CN110011178A - 电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置及其构成的测量系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电流‑温控半导体激光器的光学干涉光源装置，包括散热板、环形半导体制冷片、半导体激光器、PCB板、热传感器和固定板，PCB板的两侧面的中心分别设有第一圆形开窗铜区和第二圆形铜区，第一圆形开窗铜区通过过孔与第二圆形铜区相接触；半导体激光器的外壳下端通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接，环形半导体制冷片的制冷面通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接；环形半导体制冷片的制热面通过导热硅脂与散热板连接；热传感器设于所述第一圆形开窗铜区上而对第一圆形开窗铜区的温度进行检测。本发明还公开了一种测量系统。本发明具有结构简单、导热性好、温控精度高和激光器输出波长稳定有益效果。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学干涉光源装置及其构成的测量系统，尤其是指一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置及其构成的激光波数扫描干涉测量系统。
背景技术
半导体激光器又称之为二极管激光器(LD)，相比于传统的灯抽运激光器，半导体激光器具有体积小、效率高、质量轻、寿命长、相干性好等诸多优点，半导体二极管激光器在光学测量、激光通信、光存储、激光打印以及雷达等方面已经获得了广泛的应用，是目前应用最广泛的光电子器件之一。
由于半导体激光器有着显著的温度特性，它是一个对温度很敏感的器件，它的光功率和输出波长随着温度变化很大。半导体激光器的工作原理决定了其自身工作时必然发热，而自身产生的热量严重影响着LD的输出特性(如LD输出波长随温度的漂移)，但是在某些光学测量的场合，必须对半导体激光器的工作温度进行高精度控制，进而对半导体激光的波长进行调谐以提高测量的精度。通常有两种方式：
方式1：其它因素不变，稳定半导体激光器的工作温度，变化半导体激光器的工作电流来稳定地改变波长。
方式2：其它因素不变，稳定半导体激光器的工作电流，变化半导体激光器的工作温度来稳定地改变波长。
但是，目前市场现有的半导体激光器较少可以通过方式1来稳定地改变波长，因为这对半导体激光自身的性能要求非常高，而方式2通过改变激光的环境温度来稳定改变波长是更加容易实现的，所以能否对半导体激光器的环境温度进行精确控制就很重要了。传统的温控方法是采用热沉对半导体激光器进行控温，从半导体激光器产生的热量依次通过焊接层、绝缘层、热沉后，最终通过对流传热的方式散出。但由于半导体激光与热沉始终会有绝缘的地方以及热沉的导热惯性大，，导致传热效率低，效果差，从而不能保证精确快速地控制半导体激光器的工作温度，进而导致在调谐波数时出现不稳定因素(如模跳的产生)。
发明内容
本发明的目的在于针对上述问题，提供一种结构简单、导热性好、温控精度高和激光器输出波长稳定的电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置及其构成的激光波数扫描干涉测量系统。
本发明的目的可采用以下技术方案来达到：
一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置，包括散热板、环形半导体制冷片、半导体激光器、PCB板、热传感器和固定板，所述PCB板的两侧面的中心分别设有第一圆形开窗铜区和第二圆形铜区，所述第一圆形开窗铜区通过过孔与第二圆形铜区相接触；半导体激光器与PCB板中心电连接，且半导体激光器的外壳下端通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接，环形半导体制冷片的中心开有通孔，所述环形半导体制冷片的制冷面通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接，且半导体激光器套设于通孔中心；所述环形半导体制冷片的制热面通过导热硅脂与散热板连接，且散热板上开有激光输出孔，所述通孔的中心线与激光输出孔的中心线重合，半导体激光器发射的光线与激光输出孔的中心线重合；所述PCB板固定安装于固定板上，且第二圆形铜区与固定板接触；所述热传感器设于所述第一圆形开窗铜区上而对第一圆形开窗铜区的温度进行检测。
