CN108767652B - 一种半导体激光器一体化结构 - Google Patents

一种半导体激光器一体化结构 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种半导体激光器一体化结构，可实现激光器的驱动与控制，包括电流源控制模块、温度控制模块、功率稳定模块、频率稳定模块、光路模块和辅助模块六个部分。一体化结构为六面体结构，电流源控制模块用于对激光管注入电流，温度控制模块用于控制激光管处于正常工作温度，功率稳定模块用于稳定激光光束功率，频率稳定模块用于稳定激光光束频率，光路模块用于激光光束准直，辅助模块用于对激光器内电路板供电、显示和调试。本发明可用于原子陀螺仪、原子钟、核磁共振分析仪等高精密测量领域，其具有体积小、重量轻、散热均匀、结构紧凑、功率频率可控等优点，具有重要的工程使用价值。

Description

一种半导体激光器一体化结构
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系统模块、稳功率模块和稳频率模块一体化的机械结构，用于原子陀螺仪、原子钟、核磁共振分析仪等高精密测量领域。
背景技术
半导体激光器作为一个可调谐单色光源，具有体积小、重量轻、效率高、成本低、易调谐等优点，在科研和工业领域均发挥着重要的作用。随着激光冷却操控原子技术的飞速发展，在原子陀螺仪、原子钟、核磁共振分析仪等高精密测量领域中，需要利用激光对原子进行冷却、俘获和操控，其对激光器的功率稳定性、线宽、频率稳定性都有很高的要求。
传统半导体激光器与驱动控制器多采用分离式设计，将驱动器与激光器底座分立，以保证激光器具有高功率和高可靠性。同时，为了减小激光器体积，传统半导体激光器忽略了稳频率和稳功率模块的设计。该类型激光器具有体积大、重量重、安装不便、不适应工业集成化发展的缺点。
发明内容
本发明主要解决的技术问题是：本发明从结构和功能上设计一体化激光器结构，克服了目前国内外激光器与控制器模块、频率稳定模块、功率稳定模块分离设计，体积大、质量重、安装不便、不适应工业集成化发展的缺点。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案是：一种半导体激光器一体化结构，包括半导体激光器温度控制器组件、半导体激光器频率稳定模块组件、半导体激光器电流源控制器组件、半导体激光器功率稳定模块组件、半导体激光器光路模块组件、半导体激光器辅助模块以及半导体激光器散热组件；其中：
所述的半导体激光器温度控制器组件，用于安装温度控制PCB板；
所述的半导体激光器频率稳定模块组件，用于安装频率稳定PCB板；
所述的半导体激光器电流源控制器组件，用于安装电流源驱动PCB板；
所述的半导体激光器功率稳定模块组件，用于安装功率稳定PCB板；
所述的半导体激光器光路模块组件，用于安装光学筒，内部固定激光器和准直透镜；
所述的半导体激光器辅助模块，用于安装4个分别显示电流、温度、频率和功率参数的8位数码管、各电路板的调试接口、SMB插口、5V和15V供电插口以及电流源调节旋钮；
所述的半导体激光器底部组件，用于作为半导体激光器热沉，并与TEC、铜块、热敏电阻相连接，对激光管进行散热。
其中，该半导体激光器一体化结构将半导体激光器与控制器、稳频率和稳功率模块进行一体化结构设计。激光器外壳将半导体激光器温度控制器组件、半导体激光器频率稳定模块组件、半导体激光器电流源控制器组件和半导体激光器功率稳定模块组件集成一体，通过螺钉在六面体结构上固定各模块；半导体激光器光路模块组件和半导体激光器底部组件通过螺栓固定连接，实现一体化特征。
其中，激光器外壳将半导体激光器温度控制器组件、半导体激光器频率稳定模块组件和半导体激光器功率稳定模块组件中的PCB板固定在激光器四周外壳上，半导体激光器电流源控制器组件的PCB板位于热沉上方；PCB板上发热高的元件位于远离激光管的位置；半导体激光器温度控制器组件、半导体激光器频率稳定模块组件、半导体激光器电流源控制器组件和半导体激光器功率稳定模块组件中相关联的插口位于板与板相邻的位置。
其中，通过对半导体激光器底部组件中的散热片进行肋片厚度、宽度和间距设计，对半导体激光器温度控制器组件、半导体激光器频率稳定模块组件、半导体激光器电流源控制器组件、半导体激光器功率稳定模块组件的外壳进行宽度和间距合适的散热孔设计，保障激光器电路系统在良好的热条件下工作，实现激光器内部的热平衡；将激光管固定在一定厚度的铜块中，铜块通过TEC与热沉相连接，使将激光管的热量向激光器外部传递。
其中，所述的半导体激光器底部组件中，通过两个TEC支架将TEC固定于激光器热沉上，TEC热端与热沉接触，TEC冷端与铜块接触，通过螺栓将铜块、TEC、TEC支架和激光器热沉紧密固定；TEC传导热量，铜块上的热敏电阻监测激光管的温度，温度控制PCB板对激光管进行温度控制；
