透镜，固定于光纤夹具上，使准直柱透镜与激光器管芯阵列平行相对，用于准直激光光束快轴方向；

接通电源使激光器发射激光光束，并通过探测设备探测；

通过调节升降台、第一平移台、第二平移台、旋转台、第一回转台和/或第二回转台，调整激光器管芯阵列与准直柱透镜的相对位置以获得设定的准直效果；

固定准直透镜与激光器管芯阵列的相对位置。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，在将激光器管芯阵列安装于所述激光器固定模块上之前，先将激光器管芯阵列安装于一热沉上，并且固定准直透镜与激光器管芯阵列的相对位置时，通过紫外固化胶在光纤柱透镜两端点胶，通过紫外灯照射固化，使光纤柱透镜固定在所述热沉上。