作为一种优选的方案，所述散热板、PCB板和固定板上均设有多个安装孔，所述激光输出孔设于由多个安装孔构成的多边形的中心位置上；所述安装孔上设有连接件而将散热板、PCB板和固定板固定连接在一起。
作为一种优选的方案，所述散热板为铝材。
作为一种优选的方案，所述热传感器为NTC热敏电阻。
一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置的激光波数扫描干涉测量系统，包括权利1～4中任一权利要求所述的光学干涉光源装置，用于将相关光分为两部分的分光棱镜，被测透镜，光楔，用于捕捉反射光干涉光谱的CCD相机，用于处理图像信息的计算机，用于调节半导体激光器工作温度及电流的控制器，以及用于提高测量精度的双远心镜头；
所述光学干涉光源装置、双远心镜头、光楔、被测透镜沿逆时针依次设置，所述分光棱镜位于中心位置；相关光从光学干涉光源装置射出，经分光棱镜后到达光楔，形成第一入射光路；相关光在光楔产生反射，经分光棱镜后到达双远心镜头，形成第一反射光路；相关光从光学干涉光源装置射出，经分光棱镜后到达被测透镜，形成第二入射光路；相关光在被测透镜产生反射，经分光棱镜后到达双远心镜头，形成第二反射光路；所述第一反射光路与第二反射光路在双远心镜头内产生干涉，形成干涉光谱；所述CCD相机对干涉光谱进行采样得到干涉信号并发送给计算机。
进一步地，所述CCD相机采样并得到的干涉信号为离散的干涉信号，计算机对干涉信号进行傅里叶变换得出幅频特性和相频特性，在峰值处可得出干涉相位和干涉频率，再将干涉相位和干涉频率解调得出被测表面深度轮廓信息，再拟合出被测物体的3D模型图。
实施本发明，具有如下有益效果：
1、本发明通过控制环形半导体制冷片两端电流的方向可以控制PCB板上的第一圆形开窗铜区的升温和降温，而通过控制环形半导体制冷片两端电流大小可以控制PCB板上的第一圆形开窗铜区的加热量和制冷量，从而改变PCB板的第一铜区上的温度。NTC热敏电阻通过测量PCB板上的第一圆形开窗铜区的温度，来测量并获得半导体激光器的实时工作温度，从而实现对半导体激光器的工作温度进行调节和测量，具有结构简单、检测和控制方便的优点。
2、本发明的环形半导体制冷片与PCB板上的第一圆形开窗铜直接接触，提高了制冷的效果。并且本发明将半导体激光器外壳焊接在PCB板的第一圆形开窗铜区上，使半导体激光器使用的热量通过PCB板上的第一圆形开窗铜区和第二圆形铜区进行热传递，取代了传统导热的纯铜热沉，加速了半导体激光器的导热效率，从而提高温控精度和增大温控范围，进而提高半导体激光器输出波长的稳定性，防止模跳的情况发生，解决了传统的温控方法是采用热沉对半导体激光器进行控温，从半导体激光器产生的热量依次通过焊接层、绝缘层、热沉后，最终通过对流传热的方式散出，导致传热效率低，效果差，从而不能保证精确地控制半导体激光器的工作温度，进而导致在调谐波数时出现不稳定因素的问题。本发明具有结构简单、导热性好、温控精度高和激光器输出波长稳定的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置的结构示意图；
图2是测试电流-温控半导体激光器的光学干涉光源28.042℃时的时间-温度变化图；
图3是实验测试温控电流400mA时半导体激光器工作温度从18℃-38℃的变化曲线；
图4是是实验测试温控电流400mA时半导体激光器工作温度从38℃-18℃变化期间，半导体激光器输出波数的线性变化曲线；