所述的半导体激光器光路模块组件中，激光管与准直透镜固定于光学筒中，并通过垫片与铜块相连接；激光管出射的激光光束与透镜焦点共轴，光学筒内设计的螺纹用于调节透镜与激光管的距离，实现激光准直共轴；
所述的半导体激光器电流源控制器组件中，在半导体激光器底部组件(7)上设计四个带螺纹孔的高度适宜的圆柱形凸台，用于固定电流源PCB板；PCB板中央挖孔，用于安装TEC支架；
所述的半导体激光器温度控制器组件、半导体激光器频率稳定模块组件、半导体激光器功率稳定模块组件中，通过PCB板边角的四个螺纹孔与激光器外壳固定；与PCB板相接触的激光器外壳上设计大小、间距适宜的散热孔，用于PCB板散热；
所述的半导体激光器辅助模块中，通过4个8位数码管显示激光器工作过程中的电流、温度、功率和频率数值，监测激光器工作情况；电流源PCB板、温度控制PCB板、功率稳定PCB板和频率稳定PCB板通过15针和10针插口进行调试，通过5V和15V的电源插口供电；功率稳定PCB板和频率稳定PCB板通过SMB口进行光路信息反馈；电流源PCB板通过旋钮调节激光管电源大小。
本发明的原理在于：
一种半导体激光器一体化结构，将半导体激光器与控制器、稳频率和稳功率模块进行一体化结构设计。其中，激光器控制器包括电流源控制器与温度控制器。通过合理安排各板的功能、最小化各电路板尺寸、合理组装各模块，实现结构一体紧凑的特点。同时，光学筒位于结构中央的设计，有利于激光器内部各电路板之间的布线，也便于激光器整体散热，合理利用六面体的空间结构。
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、电流源控制模块、温度控制模块、频率稳定模块、功率稳定模块和光路一体化组装，具有体积小、重量轻、功能全面、光束质量优的特点。此结构适用于安装TO-46封装的任何波长的激光管，便于激光光束调焦。该激光器可以实现高精度电流和温度控制、频率和功率稳定的目的。该激光器各PCB板可直接通过功能模块上的插口进行供电、显示和调试，功能全面，且操作简便。
附图说明
图1是本发明整体结构的爆炸示意图；
图2为本发明整体结构的装配图；
图3为本发明整体结构的局部剖视图；
图4为半导体激光器温度控制器部件的俯视图；
图5为半导体激光器频率稳定模块部件的俯视图；
图6为半导体激光器功率稳定模块部件的俯视图；
图7为半导体激光器散热组件的俯视图；
图8为半导体激光器光路模块组件的三维图；
图9为半导体激光器辅助模块组件的俯视图。
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一体化结构，包括半导体激光器温度控制器组件1、半导体激光器频率稳定模块组件2、半导体激光器电流源控制器组件3、半导体激光器功率稳定模块组件4、半导体激光器光路模块组件5、半导体激光器辅助模块6以及半导体激光器散热组件7。本发明总体尺寸为200mm×200mm×175mm。
其中，在半导体激光器光路模块组件5中，光学筒通过垫片与铜块安装在一起，内部的准直透镜等元件固定于光学筒内，激光管固定于垫片和光学筒之间，经过光学筒后输出光束质量较好的激光光束。
在半导体激光器散热组件7中，热沉通过螺纹孔与四周激光器外壳固定，热沉上方安装TEC支架和电路板支架，分别固定TEC和电流源控制PCB板，铜块、TEC和TEC支架通过螺栓压紧固定在热沉上。
另外包括一些螺钉、螺栓来组装整体结构。半导体激光器温度控制器组件1、半导体激光器频率稳定模块组件2、半导体激光器功率稳定模块组件4通过PCB板四个角上的螺钉分别固定在激光器外壳上。
如图4所示图中A1所指的四个螺纹孔用来连接半导体激光器温度控制PCB板与激光器外壳。
如图5所示图中B1所指的四个螺纹孔用来连接半导体激光器频率稳定PCB板与激光器外壳。
如图6所示图中C1所指的四个螺纹孔用来连接半导体激光器功率稳定PCB板与激光器外壳，C2所指的四个螺纹孔用来固定激光器支架。
如图7所示图中D1所指的四个螺纹孔用来压紧铜块、TEC和TEC支架，D2所指的两个螺纹孔用来固定TEC支架，D3所指的四个螺纹孔用来固定电路板支架。
如图8所示图中E1所指的螺纹用来将透镜固定在光学筒内，E2所指的螺纹用来连接垫片和光学筒，E3所指的螺纹孔用来将垫片固定在铜块上，E4所指的螺纹孔用来固定热敏电阻。
如图9所示图中F1所指的四个通孔用于安装数码管，F2所指的通孔用于10针温度控制PCB板调试插口，F3所指的通孔用于安装15针电流源控制调试插口，F4所指的通孔用于安装5V电源接口，F5所指的通孔用于安装SMB插口，F6所指的通孔用于安装调节电源大小的旋钮，F7所指的通孔用于安装15V电源接口，F8所指的螺纹孔用来连接半导体激光器显示电路板PCB板与激光器外壳。
对本发明进行稳定性能测试，包括温度稳定性和功率稳定性。3小时内的温度波动范围在27℃-30℃，最终可稳定在29℃。3小时内的功率稳定度为0.0254％，平均功率值为87.0978mW。