图5是本发明电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置的激光波数扫描干涉测量系统的结构示意图；
图6是在双远心镜头内产生干涉而形成的干涉光谱图；
图7是拟合出被测物体的3D模型图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例
参照图1，本实施例涉及电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置，包括散热板1、环形半导体制冷片2、半导体激光器3、PCB板4、热传感器5和固定板6，所述PCB板4的两侧面的中心分别设有第一圆形开窗铜区和第二圆形铜区41，所述第一圆形开窗铜区通过过孔与第二圆形铜区41相接触；半导体激光器3与PCB板4中心电连接，且半导体激光器3的外壳下端通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接，环形半导体制冷片2的中心开有通孔21，所述环形半导体制冷片2的制冷面通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接，且半导体激光器3套设于通孔21中心；所述环形半导体制冷片2的制热面通过导热硅脂与散热板1连接，且散热板1上开有激光输出孔11，所述通孔21的中心线与激光输出孔11的中心线重合，半导体激光器3发射的光线与激光输出孔11的中心线重合；所述PCB板4固定安装于固定板6上，且第二圆形铜区41与固定板6接触；所述热传感器5设于所述第一圆形开窗铜区上而对第一圆形开窗铜区的温度进行检测。所述热传感器5为NTC热敏电阻。
本发明通过控制环形半导体制冷片2两端电流的方向可以控制PCB板4上的第一圆形开窗铜区的升温和降温，而通过控制环形半导体制冷片2两端电流大小可以控制PCB板4上的第一圆形开窗铜区的加热量和制冷量，从而改变PCB板4的第一铜区上的温度。NTC热敏电阻通过测量PCB板4上的第一圆形开窗铜区的温度，来测量并获得半导体激光器3的实时工作温度，从而实现对半导体激光器3的工作温度进行调节和测量，具有结构简单、检测和控制方法的优点。
第一圆形开窗铜区是PCB板敷铜后去除掉阻焊层，具有更好的导热性能。本发明的半导体激光器3的外壳底端与第一圆形开窗铜区的形状相对应，使得半导体激光器3的温度场均匀分布于第一圆形开窗铜区上，提高了半导体激光器3的导热效率，进而提高了半导体激光器3的温度控制精度和响应速度，大幅度提高了半导体激光器3输出的波长模态稳定性。并且本发明将半导体激光器3外壳焊接在PCB板4的第一圆形开窗铜区上，使半导体激光器3使用的热量通过PCB板4上的第一圆形开窗铜区和第二圆形铜区41进行热传递，取代了传统导热的纯铜热沉，加速了半导体激光器3的导热效率，从而提高温控精度和增大温控范围，进而提高半导体激光器3输出波长的稳定性，防止模跳的情况发生，解决了传统的温控方法是采用热沉对半导体激光器3进行控温，从半导体激光器3产生的热量依次通过焊接层、绝缘层、热沉后，最终通过对流传热的方式散出，导致传热效率低，效果差，从而不能保证精确地控制半导体激光器3的工作温度，进而导致在调谐波数时出现不稳定因素的问题。本发明具有结构简单、导热性好、温控精度高和激光器输出波长稳定的优点。
所述散热板1、PCB板4和固定板6上均设有多个安装孔14，所述激光输出孔11设于由多个安装孔14构成的多边形的中心位置上；所述安装孔14上设有连接件而将散热板1、PCB板4和固定板6固定连接在一起。
为了提供散热板1的导热效率，所述散热板1为铝材。
本实施例还提供了一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置的激光波数扫描干涉测量系统，如图5所示，包括权利1～4中任一权利要求所述的光学干涉光源装置101，用于将相关光分为两部分的分光棱镜102，被测透镜103，光楔104，用于捕捉反射光干涉光谱的CCD相机105，用于处理图像信息的计算机106，用于调节半导体激光器3工作温度及电流的控制器107，以及用于提高测量精度的双远心镜头108；
所述光学干涉光源装置101、双远心镜头108、光楔104、被测透镜103沿逆时针依次设置，所述分光棱镜102位于中心位置；相关光从光学干涉光源装置101射出，经分光棱镜102后到达光楔104，形成第一入射光路；相关光在光楔104产生反射，经分光棱镜102后到达双远心镜头108，形成第一反射光路；相关光从光学干涉光源装置101射出，经分光棱镜102后到达被测透镜103，形成第二入射光路；相关光在被测透镜103产生反射，经分光棱镜102后到达双远心镜头108，形成第二反射光路；所述第一反射光路与第二反射光路在双远心镜头108内产生干涉，形成干涉光谱，如图6所示；所述CCD相机105对干涉光谱进行采样得到干涉信号并发送给计算机106。
所述CCD相机105采样并得到的干涉信号为离散的干涉信号，计算机106对干涉信号进行傅里叶变换得出幅频特性和相频特性，在峰值处可得出干涉相位和干涉频率，再将干涉相位和干涉频率解调得出被测表面深度轮廓信息，再拟合出被测物体的3D模型图，如图7所示。
激光波数扫描干涉检测中重要的指标参数有两个：(1)深度z方向轮廓分辨率(简称深度轮廓分辨率)，其指的是激光波数扫描干涉测量系统可以分辨出被测件两表面之间的最小光程差；(2)深度轮廓量程，其指的是激光波数扫描测量系统可以检测到的最大光程差。
激光波数扫描干涉的深度轮廓分辨率取决于激光波数的扫描范围，要增大激光波数的扫描范围，则需要控制半导体激光器3在一个较大的温度变化区域工作，且在这个区间无模跳产生。本发明将半导体激光器3外壳焊接在PCB板4的第一圆形开窗铜区上，使半导体激光器3使用的热量通过PCB板4上的第一圆形开窗铜区和第二圆形铜区41进行热传递，取代了传统导热的纯铜热沉，加速了半导体激光器3的导热效率，从而提高温控精度和增大温控范围，进而提高半导体激光器3输出波长的稳定性，使无模跳的温控区间加大，最终加大半导体激光波数扫描范围，提高深度轮廓分辨率，解决了传统的温控方法是采用热沉对半导体激光器3进行控温，从半导体激光器3产生的热量依次通过焊接层、绝缘层、热沉后，最终通过对流传热的方式散出，导致传热效率低，效果差，从而不能保证精确地控制半导体激光器3的工作温度，进而导致在调谐波数时出现不稳定因素的问题。本发明具有结构简单、导热性好、温控精度高和激光器输出波长稳定的优点。
本实施例的电流-温控半导体激光器的光学干涉光源的制作步骤如下：
步骤一：首先用导热硅脂将环形半导体制冷片2的制热面粘贴在散热板1上。
步骤二：然后在半导体激光器3的外壳和PCB板4的接触面均匀地涂上导热硅脂，之后再将半导体激光器3的三个管脚焊接到PCB板4上。
步骤三：待半导体激光器3冷却后，再将半导体激光器3的外壳与PCB板4进行焊接。
步骤四：待半导体激光器3冷却后，将NTC热敏电阻焊接在PCB板4上。
步骤五：使用导热硅脂将环形半导体制冷片2的制冷面与PCB板4的第一圆形开窗铜区充分粘贴。
在实施所述步骤一之前，需保证散热板1上的激光输出孔11的中心线与环形半导体制冷片2的通孔21的中心线重合。
在实施所述步骤二之前，需保证半导体激光器3的输出光线与PCB板4垂直，再依次焊接半导体激光器3的安装管脚以及半导体激光器3的正负极。
在实施所述步骤三时，保证半导体激光器3的外壳与PCB板4的第一圆形开窗铜区均匀接触。
环形半导体制冷片2、半导体激光器3和NTC热敏电阻的引线均焊接在PCB板4上，再使用两根4线的PVN电源线直接接入到控制器107中，根据NTC热敏电阻测得温度值，控制器107控制环形环形半导体制冷片2的工作电流和方向，最后实现半导体激光器3工作温度的控制。这里使用的零部件的参数如下：
(1)半导体激光器3为HL63603TG,波长是638nm,最大功率是120mW。
(2)NTC热敏电阻阻值R＝10kΩ，B＝3934，精度1％。
(3)环形半导体制冷片2为TES1-04930，标准电压为标准5V，标准电流是3A。
(4)控制器107的型号为LDC-3724C。