Claims (1)

1.一种半导体激光器一体化结构，其特征在于：包括半导体激光器温度控制器组件(1)、半导体激光器频率稳定模块组件(2)、半导体激光器电流源控制器组件(3)、半导体激光器功率稳定模块组件(4)、半导体激光器光路模块组件(5)、半导体激光器辅助模块(6)以及半导体激光器散热组件(7)；其中：
所述的半导体激光器温度控制器组件(1)，用于安装温度控制PCB板；
所述的半导体激光器频率稳定模块组件(2)，用于安装频率稳定PCB板；
所述的半导体激光器电流源控制器组件(3)，用于安装电流源驱动PCB板；
所述的半导体激光器功率稳定模块组件(4)，用于安装功率稳定PCB板；
所述的半导体激光器光路模块组件(5)，用于安装光学筒，内部固定激光器和准直透镜；
所述的半导体激光器辅助模块(6)，用于安装4个分别显示电流、温度、频率和功率参数的8位数码管、各电路板的调试接口、SMB插口、5V和15V供电插口以及电流源调节旋钮；
所述的半导体激光器散热组件(7)，用于作为半导体激光器热沉，并与TEC、铜块、热敏电阻相连接，对激光管进行散热；
该半导体激光器一体化结构将半导体激光器与控制器、稳频率和稳功率模块进行一体化结构设计，其中，激光器外壳将半导体激光器温度控制器组件(1)、半导体激光器频率稳定模块组件(2)、半导体激光器电流源控制器组件(3)和半导体激光器功率稳定模块组件(4)集成一体，通过螺钉在六面体结构上固定各模块；半导体激光器光路模块组件(5)和半导体激光器散热组件(7)通过螺栓固定连接，实现一体化特征；
激光器外壳将半导体激光器温度控制器组件(1)、半导体激光器频率稳定模块组件(2)和半导体激光器功率稳定模块组件(4)中的PCB板固定在激光器四周外壳上，半导体激光器电流源控制器组件(3)的PCB板位于热沉上方，半导体激光器电流源控制器组件(3)的PCB板上发热高的元件位于远离激光管的位置；半导体激光器温度控制器组件(1)、半导体激光器频率稳定模块组件(2)、半导体激光器电流源控制器组件(3)和半导体激光器功率稳定模块组件(4)中相关联的插口位于板与板相邻的位置；
通过对半导体激光器散热组件(7)中的散热片进行肋片厚度、宽度和间距设计，对半导体激光器温度控制器组件(1)、半导体激光器频率稳定模块组件(2)、半导体激光器电流源控制器组件(3)、半导体激光器功率稳定模块组件(4)的外壳进行宽度和间距合适的散热孔设计，保障激光器电路系统在良好的热条件下工作，实现激光器内部的热平衡；将激光管固定在一定厚度的铜块中，铜块通过TEC与热沉相连接，使将激光管的热量向激光器外部传递；
所述的半导体激光器散热组件(7)中，通过两个TEC支架将TEC固定于激光器热沉上，TEC热端与热沉接触，TEC冷端与铜块接触，通过螺栓将铜块、TEC、TEC支架和激光器热沉紧密固定；TEC传导热量，铜块上的热敏电阻监测激光管的温度，温度控制PCB板对激光管进行温度控制；
所述的半导体激光器光路模块组件(5)中，激光管与准直透镜固定于光学筒中，并通过垫片与铜块相连接；激光管出射的激光光束与透镜焦点共轴，光学筒内设计的螺纹用于调节透镜与激光管的距离，实现激光准直共轴；
所述的半导体激光器电流源控制器组件(3)中，在半导体激光器散热组件(7)上设计四个带螺纹孔的高度适宜的圆柱形凸台，用于固定电流源驱动PCB板；PCB板中央挖孔，用于安装TEC支架；
所述的半导体激光器温度控制器组件(1)、半导体激光器频率稳定模块组件(2)、半导体激光器功率稳定模块组件(4)中，通过PCB板边角的四个螺纹孔与激光器外壳固定；与PCB板相接触的激光器外壳上设计大小、间距适宜的散热孔，用于PCB板散热；
所述的半导体激光器辅助模块(6)中，通过4个8位数码管显示激光器工作过程中的电流、温度、功率和频率数值，监测激光器工作情况；电流源驱动PCB板、温度控制PCB板、功率稳定PCB板和频率稳定PCB板通过15针和10针插口进行调试，通过5V和15V的电源插口供电；功率稳定PCB板和频率稳定PCB板通过SMB口进行光路信息反馈；电流源驱动PCB板通过旋钮调节激光管电源大小。
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