图2是测试电流-温控半导体激光器的光学干涉光源28.042℃时的温度稳定性，证明该干涉光源的温控精度高,具体误差可精确到±0.003℃。图3是实验测试温控电流400mA时半导体激光器工作温度从18℃-38℃的变化曲线，证明该干涉光源温度变化速率快。图4是实验测试温控电流400mA时半导体激光器工作温度从38℃-18℃变化期间，半导体激光器输出波数呈线性变化，间接证明了该干涉光源温控制精度高。
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。
Claims (6)
1.一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置，其特征在于，包括散热板、环形半导体制冷片、半导体激光器、PCB板、热传感器和固定板，所述PCB板的两侧面的中心分别设有第一圆形开窗铜区和第二圆形铜区，所述第一圆形开窗铜区通过过孔与第二圆形铜区相接触；半导体激光器与PCB板中心电连接，且半导体激光器的外壳下端通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接，环形半导体制冷片的中心开有通孔，所述环形半导体制冷片的制冷面通过导热硅脂与第一圆形开窗铜区连接，且半导体激光器套设于通孔中心；所述环形半导体制冷片的制热面通过导热硅脂与散热板连接，且散热板上开有激光输出孔，所述通孔的中心线与激光输出孔的中心线重合，半导体激光器发射的光线与激光输出孔的中心线重合；所述PCB板固定安装于固定板上，且第二圆形铜区与固定板接触；所述热传感器设于所述第一圆形开窗铜区上而对第一圆形开窗铜区的温度进行检测。
2.根据权利要求1所述的一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置，其特征在于，所述散热板、PCB板和固定板上均设有多个安装孔，所述激光输出孔设于由多个安装孔构成的多边形的中心位置上；所述安装孔上设有连接件而将散热板、PCB板和固定板固定连接在一起。
3.根据权利要求1所述的一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置，其特征在于，所述散热板为铝材。
4.根据权利要求1所述的一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置，其特征在于，所述热传感器为NTC热敏电阻。
5.一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置的激光波数扫描干涉测量系统，其特征在于，包括权利1～4中任一权利要求所述的光学干涉光源装置，用于将相关光分为两部分的分光棱镜，被测透镜，光楔，用于捕捉反射光干涉光谱的CCD相机，用于处理图像信息的计算机，用于调节半导体激光器工作温度及电流的控制器，以及用于提高测量精度的双远心镜头；
所述光学干涉光源装置、双远心镜头、光楔、被测透镜沿逆时针依次设置，所述分光棱镜位于中心位置；相关光从光学干涉光源装置射出，经分光棱镜后到达光楔，形成第一入射光路；相关光在光楔产生反射，经分光棱镜后到达双远心镜头，形成第一反射光路；相关光从光学干涉光源装置射出，经分光棱镜后到达被测透镜，形成第二入射光路；相关光在被测透镜产生反射，经分光棱镜后到达双远心镜头，形成第二反射光路；所述第一反射光路与第二反射光路在双远心镜头内产生干涉，形成干涉光谱；所述CCD相机对干涉光谱进行采样得到干涉信号并发送给计算机。
6.根据权利要求5所述的一种电流-温控半导体激光器的光学干涉光源装置的激光波数扫描干涉测量系统，其特征在于，所述CCD相机采样并得到的干涉信号为离散的干涉信号，计算机对干涉信号进行傅里叶变换得出幅频特性和相频特性，在峰值处可得出干涉相位和干涉频率，再将干涉相位和干涉频率解调得出被测表面深度轮廓信息，再拟合出被测物体的3D模型图。
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